CN102374873A - 一种基于光ofdm的传感系统及其光纤光栅监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光OFDM的传感系统及其光纤光栅监测方法，涉及光纤传感领域，包括：可调光源，作为信号光源；电光调制器，用于将数据调制到信号光波上；光环形器，用于分离入射和反射方向的光信号；弱反射光纤布拉格光栅阵列，用作传感器件，反射光信号至光环形器；波长调谐控制电路，用于调谐可调光源的发射波长；信号发生器，用于产生OFDM编码的电信号；光探测器，用于将反射光信号转化为电信号；数据解码与控制单元，用于定位FBG传感器位置并获知待测变量。结合基于光OFDM的光纤光栅监测方法，能够提高FBG传感器的布放密度和传感距离，提高系统的扫描频率和空间分辨率，满足大容量测量的需要。

Description

一种基于光OFDM的传感系统及其光纤光栅监测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于光OFDM的传感系统及其光纤光栅监测方法。

背景技术

光纤传感技术是以光纤为媒质、以光波为载体感知和传输外界被测量信号的传感技术。光纤本身具有一系列独特的、其他媒质难以相比的优点，由于光纤本身是兼具传感和信息传输功能的大尺度无源传感网络，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息，因此特别适合于大范围远距离的组网测量。目前，准分布式光纤传感器网络应用最为成熟，是把在空间上呈一定规律分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或者多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布。

FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)是目前分布式光纤传感网络中最主要的传感器件之一。FBG对温度、应力、压力及振动等外界参量具有高灵敏度，同时具有体积小、动态区间宽、可靠性高、可大规模生产和远程操控能力强等突出优点。基于FBG的反射波长随温度、拉力等外界因素线性变化的特性，监测FBG反射波长的偏移即可测量外界参量的变化，其探测能力不受光源功率波动、光纤弯曲损耗、探测器老化等因素的影响，且具有自校准特性，适合长期安全监测。

如图1所示，典型的基于FBG的分布式光纤传感系统。其中发射端为宽谱光源或波长可调激光器，发出的连续光进入FBG阵列后，在中心波长等于发送波长的FBG处被反射，反射光经环形器进入接收装置。由于不同位置处的FBG具有不同的反射波长窗口，根据反射波长窗口可定位FBG位置，根据反射波长的偏移可推算出对应的待测物理量。因此，精确快速的实现传感器寻址和波长解调是基于FBG的分布式光纤传感网络的难点。

目前已实用化的分布式光纤光栅传感网络多基于WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)方式寻址不同的FBG传感器，其特点是不同位置处的FBG具有不同的反射波长窗口，根据反射波长窗口可定位FBG位置。但这种实现存在如下缺点：由于在串联的FBG处发生全反射，前向传输损耗大，传感距离和布放的FBG传感器数量有限；同时，波长可调激光器的调谐性能限制了扫描频率，不适宜用作动态变化物理量的测量。

为实现大容量长距离的分布式传感网络，可采用弱反射FBG等新型传感器件。弱反射FBG具有窄带宽、弱反射的周期结构，仅对中心波长附近极小的范围有很低的反射率，例如最大反射率低于1％，3dB反射带宽小于0.05nm。当信号光入射光纤纤芯，到达弱布拉格反射周期结构位置时，其中较微弱的一部分光被中心波长与信号光波长一致的周期结构反射，剩下的大部分光继续向前传输直至到达下一个周期结构位置。实际组网中，可在不同位置布放相同反射波长的弱反射FBG，根据反射波长和反射时间(传输距离)的不同唯一定位不同位置的弱反射FBG，从而提高监测的距离和FBG传感器布放密度。

但是，基于弱反射FBG的大容量光纤传感网络通常采用TDM寻址方式，即用固定波长发送一个光脉冲，根据反射信号的传送时间确定其布放位置。这种基于TDM寻址方式存在空间分辨率的问题：提高测量容量、增大传输距离需要较宽的光脉冲，但过宽的光脉冲造成测量的空间分辨率较低。目前TDM系统的空间分辨率最小只能到2m，FBG传感器的布放密度仍存在局限，实用效果仍不理想。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)的传感系统及其光纤光栅监测方法，提高传感距离和FBG传感器的布放密度，满足扫描频率的性能要求，能够用作动态变化物理量的测量、提高空间分辨率。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于光OFDM的传感系统，包括：信号发生器，用于产生OFDM编码的电信号；可调光源，作为信号光源；波长调谐控制电路，用于调谐可调光源的发射波长；电光调制器，用于将信号发生器产生的数据调制到信号光波上；光环形器，用于分离入射方向和反射方向的光信号；弱反射光纤布拉格光栅阵列，用作传感器件，并反射光信号至光环形器；光探测器，用于将反射光信号转化为电信号；数据解码与控制单元，用于定位弱反射光纤布拉格光栅位置并获知待测变量。

所述上述方案中，各部分功能和特点如下：

1)可调光源受波长调谐控制电路控制，输出稳定波长的激光到电光调制器。其调谐带宽、波长精度、调谐速度由所述传感系统测量指标决定。

2)电光调制器，可将信号发生器产生的编码数据调制到信号光波上。

3)光环形器分离入射方向和反射方向的光信号，入射光经光环形器后进入弱反射光纤布拉格光栅阵列，反射光经光环形器回到接收装置。

4)弱反射光纤布拉格光栅阵列，是将不同波长窗口的多个弱反射FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)串连起来构成的一组FBG阵列，根据需要，任意多组弱反射FBG可以再进行串联，通过复用增加弱反射FBG的布放数量。由于只在反射波长窗口等于入射波长的FBG处发生反射，只监测到反射波长窗口等于发射激光波长的FBG的反射光，因此可区分出不同波长窗口的FBG。由于相同波长窗口的FBG距离足够远，根据反射光信号到达的时间先后顺序可区分出不同位置的FBG。

5)光探测器完成对反射光的光电探测，将光域信息下载到电域。可根据需要使用相干探测或直接探测方式。

6)数据解码与控制单元通过解码接收到的反射信息，结合发送数据、调制波长、发送时间等参数推算出反射(或透射)信号的频率分布、传输时间，最终定位弱反射FBG位置并获知待测变量。控制单元同时还协调波长调谐控制电路、信号发生器的操作。

7)波长调谐控制电路控制光源按一定步长进行波长调谐，周期性的连续扫描整个波长范围，调谐步长小于或等于产生的OFDM帧的频谱宽度。也可仅不连续的扫描部分波长。

8)信号发生器将预定义信号按指定速率、电压输出到电光调制器。本发明实施例采用了光OFDM调制方式，OFDM编码可离线或在线完成，产生供调制的信息数据。

本发明还提供一种基于光OFDM传感系统的光纤光栅监测方法，包括如下步骤：

S1.将定义的待发送编码数据送入信号发生器调制加载；

S2.调谐可调光源的发射波长；

S3.将所述信号发生器调制加载后的信号调制到光载波上，送入弱反射光纤布拉格光栅阵列，等待反射光信号；

S4.将所述反射光信号进行光电转化、模数转化处理；

S5.恢复所述反射光信号的数据，推算出反射光信号对应于OFDM帧子载波的位置，得出弱反射光纤布拉格光栅的波长偏移，确定反射信号经历的时间差，推算出弱反射光纤布拉格光栅的位置。

本发明的有益效果在于：使用了弱反射FBG构建传感器阵列，同时加入了光OFDM调制方法，通过数字方法分析反射光信号的波长和时域信息，实现对分布式光纤传感网络的大容量、长距离、高速精确测量，同时大幅提高扫描频率，能大幅增加弱反射FBG(FBG传感器)布放的数量和距离；满足扫描精度、扫描频率、传感器数量、空间分辨率等多方面的性能要求。

附图说明

图1为背景技术中基于FBG的分布式光纤传感系统的原理图；

图2为本发明基于光OFDM的传感系统的原理图；

图3为本发明基于光OFDM传感系统的光纤光栅监测方法流程图。

附图标记：可调光源201，电光调制器202，光环形器203，弱反射FBG阵列204，波长调谐控制电路205，信号发生器206，探测器207，数据解码与控制单元208。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明基于光OFDM的传感系统的实施例，包括：可调光源201，电光调制器202，光环型器203，弱反射FBG阵列204，波长调谐控制电路205，信号发生器206，探测器207，数据解码与控制单元208。其中可调光源201作为信号光源，受波长调谐控制电路205控制，按照所述传感系统设定的调谐步长和持续时间改变发射波长，调谐步长小于或等于所述传感系统中OFDM帧的频谱宽度，并周期性的扫描整个波长范围。可调光源201产生稳定波长的信号光输出到电光调制器202，其调谐带宽、波长精度、调谐速度由所述传感系统测量指标决定。电光调制器202，可将信号发生器产生的编码数据调制到信号光波上，并输送至光环形器203，本发明信号发生器206采用了光OFDM调制方式，OFDM编码可离线或在线完成，产生待发送的信息数据。所述光环形器203将电光调制器202输出的信号光分离后，输入到弱反射FBG阵列204，并接收弱反射FBG阵列204的反射光信号(即反射回的光信号)，输入到光探测器207。光探测器207对反射光信号进行光电探测，可根据需要使用相干探测或直接探测方式，将反射光信号转化为电信号，送入数据解码与控制单元208。数据解码与控制单元208通过解码接收到的反射信息，结合发送数据、调制波长、发送时间等参数推算出反射(或透射)信号的频率分布、传输时间，最终定位FBG传感器位置并获知待测变量(如压力应变、温度等)。此外，数据解码与控制单元208分别与波长调谐控制电路205、信号发生器206相连，协调波长调谐控制电路205、信号发生器206的操作，协调波长调谐、信号发送、信号接收整个监测过程。通过信号发生器206控制加载数据的产生，通过波长调谐控制电路205控制光源发送波长的调节。

如图2和图3所示，本发明基于光OFDM传感系统的光纤光栅监测方法，详细步骤如下：

S1.将定义的待发送编码数据送入信号发生器206调制加载。即预定义的待发送编码数据构造成可供IFFT(快速傅里叶逆变换)变换的矩阵，再经过IFFT变换后产生OFDM信号帧，再加入前导码、循环前缀等，并串转化后加入同步头信息，送入信号发生器206等待调制加载。

S2.调谐可调光源的发射波长，即波长调谐控制电路205调谐可调光源201的发射波长至期望值，输入到电光发生器202。波长调谐的步长和时间间隔按照扫描周期的定义，调谐过程受数据解码与控制单元208控制。

S3.将所述信号发生器206将待发送的信号通过电光调制器202加载到光载波上，然后通过光环形器203发送到弱反射FBG阵列204，等待反射光信号，发送过程受数据解码与控制单元208控制。

S4.探测器207从光环形器203接收反射光信号，完成光电转化、模数转化等过程，并将反射光信号送入数据解码控制单元208处理。

S5.数据解码与控制单元208经过时间同步、载波恢复、FFT等步骤后恢复出所述反射光信号的数据。结合发射数据、光载波频率等可推算出反射光信号对应于OFDM帧子载波的位置，得出弱反射FBG的波长偏移；通过数据同步算法，可确定反射信号经历的时间差，推算出弱反射FBG的位置。

另外，按调谐步长要求改变光源波长，重复步骤S2至S5测量一个连续的波长范围或选取的部分波长。

此外，在上述方法操作时，应注意如下几点：

1.根据现场实际情况确定监测点的数目和分布方式，大致确定弱反射FBG布放的距离和待测量(温度、压力)的变化范围。

2.选定布放各监测点的弱反射FBG。除了要求如图2所示光栅的反射波长具有周期性排布规律外，还要求在待测量的最大变化范围内，各弱反射FBG的反射波长、空间位置仍可被系统明确区分。

3.根据所述光OFDM传感系统指标要求和弱反射FBG的参数，确定OFDM帧的数据内容。确定频谱宽度、时间长度等参数，进而确定波长调谐的步长、调谐范围、数据发送间隔等。

4.按调谐步长重复如图3所述S2至S5测量过程，在光源波长调谐周期内能扫描到系统所有的弱反射FBG，记录下各弱反射FBG的反射波长中心频率和反射距离。通过弱反射FBG的温敏系数或应力应变系数，换算出各待测点的温度值或应力大小，通过反射距离结合工程布放记录，推断出传感器的位置。

本发明中，基于光OFDM的传感系统及其光纤光栅监测方法，能大幅增加FBG布放的数量和距离。从理论上测算，中心反射波长一致，反射率为1％的弱反射FBG能串联210次后仍大于瑞利散射，仍能检测和区分出在不同弱反射FBG处的反射。这意味着采用弱反射FBG和时分/波分混合寻址方式，弱反射FBG布放的最大容量能比已有的简单波分寻址的方式增加200多倍。

另外，本发明能提高反射波长和传输距离的测量精度，大幅提高扫描频率。例如在1550nm波段，假设OFDM调制后的连续谱宽10GHz，约对应0.08nm波长范围，假设采用128点的IFFT方法生成OFDM信号，则每个子载波约占用0.62pm，由于弱反射FBG仅能反射落入其反射窗口的部分光谱，通过恢复反射光的数据可确定其所占用的子载波位置，进而可确定其绝对波长，定位精度达pm级别。恢复出发射的部分信息内容后，根据最大似然算法，可确定发送数据在码流中的位置，计算发送接收相隔的时间差可进而确定往返距离。若忽略电路处理时延的不确定因素，测距可以精确到米。由于光OFDM信号发送的数据可覆盖到较宽的的波长范围，假设OFDM调制后的连续谱宽10GHz，对应0.08nm波长范围，而典型的波长调谐步长为5pm左右，则光源每次调谐的步长能增大16倍。另一方面，采用时分波分混合方式寻址，可不再需要大的波长调谐范围，也会带来系统扫描频率的增加。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于光OFDM的传感系统，其特征在于，包括：

信号发生器，用于产生OFDM编码的电信号；

可调光源，作为信号光源；

波长调谐控制电路，用于调谐可调光源的发射波长；

电光调制器，用于将信号发生器产生的数据调制到信号光波上；

光环形器，用于分离入射方向和反射方向的光信号；

弱反射光纤布拉格光栅阵列，用作传感器件，并反射光信号至光环形器；

光探测器，用于将反射光信号转化为电信号；

数据解码与控制单元，用于定位弱反射光纤布拉格光栅位置并获知待测变量。

2.如权利要求1所述的基于光OFDM的传感系统，其特征在于：所述波长调谐控制电路，按照所述传感系统设定的调谐步长和持续时间改变发射波长，调谐步长小于或等于所述传感系统中OFDM帧的频谱宽度。

3.如权利要求1所述的基于光OFDM的传感系统，其特征在于：所述信号发生器采用光OFDM调制方式，离线或在线完成OFDM编码，产生待发送的信息数据。

4.如权利要求1所述的基于光OFDM的传感系统，其特征在于：所述数据解码与控制单元分别连接波长调谐控制电路和信号发生器，协调波长调谐、信号发送、信号接收整个监测过程。

5.如权利要求1所述的基于光OFDM的传感系统，其特征在于：所述弱反射光纤布拉格光栅阵列，是由多个不同波长窗口的弱反射光纤布拉格光栅串联而成的一组阵列，或多组所述阵列的串联。

6.一种基于光OFDM传感系统的光纤光栅监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将定义的待发送编码数据送入信号发生器调制加载；

S2.调谐可调光源的发射波长；

S3.将所述信号发生器调制加载后的信号调制到光载波上，送入弱反射光纤布拉格光栅阵列，等待反射光信号；

S4.将所述反射光信号进行光电转化、模数转化处理；

S5.恢复所述反射光信号的数据，推算出反射光信号对应于OFDM帧子载波的位置，得出弱反射光纤布拉格光栅的波长偏移，确定反射信号经历的时间差，推算出弱反射光纤布拉格光栅的位置。

7.如权利要求6所述的基于光OFDM传感系统的光纤光栅监测方法，其特征在于：将预定义的待发送编码数据造成供快速傅里叶逆变换的矩阵，再经过快速傅里叶逆变换后产生OFDM信号帧，再加入前导码、循环前缀，并串转化后加入同步头信息，送入信号发生器等待调制加载。

8.如权利要求6所述的基于光OFDM传感系统的光纤光栅监测方法，其特征在于：按调谐步长要求改变光源波长，重复步骤S2至S5测量一个连续的波长范围或选取的部分波长。

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