CN102288216B - 一种基于分布式光纤双补偿光栅定标系统及其定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤双补偿光栅定标系统及其定标方法，通过两个同响应率的补偿光栅和多个探测用的光纤光栅，将原本难以处理的，高频探测下还原光谱特点和反射峰波长的探测变为可能，相比传统的分布式光纤电气石吸收定标系统拥有更低廉的成本和更方便的部件替换，同时，用双补偿光栅代替电气石，对不同的变温，仪器变形等恶劣环境下的定标准确率有着极大的提高。本发明定标系统具有稳定可靠、耐腐蚀、零理论误差、低成本、便宜维护等特点。

Description

一种基于分布式光纤双补偿光栅定标系统及其定标方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤双补偿系统及其定标方法，应用于分布式光纤传感领域，特别应用于高频扫描过程中的光谱定标。

背景技术

早在1978年加拿大通信中心的Hill K O等人首次在掺锗光纤中采用驻波写入法制成光纤Bragg光栅(FBG)后，美国、欧洲等国家和地区成为光纤光栅传感器和传感技术科学研究和技术开发的热点地区。

光纤光栅传感技术是近年来应用发展非常快的一项高科技光电传感新技术，它的特点是采用无电检测的方式，精确探测和测试各类温度、应力应变、位移、加速度等各类物理量。

由于光纤光栅传感技术在工程化的应用方面获得了许多关键性的技术突破，因此该技术已被成功应用于建筑、隧道、堤坝等构筑物的安全检测中，随着国家电网项目的推动，光纤传感技术也逐渐应用于高压设备的温度传感，其高精确性、抗高温、抗高压等特性使它在未来必将成为高压环境测量的主要手段。

随着各类分布式传感系统大量普及，对即时性要求不高的系统可以使用一步一动的方式，同步探测光谱缓慢变化量，但对于高频率探测，即时性要求高的探测系统中，通常采用大页面采集数据，统一分析处理的手段进行，在这种处理过程中，定标时刻必不可少的过程，国外先进的定标手段使用的是电气石定标，但由于电气石成本高、抗压力、抗电压、抗腐蚀性都比较差，成为在定标过程中的一大难题。

发明内容

为解决上述中存在的问题和缺陷，本发明提供了一种分布式光纤双补偿系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

高频扫描系统，基本有以下几个模块组成：宽带光源，扫频FP，光纤耦合器，双补偿光纤，AD信号采集，ARM核心芯片处理器。宽带光源和扫频FP主要是组成一个最简单的扫频激光器结构，重复着高频扫描的功能；光纤耦合器将扫描出来的宽带光谱的激光分为好几路，分别对每一路作分布式传感；AD采集卡将反射光转化为电信号，并传入ARM核心处理芯片，最终通过USB或网线或3G网络将数据传输出去。

作为一个高频扫描系统，在高频扫描过程中，无法实现扫描与结果单步同步情况下，使用全光谱分析过程中的定标过程。通过定标过程可以完成零理论误差的补偿，完成最精准的补偿定标。

在定标的过程，通过两个补偿光栅所产生的两个反射封进行定标，两个补偿光栅使用相同的应力响应率，但使用不同的零点波长，一个补偿光栅部署于解调仪内部，另一个部署于探测用光纤光栅旁，以保证获得和探测用光纤光栅相同的应力变化。通过如此部署可以但测出定标必须的三个吸收峰波长差，实现补偿定标的准备计算工作。

在接受了AD采集统一存放的历史光谱数据后，在接收到的光谱图可以解析出在外部的补偿光栅和在内部的补偿光栅之间的吸收峰波长差，同时也可以解析出同一路，探测用光纤光栅与内部的补偿光栅的吸收峰波长差。经过简单计算可以实现补偿定标的准备计算工作。

最终，系统将根据内外两个补偿光纤的响应率、零点波长，探测用光纤光栅的响应率、零点波长，和两个不同的吸收峰波长差，通过公式可以解析出补偿定标的标准值，即系统捕捉到的内部补偿光纤光栅的即时吸收峰的位置，完成零理论误差的定标。最终补偿后的内部补偿光纤光栅标准反射峰波长为：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{TA}}=\frac{k_t\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{XA}}-k_t{\mathrm{\λ}}_{X0}+k_X{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{TB}0}-k_X\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{BA}}}{k_x-k_t}$

其中，内部补偿光栅FL-A的初始反射峰波长为λ_TA0，外部补偿光栅FL-B的初始反射峰波长为λ_TB0，待测光栅FD00的初始反射峰波长为λ_X0，FL-A和FL-B之间的反射峰距离是△λ_BA，FD00和FL-A之间的反射峰距离是△λ_XA,FL-A和FL-B的温度响应率为k_t，待测的光栅的响应率为k_X。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、解决了对分布式光纤光栅高频率探测，定标的方法。从而使高频采集的数据从无定标光谱图变为已知光谱。

2、相比传统的电气石定标，双补偿光纤光栅系统明显在成本上具有巨大的优势。

3、相比传统的电气石定标，双补偿光纤光栅系统在原理误差上能做到近乎零误差。

4、相比传统的电气石定标，双补偿光纤光栅系统在稳定性、耐腐蚀性、抗高压性、抗高温性、维护性等方面有明显优势。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是双补偿光栅的光谱示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：

本发明提供了一种分布式光纤双补偿光栅定标系统。

参见图一，展示了分布式光纤双补偿光栅定标系统的结构。该结构主要包括了：宽带光源001，FP扫频002，光纤耦合器003，AD信号采集004，ARM核心芯片处理器005,内部补偿光栅FL-A，外部补偿光栅FL-B，各分路的光纤光栅传感器FD01、FD02、……FD99，和FL-B在一起的定标路光纤光栅传感器FD00。

在整个系统正常工作时，ARM核心芯片005在开机时给出激活信号时宽带光源001给出稳定的宽带激光，宽带光谱的范围覆盖所有的光纤光栅传感器和补偿光栅的波长；同时ARM核心芯片005激活FP扫频设备002，宽带激光通过FP后形成单波长激光，并在FP高频的扫频过程中形成扫频激光，扫频范围同时也覆盖所有的光纤光栅传感器和补偿光栅的波长；扫频激光通过光纤耦合器003分为相对应的分路，将激光平均分配传至每条探测路和补偿探测路；AD信号采集004将每一路最终的反射光的信号强度实时存储近缓存页面；ARM核心芯片处理器005将缓存页面中的数据取出，解析为上一时刻，每个光栅（包括探测用的和补偿的）的反射峰波长，进行简单的补偿计算，得到零理论误差的精确反射峰波长，并最终将探测用光纤光栅的这组反射峰波长通过USB、有线网络、3G网络发送到指定的数据库位置或API接口。

其中，补偿光栅FL-A只能放置在解调仪系统内部；外部补偿光栅FL-B则必须和定标路光纤光栅传感器FD00一同放置在测量目标周围；其他各分路的光纤光栅传感器FD01、FD02、……FD99按正常测量要求位置部署。选材上，补偿光栅FL-A和补偿光栅FL-B，对应力的响应率是一样的，而其他所有的光纤光栅传感器的响应率是一样的。

具体的探测方式参见图二，上部表示了定标路路过的三个光纤光栅，内部补偿光栅FL-A，外部补偿光栅FL-B，定标路光纤光栅传感器FD00。下部的箭头指向了他们对应的光谱图，即我们测量到的补偿前的反射峰。这时，我们无法获知反射峰的具体波长，我们只能通过测量时间间隔或者反射峰之间的距离，我们定义，内部补偿光栅FL-A的初始反射峰波长为λ_TA0，外部补偿光栅FL-B的初始反射峰波长为λ_TB0，待测光栅FD00的初始反射峰波长为λ_X0，FL-A和FL-B之间的反射峰距离是△_λBA，FD00和FL-A之间的反射峰距离是△λ_XA,FL-A和FL-B的温度响应率为k_t，待测的光栅的响应率为k_X。

同时，我们配备FL-A、FL-B、FL-C时需精确测量其响应率和初始反射峰波长。如此就有了：

λ_TA=λ_TA0+k_tt_A……（1）

λ_TB=λ_TB0+k_tt_B……（2）

λ_X=λ_X0+k_Xt_B……（3）

结合刚刚通过AD获取的△λ_BA和△λ_XA，有：

△λ_BA=λ_TB-λ_TA……（4）

△λ_XA=λ_X-λ_TA……（5）

将（1）（2）代入（4）后接的t_B-t_A

再代入（1）（6）（5）后得：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{TA}}=\frac{k_t{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{XA}}-k_t{\mathrm{\λ}}_{X0}+k_X{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{TB}0}-k_X{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{BA}}}{k_x-k_t}$

获得了零误差的标准λ_TA。

本发明完成分布式光纤双补偿光栅定标系统，实现了高频扫描下，如何用补偿光栅完成高频光谱的定标，并实现了零理论误差标准。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于分布式光纤双补偿光栅定标系统，包括宽带光源、FP扫频、光纤耦合器、AD信号采集、ARM核心芯片处理器和各分路的光纤光栅传感器，其特征是所述光纤光栅传感器的其中一路与光纤耦合器之间串接内部补偿光栅FL-A和外部补偿光栅FL-B；两个补偿光栅使用相同的温度响应率和应力响应率，但使用不同的零点波长，内部补偿光栅FL-A部署于解调仪内部，外部补偿光栅FL-B部署于探测用的光纤光栅传感器旁，以保证获得和探测用光纤光栅传感器相同的温度变化和应力变化。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤双补偿光栅定标系统的定标方法，其特征是通过所述内部补偿光栅FL-A和所述外部补偿光栅FL-B两个补偿光栅所产生的两个反射峰进行定标，两个补偿光栅使用相同的温度响应率和应力响应率，但使用不同的零点波长，内部补偿光栅FL-A部署于解调仪内部，外部补偿光栅FL-B部署于探测用光纤光栅传感器旁，以保证获得和探测用光纤光栅传感器相同的温度变化和应力变化。

3.根据权利要求2所述的定标方法，其特征是在接收到的光谱图解析出在外部补偿光栅FL-B和在内部补偿光栅FL-A之间的吸收峰波长差，同时也解析出同一路探测用光纤光栅传感器与内部补偿光栅FL-A的吸收峰波长差。

4.根据权利要求3所述的定标方法，其特征是内外两个补偿光栅的响应率、零点波长，探测用光纤光栅传感器的响应率、零点波长，和所述两个不同的吸收峰波长差，通过下面的公式可以解析出补偿定标的标准值，即系统捕捉

到的内部补偿光栅FL-A的即时吸收峰的位置，完成零理论误差的定标；

λ_TA=λ_TA0+k_tt_A

λ_TB=λ_TB0+k_tt_B

λ_X=λ_X0+k_Xt_B

△λ_BA=λ_TB-λ_TA

△λ_XA=λ_X-λ_TA

其中，内部补偿光栅FL-A的初始反射峰波长为λ_TA0，外部补偿光栅FL-B的初始反射峰波长为λ_TB0，探测用光纤光栅传感器FD00的初始反射峰波长为λ_X0，FL-A和FL-B之间的反射峰距离是△λ_BA，FD00和FL-A之间的反射峰距离是△λ_XA，FL-A和FL-B的温度响应率为k_t，FD00的温度响应率为k_X。

5.根据权利要求4所述的定标方法，其特征是所述吸收峰位置，最终补偿后的内部补偿光栅FL-A标准反射峰波长为：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{TA}}=\frac{k_t{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{XA}}-k_t{\mathrm{\λ}}_{X0}+k_X{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{TB}0}-k_X{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{BA}}}{k_x-k_t}$

其中，外部补偿光栅FL-B的初始反射峰波长为λ_TB0，探测用光纤光栅传感器FD00的初始反射峰波长为λ_X0，FL-A和FL-B之间的反射峰距离是△λ_BA，FD00和FL-A之间的反射峰距离是△λ_XA,FL-A和FL-B的温度响应率为k_t，FD00的温度响应率为k_X。

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