CN102183267A - 一种光纤布拉格光栅传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种光纤布拉格光栅传感系统，包括通过环形器入端口发射光源信号进入多路光纤光路的脉冲光源以及通过环形器出端口接收并解调反射信号的光谱仪，光纤光路由等间距排列的FBG传感光路及延时光路间隔排列组成，多路光纤光路之间可互相切换。本发明将波分复用、时分复用以及空分复用合并，通过二阶拉曼放大对信号进行加强，有效增加本发明的复用度，提高其空间分辨率，很大程度上解决其在大规模监测中遇到的困难。

Description

一种光纤布拉格光栅传感系统
技术领域
本发明涉及传感设备领域，特别涉及一种光纤布拉格光栅传感系统。
背景技术
光纤光栅是沿光纤轴向在纤芯内形成周期性折射率调制分布的一种光纤无源器件，其以灵敏度高、质量轻、体积小、易于阵列、能波长编码、无辐射、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，成为传感器领域的新宠。基于FBG(Fiber BraggGrating Sensor、光纤布拉格光栅)的传感器系统是一种准分布式的传感系统，能实现恶劣环境下对温度、压力、形变等参数的实时、远程监测，在安全监测等领域有着重要的应用前景，成为传感技术领域迅速发展的前沿课题。在保证系统空间分辨率的前提下，要实现大规模准分布式的测量，要求FBG必须复用。关于FBG复用，现有技术中公开了包括WDM(Wavelength DivisionMultiplexing、波分复用)(见Jackson D A，Simple multiplexing scheme for afibre-optic grating sensor network，Opt.Lett.18等)、TDM(Time DivisionMultiplex、时分复用)(见Weis R S，A four-element fibre grating sensor array withphase-sensi tive detection，IEEE Photon.Technol.Lett.6等)、SDM(SpaceDivision Multiplexing、空分复用)(见Rao Y J.Spatially-multiplexed fibre-opticBragg grating strain and temperature sensor system based on interferometricwavelength-shift detection，Electron.Lett.31等)以及这三种之间的组合，比如串联形式的WDM+TDM方案(见Davis M A，Structure strain mapping using awavelength/time division addressed fibre Bragg grating array，Proc.2nd Euro.Conf.on Smart Structures and Materials(SPIE))、并联形式的WDM+SDM(见Rao Y J.Simultaneous spatial，and time and wavelength division multiplexed in-fibre gratingsensing network，Opt.Commun.125等)、SDM+TDM(见Rao Y J，Strain sensingof modem composite materials with a spatial/wavelength multiplexed fibre gratingnetwork，Opt.Lett.21等)以及它们三种形式的组合(SDM+TDM+WDM)(见Rao Y J，Combined spatial-and time-division-multiplexing scheme for fibre gratingsensors with drift-compensated phase-sensitive detection，Opt.Lett.20等)；专利号为200610170216.8的发明专利描述的全并行光纤光栅温度传感方法及其系统，其通过加入延时光纤和分路器，实现了空分和波分的复用，专利号为200610009939.X的发明专利描述的基于CPLD(Complex Programmable LogicDevice、复杂可编程逻辑器件)的时分复用光纤光栅传感系统，通过引入延时光纤以提高系统的复用度，并采用CPLD来实现系统的解调。专利号为200910243040.8提出一种TDM+WDM+SDM的方案，通过不同中心波长光栅的串联、延时光纤、光分路器等的引入以实现复用。因其延时光纤只在整个传感系统的起始端，故而无法实现多段光纤传感链路的串联，限制了其传感器的复用数量，另外，延时链路的引入，降低了整个传感链路的传感长度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将波分复用、时分复用以及空分复用合并，并通过二阶拉曼放大对信号进行加强从而实现精确传感的光纤布拉格光栅传感系统。
为解决上述技术问题，本发明提出、一种光纤布拉格光栅传感系统，包括通过环形器入端口发射光源信号进入多路光纤光路的脉冲光源以及通过所述环形器出端口接收并解调反射信号的光谱仪，所述光纤光路由等间距排列的FBG传感光路及延时光路间隔排列组成，多路所述光纤光路之间可互相切换。
优选的，所述光纤光路包括多组相同的所述传感光路以及多组相同的所述延时光路，所述传感光路和所述延时光路等长且等间距排列。
优选的，所述FBG的中心波长不相等。
优选的，在与所述光源信号传导垂直的方向，多组光纤光路上所述FBG交错排列。
优选的，“多路所述光纤光路间可互相切换”是通过连接在所述光纤光路首端和末端的两组光开关阵列实现。
优选的，前向拉曼泵浦源通过第一WDM连接所述多路光纤光路并对进入多路所述光纤光路的光源信号和反射信号进行拉曼放大。
优选的，后向拉曼泵浦源通过第二WDM连接所述多路光纤光路并对所述反射信号进行拉曼放大。
优选的，前向拉曼泵浦源通过第一WDM、第一FBG连接所述多路光纤光路，后向拉曼泵浦源通过第二WDM、第二FBG连接所述多路光纤光路对所述光源信号和所述反射信号进行二次拉曼放大。
优选的，所述光谱仪解调出传感信息并传输至计算机进行显示，所述计算机连接所述光阵列开关并控制所述光阵列开关的扫描方式和时间。
有益效果：本发明将波分复用、时分复用以及空分复用合并，通过二阶拉曼放大对信号进行加强，有效增加本发明的复用度，提高其空间分辨率，很大程度上解决了其在大规模监测中遇到的困难。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明实施例1提出的一种光纤布拉格光栅传感系统结构图；
图2为本发明实施例2提出的一种光纤布拉格光栅传感系统结构图；
图3为本发明实施例3提出的一种光纤布拉格光栅传感系统结构图；
图4为本发明实施例4提出的一种光纤布拉格光栅传感系统结构图；
图5为本发明实施例5提出的一种光纤布拉格光栅传感系统结构图；
图中：
1、脉冲光源；2、光谱仪；3、环形器；41、第一WDM；42、第二WDM；5、光开关阵列；51、端口；52、端口；61、前向拉曼泵浦源；62、后向拉曼泵浦源；71、第一FBG；72、第二FBG；8、计算机。
具体实施方式
实施例1，参照图1，本实施例提出一种光纤布拉格光栅传感系统，包括通过环形器3的入端口发射光源信号进入多路光纤光路的脉冲光源1以及通过环形器3出端口接收并解调反射信号的光谱仪2，光纤光路由等间距排列的FBG传感光路
Figure BSA00000448272400041
及延时光路
Figure BSA00000448272400042
间隔排列组成，多路光纤光路之间可以互相切换。
“多路光纤光路间可互相切换”是通过连接在光纤光路首端和末端的两组光开关阵列实现。
实施例2，参照图2，优选的，前向拉曼泵浦源61通过第一WDM41连接多路光纤光路并对进入多路光纤光路的光源信号和反射信号进行拉曼放大。
实施例3，参照图3，优选的，后向拉曼泵浦源62通过第一WDM42连接多路光纤光路并对进入多路光纤光路的光源信号和反射信号进行拉曼放大。
实施例4，参照图4，优选的，前向拉曼泵浦源61通过第一WDM41、第一FBG71连接多路光纤光路后向拉曼泵浦源62通过第二WDM42、第二FBG72连接多路光纤光路对光源信号和反射信号进行二阶拉曼放大。
实施例5，参照图5，公开一种光纤布拉格光栅传感系统，脉冲光源1和光谱仪2分别连接环形器3的1端口和3端口，环形器3的2端口以及前向拉曼泵浦源61连接第一WDM41的输入端，第一WDM41的输出端通过第一FBG71连接光开关阵列5的输入端51，后向拉曼泵浦源62连接第二WDM42的输入端，第二WDM42的输出端通过第二FBG72连接光开关阵列5的另一个输入端52。计算机8连接光谱仪3以及控制连接光开关阵列5。第一FBG71和第二FBG72间设有由光开关阵列5控制的光纤光路。
光开关阵列5控制的光纤光路包括多条，每一条光纤光路被等间距分成2N段，N的值由传感距离和空间分辨率共同决定，上述光纤光路分别由N段等距离的传感光路
Figure BSA00000448272400051
和N段等距离的延时光路
Figure BSA00000448272400052
间隔组成，也即
Figure BSA00000448272400053
或者其中，传感光路
Figure BSA00000448272400055
由等间距排列的FBG组成，上述等间距排列的FBG的中心波长互不相等，其中，相邻两个FBG的中心波长相差2～3nm，传感器的数量n由传感系统的带宽W、中心波长间隔J共同决定，遵循公式
Figure BSA00000448272400056
如果要求系统的空间分辨率为R，光开关为2M路，则传感链路和延时链路的长度Lm＝R×n×M，相邻两个FBG的间距l＝R×M。
在整个系统的布设上，为保证系统的空间分辨率和响应时间，优选将
Figure BSA00000448272400057
和
Figure BSA00000448272400058
间隔开来，即可以选择将
Figure BSA00000448272400059
接光开关阵列5的奇数端口，而将接光开关阵列5的偶数端口。
另外，为了使FBG错开，保证其不重叠，在系统设计和布设时，需要使每一条光纤光路和光纤光路的起点不同，彼此保证至少相差一个空间分辨率R的距离，因为，对于一条传感光路，只要保证起点的不同，就可以避免不同光纤光路中FBG位置的重叠，所以，只要让每条光纤光路的起始段
Figure BSA000004482724000513
或
Figure BSA000004482724000514
起点不同就可以实现整个光纤光路的不重叠。
如下提供两种简单的排列方式以满足上述要求：
对于一个有2M条光纤光路，每小段有n个FBG，空间分辨率为R的传感系统，传感光路Si或者延时光路Di选择相同的参考点作为起点，其起始段可以以下方式排列：
Figure BSA00000448272400061
矩阵中
Figure BSA00000448272400062
表示第i路光纤光路首段的第m个传感器，而dm表示第m路的首段延时光路，(为了矩阵的排列整齐，特地将dm重复写，其实表示的是同一段)。通过对以上两矩阵进行行列变换，也可以衍生出来很多其他的结构。其中，任何一种结构都可以实现整个系统的空分复用，以保证系统的空间分辨率。
光开关阵列5由计算机8控制，根据相应的规则在各个端口之间进行扫描，扫描时间由整个光纤光路的长度决，定即
Figure BSA00000448272400071
其中L为整个光纤光路的长度，c＝3 108m/s为光在光纤中的速度，而对M路传感光路整体扫描一遍的最少时间为t＝2Mt。
整个传感光路返回的信号经由环形器3的3端口连接到光谱仪2上，光谱仪2输出的信号再连接到计算机8，计算机8实现对传感系统的信号处理，并可以通过显示设备对传感信息进行显示，计算机8可控制光开关阵列5的扫描方式和时间。
本发明并不局限于此实施方式，以本发明思想为基础的相关实现总成均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光纤布拉格光栅传感系统，包括通过环形器(3)入端口发射光源信号进入多路光纤光路的脉冲光源(1)以及通过所述环形器(3)出端口接收并解调反射信号的光谱仪(2)，其特征在于所述光纤光路由等间距排列的FBG传感光路及延时光路间隔排列组成，多路所述光纤光路之间可互相切换。
2.如权利要求1所述一种光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述光纤光路包括多组相同的所述传感光路以及多组相同的所述延时光路，所述传感光路和所述延时光路等长且等间距排列。
3.如权利要求1所述一种光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述FBG的中心波长不相等。
4.如权利要求1所述一种光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，在与所述光源信号传导垂直的方向，多组光纤光路上所述FBG交错排列。
5.如权利要求1所述一种光纤布拉格光栅传感系统其特征在于，“多路所述光纤光路间可互相切换”是通过连接在所述光纤光路首端和末端的两组光开关阵列(5)实现。
6.如权利要求5所述一种光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，前向拉曼泵浦源(61)通过第一WDM(41)连接所述多路光纤光路并对进入多路所述光纤光路的光源信号和反射信号进行拉曼放大。
7.如权利要求5所述一种光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，后向拉曼泵浦源(62)通过第二WDM(42)连接所述多路光纤光路并对所述反射信号进行拉曼放大。
8.如权利要求5所述一种光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，前向拉曼泵浦源(61)通过第一WDM(41)、第一FBG(71)连接所述多路光纤光路，后向拉曼泵浦源(62)通过第二WDM(42)、第二FBG(72)连接所述多路光纤光路对所述光源信号和所述反射信号进行二阶拉曼放大。
9.如权利要求1所述一种光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述光谱仪(2)解调出传感信息并传输至计算机(8)进行显示，所述计算机(8)连接所述光阵列开关(5)并控制所述光阵列开关(5)的扫描方式和时间。
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