CN101917229A - 基于光延迟的可自愈的大容量光纤传感网 - Google Patents

Abstract

一种基于光延迟的可自愈的大容量光纤传感网。包括：宽带光源、耦合器、光延迟线、选择节点、N层光纤传感子网、光开关驱动装置、可调谐窄带滤波器、光探测器、数据处理系统和计算机；宽带光源输出的光经耦合器后通过能够产生不同延时的光延迟线和选择节点选择一个通道，在该层光纤传感子网中接受外界传感量的调制后，反射光返回再次经过耦合器后经可调谐窄带滤波器依次进入其后的光探测器、数据处理系统和计算机进行解调分析。所述的选择节点包含一个耦合器和一个1×1光开关。本发明通过光开关运用反馈机制使其具有自愈的功能，极大地提高了光纤传感网的可靠性。通过光延迟实现对所有光纤传感器的实时监测，避免了使用光开关时的不停切换。

Description

基于光延迟的可自愈的大容量光纤传感网

【技术领域】：

本发明设计一种光纤传感网络系统。特别涉及一种采用光延迟来提高传感网容量且具有自愈性的光纤传感网络系统，属于光纤智能传感技术领域。

【背景技术】：

从光纤技术发明以来，各种光纤器件的研究和应用层出不穷。作为新型信号处理器件的光纤延迟线已经从最初简单的一段光纤，发展到现阶段具有多种复杂结构的独立器件，成为光信息处理技术中的关键器件之一。光纤延迟线最基本的应用是作为延时单元，根据不同应用系统的需求可在基本延时单元的基础上组成不同结构形式的光纤延迟线器件，从而实现多种不同的具体功能。这些应用主要有传光型光纤传感器、光编解码器、光缓存器、光相关器、光A/D转换器以及光滤波器等。从目前的研究热点来看，光纤延迟线最活跃的应用研究主要集中在光纤传感与光学测量、光纤通信、微波光子学等领域。

光纤延迟线的工作原理很简单：如果不考虑色散，当光脉冲信号在光纤中以群速度v_g传播时，脉冲时间延迟的长短Δt正比于光纤的长度L，即：

Δt＝L/v_g＝Ln_g/c

式中n_g为光纤的群折射率，c为光在真空中的传播速度。可以看出，只要改变光纤的长度，就能实现不同的延迟时间。

光纤传感网络是光纤传感技术与通信技术相结合的产物。此类传感网络可以只需一个光源和一个探测线路，集传感与传输于一体，实现远距离测量与监控。由于同时获取的信息量大，使得单位信息所需的费用大大降低，从而获得高的性价比。因此由光纤传感器复用构成的分布式传感器是任何点式传感器所不能比拟的。实际应用最广泛的光纤传感网是光纤光栅复用传感网。

目前应用较为广泛的光纤光栅传感网是将WDM、SDM复用技术有机结合起来，从充分利用光源和增加FBG数目来考虑，不同波长的FBG采用波分复用串联，形成光纤光栅阵列，然后再采用空分复用阵列并联。空分复用增加FBG复用数目的同时，不会降低信噪比，而且复用同样数目的FBG，采用空分复用的方法可以有效地减小传感元间的串音。这样复用的数目可以大大增加。

这种结构存在如下缺点：一是没有自愈性，光栅阵列上的某一处连接发生故障会使它后面串接的所有FBG的信号丢失；二是若想要监测所有传感器附近被测物理量的变化，就要不停地切换开关。

【发明内容】：本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于光延迟的可自愈大容量光纤传感网，以解决当前光纤传感网络可靠性差、容量低的问题。

本发明提供的基于光延迟的可自愈大容量光纤传感网的结构如图1所示，该光纤传感网包括：宽带光源、耦合器、光延迟线、N个选择节点、N层光纤传感子网、光开关驱动装置、可调谐窄带滤波器、光探测器、数据处理系统和计算机；宽带光源输出的光经过耦合器后通过具有不同延时τ_n(τ_n＞(N-1)T/2，T为一个通道的实时解调时间)的光延迟线和N个对应的选择节点选择一个通道，进入选择节点后，在该层光纤传感子网中接受外界传感量的调制，反射光再次经过选择节点、光延迟线和耦合器后再经过可调谐窄带滤波器依次进入其后的光探测器、数据处理系统和计算机进行解调分析。所述的选择节点BN(Branch Node)的结构如图2所示，它包含一个耦合器和一个1×1光开关，耦合器的一个输出端接一层光纤传感子网，另一个输出端接1×1光开关，1×1光开关的输出端和这一层光纤传感子网的另一端相连；所述的选择节点中的1×1光开关由光开关驱动装置进行控制。

BN节点的作用是不仅给光纤传感子网提供一条正常工作路径，还有一条备用路径，从而使得光纤传感子网具有自愈性。当这一层光纤传感子网正常工作时，BN中的光开关(OS，Optical Switch)保持断开状态，每个光纤传感器的反射光谱信号在原工作路径中传输，不使用备用路径，如图3。当某两个光纤传感器之间的连接点出现故障，比如S_jk(j代表某层光纤传感子网，k代表第k个传感器)与S_j(k+1)传感器之间的连接点出现故障，此时S_j(k+1)至S_jn的传感信号不能返回到解调系统中，光探测器探测到的光功率迅速减小，这一异常现象立刻反馈到计算机，计算机发出指令给光开关的驱动电路，由驱动电路进行转换控制，控制选择节点，启动备用路径，如图4，那么传感器S_j1至S_jk的传感信号在原路径中传输的同时，S_j(k+1)至S_jn的传感信号就在备用路径中传输。这样，所有传感器的传感信号都可以返回到解调系统进行解调分析，恢复该传感子网正常的传感功能。整个过程完全由计算机统筹控制，无需人工操作。

每个光纤传感子网都可充分利用宽带光源的谱宽，可使用数量相同或不同的光纤传感器，并且可并联多个光纤传感子网以增大传感网的容量。

当光纤传感子网中的传感器为反射光谱传感情况时，假设t_i是第i个光延迟线的处理时间，Δ是各通道的缓冲时间，所以，通道j的光延迟线的具体延迟时间为当光延迟线、光开关等各种器件性能较好时，缓冲时间Δ较小。对于利用光纤传感器的透射光谱进行传感的情况，其第j层传感子网的光延迟线的具体延迟时间

由于反射型光信号在通道中往返两次通过延迟线，所以其延迟时间是透射型的两倍。

图5所示是一种连续可调MEOMS光延迟线的结构。该光延迟线结构包括有两组直角反射镜阵列，一组直角反射镜阵列位置固定，直角反射镜数量为a，a＝2，3，4，...，另一组直角反射镜阵列设置在移动轴上，可以实现位置改变，直角反射镜的数量为m-1；光延迟线结构的入射端和出射端采用硅V形槽和微透镜实现光信号和光纤间的高效耦合，减小耦合损耗。输入光信号透过微聚光准直透镜在固定直角反射镜阵列和移动直角反射镜阵列之间形成多次反射，最后经出射端准直透镜进入硅V形槽中的出射光纤输出。可以通过移动轴调节两组直角反射镜阵列之间的距离，来实现对光信号延迟的连续调谐，则在这个结构中，光信号共被反射4a-2次，实现的最大连续调谐光时延为：

t＝2(a-1)s/c                             (3)

其中s为可移动直角反射镜阵列的最大轴向移动距离，c为真空中的光速。

另外，除了光纤延迟线，系统中也可以使用其它类型的光延迟器件，比如光缓存器，来实现传感信号的延迟。光纤传感网中的传感器为光谱型光纤传感器，不仅可以使用光纤光栅，其它光谱型调制的传感器均适用。

本附图及说明是针对光纤传感器的反射光谱进行传感，对于利用光纤传感器的透射光谱进行传感也同样适用。

本发明的优点和积极效果：

(1)本发明所述的光纤传感网通过光开关运用反馈机制使其具有自愈的功能，极大地提高了光纤传感网的可靠性。

(2)基于光延迟对各个传感子网进行级联，可实现对所有光纤传感器的实时监测，避免了使用光开关时的不停切换。

(3)该传感网的容量大且易于扩展。将多个传感子网并联，整个系统可复用的传感器数目是非常可观的，并且要扩展通道数目只需要用特定长度光纤延迟线连接到系统中，十分简单。

【附图说明】：

图1是设计的采用光延迟的具有自愈性的光纤传感网结构示意图。

图中，1是宽带光源，2为耦合器，3是BN节点，4是可调谐窄带滤波器，5是光开关驱动装置，6是光探测器，7是数据采集系统，8是计算机，S是各个光纤传感器，L₁……L_n-1是各延迟时间不同的光延迟线。

图2是BN节点的结构。

图中，9是耦合器，10是1×1光开关。

图3为传感子网正常工作时BN中光开关的状态。

图中虚线标出此时传感信号的传输路径。

图4为传感子网出现故障时BN中光开关的状态。

图中虚线分别标出此时传感信号的传输路径和备用传输路径。

图5是MEOMS光延迟线的结构。

图中，11固定直角反射镜阵列，12是准直镜，13是V型槽，14是移动直角反射镜阵列，15是移动轴。

图6是光开关的驱动系统。

图中，16是串行接口模块，17是RS232电平转换模块，18是单片机驱动控制模块，19是光开关，20是电源供给，21是发光管显示。

图7为光纤光栅传感网正常工作时BN中光开关的状态。

图中虚线标出此时传感信号的传输路径。

图8为光纤光栅传感网的连接出现故障时BN中光开关的状态。

图中虚线分别标出此时传感信号的传输路径和备用传输路径。

【具体实施方式】：

实施例1：

如图1所示，为本发明基于光纤光栅传感器构建的光延迟的可自愈大容量光纤传感网，该光纤传感网包括：宽带光源1、耦合器2、光延迟线、N个选择节点3、N层光纤传感子网、光开关驱动装置5、可调谐窄带滤波器4、光探测器6、数据处理系统7和计算机8；其中，宽带光源输出的光经过耦合器后顺序通过具有不同延时的光延迟线L₁……L_n-1和N个对应的选择节点选择一个通道，进入选择节点后，在该层光纤传感子网中接受外界传感量的调制，反射光再次经过选择节点、光延迟线和耦合器后再经过可调谐窄带滤波器依次进入其后的光探测器、数据处理系统和计算机进行解调分析。所述的选择节点BN(Branch Node)的结构如图2所示，它包含一个耦合器9和一个1×1光开关10，耦合器的一个输出端接一层光纤传感子网，另一个输出端接1×1光开关，1×1光开关的输出端和这一层光纤传感子网的另一端相连；所述的选择节点中的1×1光开关由光开关驱动系统进行控制(见图6)。

图5所示是一种连续可调MEOMS光延迟线的结构。该光延迟线结构包括有两组直角反射镜阵列，一组直角反射镜阵列位置固定，直角反射镜数量为a，a＝2，3，4，...，另一组直角反射镜阵列设置在移动轴上，可以实现位置改变，直角反射镜的数量为a-1；光延迟线结构的入射端和出射端采用硅V形槽和微透镜实现光信号和光纤间的高效耦合，减小耦合损耗。输入光信号透过微聚光准直透镜在固定直角反射镜阵列和移动直角反射镜阵列之间形成多次反射，最后经出射端准直透镜进入硅V形槽中的出射光纤输出。可以通过移动轴调节两组直角反射镜阵列之间的距离，来实现对光信号延迟的连续调谐，则在这个结构中，光信号共被反射4a-2次，实现的最大连续调谐光时延为：

t＝2(a-1)s/c                             (3)

其中s为可移动直角反射镜阵列的最大轴向移动距离，c为真空中的光速。

本发明实例中采用产自上海瀚宇光纤通信技术有限公司的SLD76-HP高功率SLD模块作为系统光源，光源的3dB带宽为51.2nm，并将0.8nm作为不同FBG反射谱中心波长之间的间隔，那么1个通道的传感阵列可以实现64个FBG的级联，整个传感网可容纳64×N个FBG。但实际上，系统的损耗决定了传感阵列可容纳的FBG数量不可能达到上述理论值。

系统的损耗主要表现在无源器件的插入损耗、FBG的反射/透射损耗与熔接损耗以及光纤的传输损耗三个方面。系统中光纤的总长度在数千米之内，因此光纤的传输损耗可忽略不计。系统中的无源器件主要包含光耦合器和光开关。实验测得光信号两次经过耦合器的损耗不超过7.5dB，光信号两次经过光开关的损耗不超过2.4dB。因此，在此传感网中，一个通道中所有无源器件的总损耗为(7.5×2+2.4)dB，即17.4dB。

设1个传感阵列中包含q个FBG，每个FBG接入光纤中有两个熔点，每个熔点的熔接损耗不超过0.1dB，则1个传感阵列的熔接损耗为q×0.4dB。设FBG的反射率不小于90％，则其反射损耗小于0.5dB。设FBG的透射率不小于95％，1个传感阵列中最后1个FBG的透射损耗最大，为(q-1)×0.4dB。综上所述，FBG接入光纤中带来的损耗最大值为(q×0.8-0.1)dB。当q取4时，最大损耗约为3.1dB。实际将4个FBG级联为1个传感阵列时，最大损耗可控制在3dB以内。如果在1个传感阵列中串联更多的FBG，将会以0.75dB/FBG的速率等量增大损耗。

设光源的单模输出功率为P₀，接收机最小可探测功率为P_D，无源器件的总损耗为K，FBG的总损耗为R，R＝0.75×n，则可复用的FBG的个数n应该满足关系式：

P_D≤P₀-K-R                           (4)

即：n≤(P₀-P_D-K/0.75)                (5)

取P₀＝7.7dBm，P_D＝-30dBm，由上述讨论可知，K＝17.4dB，由式(4)可解得q≤27.1.故每个传感器阵列可容纳的FBG最多为27个。假设使用4个通道，则整个系统可复用108个FBG。

假设解调系统中数据采集设备同步AO/AI的速率设定为105sample/s，一次扫描采集2×104sample，故系统扫描1次光谱的时间约为200ms。数据实时处理解调的时间大约为200ms。1×1光开关的切换时间约为5ms。所以相邻通道之间的延迟需大于400ms。如果采用4个通道，则系统对整个应变场实时监测的周期要大于2.0s。

传感网中光开关的驱动系统如图6所示。对应于串口驱动控制电路，选择了使用MAXIM公司的MAX2321双路RS-232接收发送器将EIA电平转换成TTL电平。单片机驱动控制由美国ATMEL公司的AT89C2051单片机来实现。在方框图中，光开关驱动电路和计算机的串行接口模块由一个RS-232连接器DB9和在电路板上的DIP封装的插针，以及一条标准线缆组成。通过串行线缆，从计算机后面的RS-232接口将串行数据引到电路板上。从计算机发送出来的数据TXD经过电平转换芯片MAX2321变成了TTL电平，然后由单片机串行接收端口接收，通过判断控制数据的数值，从而从P0口发出并行控制信息，来调整光开关的光路配置状态。最后通过发光二极管来实时显示光路配置状态。同时，由电源模块提供整个电路所需要的+5V直流电源。

当传感阵列正常工作时，BN中的光开关OS保持断开状态，每个FBG的信号就在原路径中传输，不使用备用路径，如图7所示；当FBG阵列中某一个连接点出现故障，比如FBG_1j与阵列的一个熔接点断开，此时FBG_1j至FBG_1n的传感信号不能返回到解调系统中，此时由计算机发出指令控制光开关驱动装置将BN中的开关切换到闭合状态，如图8，那么传感器FBG₁₁至FBG_1j-1的传感信号在原路径中传输的同时，FBG_1j至FBG_1n的传感信号就在备用路径中传输。这样，所有FBG的传感信号都可以返回到解调系统进行解调分析，恢复该传感阵列正常的传感功能。

系统中传感阵列的容限与系统对整个应变场实时监测的周期是互相依赖的。增大容限必然以提高监测周期为代价；而要想提高实时监测的频率就要限制传感阵列的规模。因此，根据实际的需要，设计适当的传感阵列规模是该系统在实际应用中的关键。

Claims (2)

1.一种基于光延迟的可自愈的大容量光纤传感网，其特征在于该光纤传感网包括：宽带光源、耦合器、光延迟线、N个选择节点BN、N层光纤传感子网、光开关驱动装置、可调谐窄带滤波器、光探测器、数据处理系统和计算机；宽带光源输出的光经过耦合器后通过不同延时τ_j的光延迟线和N个对应的选择节点选择一个通道，其中，τ_j＞(N-1)T/2，T为一个通道的实时解调时间，进入选择节点后，在该层光纤传感子网中接受外界传感量的调制，反射光再次经过选择节点、通过光延迟线和耦合器后再经过可调谐窄带滤波器依次进入其后的光探测器、数据处理系统和计算机进行解调分析；所述的选择节点由一个耦合器和一个1×1光开关组成，耦合器的一个输出端接一层光纤传感子网，另一个输出端接1×1光开关，1×1光开关的输出端和这一层光纤传感子网的另一端相连；所述的选择节点中的1×1光开关由光开关驱动装置进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于光延迟的可自愈的大容量光纤传感网，其特征在于当光纤传感子网中的传感器为反射光谱传感情况时，第j层光纤传感子网的光延迟线的具体延迟时间为

其中t_i是第i个光延迟线的处理时间，Δ是各通道的缓冲时间，当光延迟线、光开关器件性能较好时，缓冲时间Δ较小；当光纤传感子网中的传感器为透射光谱进行传感的情况，其第j层传感子网的光延迟线的具体延迟时间为 ${\mathrm{\τ}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i+\mathrm{\Δ}\×(j-1)}{2}.$

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