CN102519502B - 基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及系统 - Google Patents
基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102519502B CN102519502B CN201110326745.3A CN201110326745A CN102519502B CN 102519502 B CN102519502 B CN 102519502B CN 201110326745 A CN201110326745 A CN 201110326745A CN 102519502 B CN102519502 B CN 102519502B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- wavelength
- optical fiber
- fiber grating
- grating sensing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 68
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 22
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 15
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 14
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 14
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 13
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 9
- 230000006870 function Effects 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000011551 heat transfer agent Substances 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- -1 around mine Substances 0.000 description 1
- 239000003034 coal gas Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 230000004304 visual acuity Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Optical Transform (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及系统，设置一受控光源，通过受控光源输出波长扫描的光波信号，光波信号经布拉格反射处理后再经耦合器耦合，最后由探测器将其转换为电脉冲串信号并进行放大处理后传送至延时控制开关阵列，通过延时控制开关阵列将各电脉冲串信号在延时控制开关阵列的各输出通道间依次分配输出以实现时域地址查询。本发明借助波长扫描和模拟电子开关阵列的选择导通，实现了波分复用信号处理技术与时域地址查询技术的有机结合，将普通时域地址查询技术对相邻传感元间光程间隔需求转化为波长间隔需求，从而撇开对相邻传感元间接入延时光纤的依赖。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感器网络化技术，通过对传感元地址的查询和传感信号的解调，实现准分布式传感。可用于智能结构、工程结构健康监测以及灾害预警等领域。
背景技术
利用某种手段使得光纤的物理结构沿轴向呈规律性分布，用来改变光在其中传播的行径，这样的一种光子学器件被称为光纤光栅(Fiber Bragg grating (FBG))。它首先由Hill于1978年在掺锗二氧化硅光纤中研制成功。常见的光纤光栅为紫外侧写而成的，对布喇格波长的光波呈带阻滤波特性，即布喇格波长的光波由于衍射而沿原路返回(称此现象为布喇格反射)，其它波长则无阻挡通过。观测布喇格波长的变化，可以对直接引起波长漂移的物理量──温度、应变以及径向压力进行监测，其它物理量可借助某种装置转化为作用于光栅的上述物理量，而被其感知，这便是光纤光栅传感。
光纤光栅传感器的信息对波长编码，决定了该类传感器的传感结果不受系统整体光强和光路损耗的影响；介电性决定传感结果免受电磁场干扰和潮湿环境的影响；本征性决定该器件不妨碍光纤间连接，即便在同一节点也可写入不同规格的多个光栅。另外，传感精度高、损耗低、可靠性强、易于复用构成网络，既便弱信号也可长距离传输并进行处理；用在特殊场合(如煤气旁、矿井、油田以及油罐周围)可对待测量进行安全地监测；传感回路易于植入或附着在结构表面，能够实时提供应变、温度以及结构完整性方面的信息。
光纤光栅传感器虽有许多优点，但单一传感元装置因性能价格比不占优势而难以推广。在同一根光纤上级联多个光栅，不同根光纤之间以适当方式连接起来，并结合适当的信号处理技术，形成光纤光栅传感网络，才能突显优点，也是其它类传感器无法取代的，所以在研究光纤光栅传感器的同时总希望能在同一根光纤上复用并查询尽量多的传感元。由于光纤光栅传感元具节点(Point)特征，因此其构成的传感网络具备准分布式传感特点。
光纤光栅传感网络实用化必然要解决地址查询和信号解调技术，实际上前者涉及传感器地址定位，后者涉及从传感光栅提供的波长漂移信号中提取待测信息。
已有的解调方式主要有滤波法、干涉法和色散法，干涉法虽然可获得最高的分辨率，但它较适合于动态参数的观测，而不适合静态量测量，色散法会引入很大的插入损耗。
对于级联着的光栅串，系统将其光源的波长资源在传感元间进行分配，并要求各传感元的工作波长不出现交叠，这便是波分复用(Wavelength-division multiplexing (WDM))信号处理技术。现有的波分复用传感系统均借助滤波器，通过波长滤波达到寻址目的，并根据不同时刻同一传感元峰值位置的移动量判断待测量的变化，实现传感信号的解调。但这样的系统在同一时刻只能观测一个传感元处待测量，不具备实时监测能力。
一种被称为时域地址查询(Time-domain addressing (TDA))的技术，它利用光在光栅串中传播时，各传感元的反射脉冲信号在时序分布上的差异，识别传感地址。已有的时域地址查询技术均通过引入延时光纤，避免来自各传感元的光脉冲在时域中可能出现的重叠，而对传感光栅间并无波长间隔要求。
1.55微米通信窗口常用砷化镓铟(InGaAs)作为光电二极管的光敏材料，PIN型光电二极管的带宽为30 KHz~1 GHz，上升沿时间为~1 nm。用其进行光电转换时，一般要求相邻脉冲间隔在50 ps以上。光在石英光纤中传输1 m所需时间为5 ps，往返传输，相邻传感元间只有接入5 m以上的延时光纤，才能确保反射光脉冲间呈分立状态。
本申请发明人曾在“高分辨率单信道输出的光纤光栅传感系统时域地址查询技术”，(光学学报，Jul.2001,21(7):874-877)中公开了一种单通道输出时域地址查询技术，但其不具备实时监测能力，且要求相邻传感元间接入等延时量的光纤；在“具有实时监测能力的光纤光栅传感系统时域地址查询技术”(光学学报, Jul.2005,25(7):865-868)一文中公开了通过延时控制实现多信道输出的时域地址查询技术；拥有的发明专利“基于CPLD的时分复用光纤光栅传感测试系统”(ZL200610009939X)所介绍的系统虽具实时监测能力，但仍摆脱不了对延时光纤的需求。
延时光纤的接入不利传感网络的铺设，削弱其实用性。
发明内容
为避免现有技术存在的不足，本发明提供一种基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感系统。所述系统不仅具备实时监测能力，还摆脱了已有技术对延时光纤的依赖，为小结构智能化提供新的技术途径。
本发明采用的技术方案为：
基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：
设置一受控光源，所述受控光源输出波长扫描的光波信号，所述光波信号经耦合器后传至光纤光栅传感器阵列，每一时刻来自受控光源的波长扫描的光波信号仅进入一根波分复用光纤光栅传感元串，在光源的每一波长扫描周期中，经布拉格反射后形成光脉冲串信号，所述光脉冲串信号沿原路返回至所述耦合器，并耦合至探测器，在所述探测器中转换为电脉冲串信号，所述电脉冲串信号经放大器放大后至延时控制开关阵列，利用来自不同光纤光栅传感元的单个电脉冲信号在时域内分布的不同，延时控制开关阵列将各电脉冲信号在开关阵列的各输出通道间依次分配输出，使得开关阵列的第i输出通道中仅有来自第i光纤光栅传感元的信号，其中i为光纤光栅传感元在光纤光栅传感元串中的序号，实现时域地址查询；所述开关阵列的所有输出通道的信号经模/数转换、数据采集和处理后，由电脑中的嵌入式信号处理和测量子系统判断任意时刻电脉冲信号的峰值位置，并确定不同时刻间峰值位置的移动量，提供被测信息；
所述受控光源波长扫描的范围，要覆盖所述光纤光栅传感器阵列中全部光纤光栅传感元的工作波长。
所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：可用三端口环行器替换所述耦合器，波长扫描的光波信号由所述环行器的1端口输入，由2端口输出至所述光纤光栅传感器阵列，反射的光脉冲串信号由2端口进入，并由3端口输出至所述探测器。
所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述光纤光栅传感器阵列为单根级联的波分复用光纤光栅传感元串；或为多根波分复用光纤光栅传感元串，不同光纤光栅传感元串之间对应传感元的波长呈匹配关系；设置电控光开关，以所述电控光开关在耦合器输出与多根光纤光栅传感元串间切换导通，以使每一时刻来自受控光源的波长扫描的光波信号仅进入一根波分复用光纤光栅传感元串。
所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感系统，其特征在于，设置一在时钟单元控制下产生锯齿波信号的控制器，所述控制器以锯齿波信号控制受控光源输出一波长呈周期扫描状的光波信号；所述时钟单元同时输出另一路时钟信号。
所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述受控光源为以下两种方式：
方式一：采用宽带光源，由可调滤波器对所述宽带光源输出的光波进行波长滤波，受所述控制器的控制，获得波长扫描的光波信号；
方式二：采用可调激光器输出波长扫描的光波信号。
所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述嵌入式信号处理和测量子系统是利用软件编程，一方面求取传感信号关于时间的导数，通过求极大值来判断峰值位置；另一方面，通过求不同时刻峰值位置间的差值，来获取峰值移动信息，用被测量对所述峰值位置的移动量进行标定，标定结果由电脑显示、输出。
所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述延时控制开关阵列由延时器阵列和开关阵列组成，所述延时器阵列由多个延时器单元组成，所述开关阵列由多个模拟电子开关单元组成，所述延时器单元的数目与所述开关单元的数目一致，各延时器单元均有一个输入通道和一个输出通道，其延时量可调，各开关单元均有一个输入通道、一个输出通道和一个控制通道，所述延时器输出通道与开关单元的控制通道相连；所述延时控制开关阵列的输出通道数不少于一个光纤光栅传感元串中传感元的数目；所述电脉冲信号串经分束后与各开关单元的输入通道相连。 所述另一路时钟信号分束后，为各延时器提供输入信号。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
借助波长扫描和模拟电子开关阵列的选择通导，使波分复用信号处理技术与时域地址查询技术有机结合，将普通时域地址查询技术对相邻传感元间光程间隔需求转化为波长间隔需求，从而免除对延时光纤的依赖。这意味着级联的光栅，即便物理位置接近，甚至相互重叠，只要彼此间的波长不一致，本方案便可寻址。
另外，本发明有益效果还体现在：
1.系统具备实时监测能力；
2.系统的查询能力强，它取决于波长扫描的范围和相邻光栅的波长间隔。
3.利用时钟脉冲方波信号的前端触发模拟电子开关单元，而不用传感脉冲的前端触发，可避免噪音信号的干扰，从而保证系统工作的稳定性；
4.通道间串音小，系统有较高的信躁比；
5.系统集成度较高，其控制部分、开关部分和脉冲光源的驱动部分易于集成，并与解调装置等组合在一起，形成整机；
6.传感信息的无线或互联网传输，便于远距离监控。
附图说明
图1为本发明的系统原理图（Sij, (i.＝1,2,…,N; j=1,2, …,m)为光纤光栅传感元；A/D,为模/数转换器；3dB,为50:50耦合器；OS为 1×N电控光开关）。
图2延时控制开关阵列的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，设置一受控光源，所述受控光源输出波长扫描的光波信号，所述光波信号经耦合器后传至光纤光栅传感器阵列，每一时刻来自受控光源的波长扫描的光波信号仅进入一根波分复用光纤光栅传感元串，在光源的每一波长扫描周期中，经布拉格反射后形成光脉冲串信号，所述光脉冲串信号沿原路返回至所述耦合器，并耦合至探测器，在所述探测器中转换为电脉冲串信号，所述电脉冲串信号经放大器放大后至延时控制开关阵列，利用来自不同光纤光栅传感元的单个电脉冲信号在时域内分布的不同，延时控制开关阵列将各电脉冲信号在开关阵列的各输出通道间依次分配输出，使得开关阵列的第i输出通道中仅有来自第i光纤光栅传感元的信号，其中i为光纤光栅传感元在光纤光栅传感元串中的序号，实现时域地址查询；所述开关阵列的所有输出通道的信号经模/数转换、数据采集和处理后，由电脑中的嵌入式信号处理和测量子系统判断任意时刻电脉冲信号的峰值位置，并确定不同时刻间峰值位置的移动量，提供被测信息；所述受控光源波长扫描的范围，要覆盖所述光纤光栅传感器阵列中全部光纤光栅传感元的工作波长。
光纤光栅作为传感元，级联的波分复用着的光纤光栅构成传感元串，计算机发出控制信号，控制时钟单元发出特定频率的方波脉冲，受其触发，控制器(图中所示的控制器1)产生同频锯齿波控制信号，用来控制受控光源，使其输出波长扫描的光波信号。波长扫描的范围，要覆盖所述传感元串中全部传感光栅的工作波长。
系统也可直接利用计算机内的时钟，此时直接用计算机控制控制器1。
所述光波信号经耦合器后传至光纤光栅传感器阵列，经布拉格反射后形成光脉冲串信号，所述光脉冲串信号沿原路返回至所述耦合器，并耦合至探测器，在所述探测器中转换为电脉冲串信号，所述电脉冲串信号经放大器放大后至延时控制开关阵列。
所述延时控制开关阵列由延时器阵列和开关阵列组成(见图2所示)。所述延时器阵列由多个延时器组成，各延时器均有输入端和输出端，延时量可调；所述开关阵列由多个模拟电子开关单元组成，各开关单元均有一个输入通道、一个输出通道和一个控制通道。
延时器的数目与所述开关单元的数目一致，各延时器的延时量可调，延时器输出端与对应开关单元的控制通道相连接，所述开关阵列的输出通道数(也就是开关数)不少于传感器阵列中级联着的传感元的数目。
所述电脉冲信号经分束后与各开关单元的输入通道相连。所述时钟单元同时输出另一路时钟信号，分束后与各延时器的输入端连接，分别延时后，用来控制各开关单元的通导状态。
利用来自不同传感元的电脉冲信号在时域内分布的不同，延时控制开关阵列将电脉冲串信号在开关阵列的各输出通道间依次分配输出，使得开关阵列的第i输出通道中仅有来自第i传感光栅的信号，其中i为传感器在传感元串中的序号，实现时域地址查询。
所述开关阵列的任意输出通道的信号经模/数(A/D)转换、数据采集和处理后，由电脑中的嵌入式信号处理和测量子系统判断任意时刻脉冲的峰值位置，并确定不同时刻间峰值位置的移动量，提供被测信息。
受控光源可以是宽带光源(如：LED、SLED或ASE等)与可调滤波器(如：可调F-P滤波器)的组合。可调滤波器受控制器1驱动，对宽带光源执行波长扫描滤波输出。
受控光源还可以是具有波长扫描功能的可调分布反馈式(DFB)激光器(如：光纤可调激光器或半导体可调激光器)。受控制器1或计算机直接控制，输出功率稳定、波长扫描的光波。激光器执行波长扫描功能时，优先选择连续波长扫描功能，若无该功能，也可选择分立波长扫描功能，此时步长大小的选取，应确保针对最窄带宽的传感光栅取样时的取样点不少于五个。光栅带宽一般在0.1~0.2 nm，则步长不超过20 pm。
为避免回光干扰，选择FC/APC接口为受控光源的输出端口。无论选用何光源，输出光波的能量应使得来自传感元的反射光脉冲，能被探测器探测，并有足够的信噪比。
在受控光源的每一波长扫描周期中，系统产生反射光脉冲的个数与级联着的传感光栅数目一致。假设同一根光纤中级联着m个光栅，来自光源的一个扫描周期的光波就会产生m个反射光脉冲信号。
级联着的光栅串中各传感光栅的工作波长不能重叠，否则波长扫描过程中，同一波长位置可能有来自多个光栅的反射，以至对应受控光源的一个扫描周期中，会出现少于m个反射脉冲的现象。考虑系统本身无法区别重叠着的光脉冲，为杜绝对传感元地址的误判，因此，级联着的传感光栅的工作波长应呈波分复用(WDM)分布。相邻传感元间的最小波长间隔以及光栅所在光纤的机械承受能力共同决定了系统的测量范围。
引入3dB耦合器或三端口的环行器，将来自传感光栅的反射光脉冲信号耦合至探测器。选用3dB耦合器时，端口的接法见图1所示；而选用环行器时，波长扫描的光波信号由所述环行器的1端口输入，由2端口输出至所述光纤光栅传感元串，产生的反射光脉冲串信号由2端口进入，并由3端口输出至所述探测器。
脉冲光波信号经探测器转换为脉冲电信号后，通常很弱，为便于进一步处理，有必要对其放大。所用放大器的放大倍数视探测器输出和后续电路对信号电压值的要求而定。放大器的输出分束后与延时控制开关阵列中各开关单元的输入端连接。
如何实现开关阵列的选择通导？可将另一路时钟信号分成m束，每一束各用来控制开关阵列中的一个通道，利用其方波的前端触发，触发后该通道处于开启状态，允许来自对应传感光栅的脉冲信号无阻挡通过，然后通道自动关闭，呈阻隔状态，从而实现开关的选择通导。
关于开关的具体操作，发明专利“基于CPLD的时分复用光纤光栅传感测试系统”(ZL200610009939X)中已有介绍。
开关的这种选择通导，使得系统具备辨识传感信息来源的能力，从而实现对传感元的寻址。系统利用来自不同传感元的脉冲信号在时域内的先后顺序的差别进行传感地址识别，因此是时域地址查询技术。
考虑来自不同传感元的同一串脉冲信号到达各自对应的开关通道的时间延迟不同，为使来自第i传感元的脉冲信号传至第i开关通道时，该通道正好处于通导状态，有必要对控制脉冲适当延时。
延时由与各通道串接的延时器实施，延时量的大小取决于时钟信号至光源至对应传感元再至电子开关与时钟信号经延时器直接至电子开关两条路径间的时延差。
延时控制的结果，使得光源的一个波长扫描周期中，来自级联着的m个传感元的m个脉冲，依次由开关的m个通道输出。各输出通道输出分别经模/数(A/D)转换，由计算机采集后进行峰值探测。求出峰值位置移动量，定标后便可用来进行分布式监测了。
关于峰值位置的确定，可利用采样点所组成曲线的拐点，结合拐点附近导数值的正负来判定。有两种方法：其一，求一阶导数，若拐点左侧一阶导数为正值，右侧为负值，则拐点处为极大值，对应一个峰值位置；若两侧一阶导数值的符号相同，则该拐点不是峰值位置。其二，求二阶导数，若拐点两侧二阶导数的值均小于零，则其对应峰值位置，否则，就不是峰值位置。
不同的扫描周期中同一峰值位置间的差值便是峰值移动量，它源于两时刻待测量引起的传感光栅布喇格波长的漂移，定标后可转换为波长漂移量或者直接转换为待测量的变化值。
嵌入式信号处理和测量子系统是利用软件编程，一方面对传感信号进行求导处理，通过求极大值来判断峰值位置；另一方面，通过求不同时刻峰值位置间的差值，来获取峰值移动信息，定标后便实现传感信号的解调。
嵌入式信号处理和测量子系统还具备待测信息的显示功能，它以数字或图形的方式提供待测量以及待测量随时间变化的信息。
借助以太网或无线网络，由带有特定IP地址的计算机与互联网接驳，可实现传感信号的网络传输，使得系统具备遥测功能。
该方案变不同传感元间的波长差为来自这些传感元脉冲信号间的时延差，因此称之为“基于波分复用信号处理技术的时域地址查询”。
关于所查询的光纤光栅传感器阵列，可以是单根级联着的波分复用光纤光栅传感元件串，也可以是多根(如：N根)级联着的波分复用光纤光栅传感元件串，后者的不同串光栅间的波长呈匹配关系，且需借助1×N电控光开关(OS)，受可编程控制器(控制器2)控制，在不同光栅串间进行选择连接，以保证每一时刻来自受控光源的波长扫描的光波信号仅进入一根波分复用光纤光栅传感元串。被连接的光栅串上各传感元处待测量可被实时监测。
选用单根光栅串还是多根光栅串，取决于受控光源的波长扫描范围、传感元的数目以及系统的测量范围。波长扫描范围宽，传感元的数目少，系统的测量范围小，则光栅串的数目就少。
本发明的技术途径还有：
1.待查询光栅串上的传感元为窄带、高反射率的光栅，彼此间波长呈波分复用关系。传感元沿光纤可呈不等光程间隔分布。
2.系统采用单一时钟信号控制，一方面它使得所述控制器产生锯齿波信号，受其驱动，光源提供功率稳定、波长呈周期扫描状输出的光波，另一方面所述时钟信号分束并经分别延时后，用来控制开关阵列各通道的通导状态。关于开关阵列的设计，不外乎有级联式和并行式两种方案。由于级联式开关模块本身存在巨大的损耗和寄生噪声，加上通道间的串音，严重制约了系统的查询能力，因此本发明采用并行式方案。
并行式多通道输出模拟电子开关阵列不仅可克服级联式开关的上述缺点，有较高的信噪比，其优点还体现在：1).可根据系统的实际需要，借助延时器在线修改时间延迟量，而无需对整个系统进行调整，从而增强了系统的灵活性和实用性；2).独立处理各通道输出，利于信号强度的均衡。
3.波长扫描，既可引入可调F-P滤波器，施加锯齿波驱动信号，对宽带光源的输出进行滤波获得，或对光纤激光器通过腔内滤波获得；还可通过直接控制可调激光器，实现波长扫描。
4.各开关通道的通导状态受延时后的时钟方波信号的触发控制。用于各通道控制信号间的延时量的差值取决于传感光栅的分布。延时量的大小通过选用可编程集成延时芯片来灵活控制。
5.来自光栅串的保持分立状态的反射脉冲信号，光电转换并经开关选择通导后，由计算机采集，确定功率的时间变化关系实验曲线，经求导和极大值判定，获取峰值位置，并得到不同时刻间同一光栅峰值位置的移动量，从而获得波长漂移信息。定标后，计算机在对应窗口中实时显示待测量(如：应变、温度等)的大小，或其随时间变化关系曲线。
6.引入1×N受控模拟光开关，在不同的光纤光栅传感元串间切换信号，可有效增加系统的查询能力，但以牺牲寻址速度为代价。
系统的信号处理过程比较复杂，可借助Labview软件平台，开发嵌入式信号处理和测量子系统。这主要通过虚拟仪器以及基于虚拟仪器的信号处理技术，实现信号处理和峰值移动量探测。凡涉及电信号滤波、放大、时钟信号产生、延时，甚至多通道开关的选择通导以及信息显示等均由电脑完成。
光纤光栅传感器阵列获得准分布式待测信息，建立专家系统，设置阈值，经阈值判断后决定是否报警，此时，系统将具备预警功能。
Claims (7)
1.基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：设置一受控光源，所述受控光源输出波长扫描的光波信号，所述光波信号经耦合器后传至光纤光栅传感器阵列，每一时刻来自受控光源的波长扫描的光波信号仅进入一根波分复用光纤光栅传感元串，在光源的每一波长扫描周期中，经布拉格反射后形成光脉冲串信号，所述光脉冲串信号沿原路返回至所述耦合器，并耦合至探测器，在所述探测器中转换为电脉冲串信号，所述电脉冲串信号经放大器放大后至延时控制开关阵列，利用来自不同光纤光栅传感元的单个电脉冲信号在时域内分布的不同，延时控制开关阵列将各电脉冲信号在开关阵列的各输出通道间依次分配输出，使得开关阵列的第i输出通道中仅有来自第i光纤光栅传感元的信号，其中i为光纤光栅传感元在光纤光栅传感元串中的序号，实现时域地址查询；所述开关阵列的所有输出通道的信号经模/数转换、数据采集和处理后，由电脑中的嵌入式信号处理和测量子系统判断任意时刻电脉冲信号的峰值位置，并确定不同时刻间峰值位置的移动量，提供被测信息；所述受控光源波长扫描的范围，要覆盖所述光纤光栅传感器阵列中全部光纤光栅传感元的工作波长。
2.根据权利要求1所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述耦合器可用三端口环行器替换，波长扫描的光波信号由所述环行器的1端口输入，由2端口输出至所述光纤光栅传感器阵列，反射的光脉冲串信号由2端口进入，并由3端口输出至所述探测器。
3.根据权利要求1所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述光纤光栅传感器阵列为单根级联的波分复用光纤光栅传感元串，或为多根波分复用光纤光栅传感元串，不同光纤光栅传感元串之间对应传感元的波长呈匹配关系；设置电控光开关，以所述电控光开关在耦合器输出与多根光纤光栅传感元串间切换导通，以使每一时刻来自受控光源的波长扫描的光波信号仅进入一根波分复用光纤光栅传感元串。
4.根据权利要求1所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于，设置一在时钟单元控制下产生锯齿波信号的控制器，所述控制器以锯齿波信号控制受控光源输出一波长呈周期扫描状的光波信号；所述时钟单元同时输出另一路时钟信号，所述另一路时钟信号分束后，为各延时器提供输入信号。
5.根据权利要求1所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述受控光源为以下两种方式：
方式一：采用宽带光源，由可调滤波器对所述宽带光源输出的光波进行波长滤波，受权利要求4所述控制器的控制，获得波长扫描的光波信号；
方式二：采用可调激光器输出波长扫描的光波信号。
6.根据权利要求1所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述嵌入式信号处理和测量子系统是利用软件编程，一方面求取传感信号关于时间的导数，通过求极大值来判断峰值位置；另一方面，通过求不同时刻峰值位置间的差值，来获取峰值移动信息，用被测量对所述峰值位置的移动量进行标定，标定结果由电脑显示、输出。
7.根据权利要求1所述的基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法，其特征在于：所述延时控制开关阵列由延时器阵列和开关阵列组成，所述延时器阵列由多个延时器单元组成，所述开关阵列由多个模拟电子开关单元组成，所述延时器单元的数目与所述开关单元的数目一致，各延时器单元均有一个输入通道和一个输出通道，其延时量可调，各开关单元均有一个输入通道、一个输出通道和一个控制通道，所述延时器输出通道与开关单元的控制通道相连；所述延时控制开关阵列的输出通道数不少于一个光纤光栅传感元串中传感元的数目；所述电脉冲信号串经分束后与各开关单元的输入通道相连。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110326745.3A CN102519502B (zh) | 2011-10-25 | 2011-10-25 | 基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110326745.3A CN102519502B (zh) | 2011-10-25 | 2011-10-25 | 基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102519502A CN102519502A (zh) | 2012-06-27 |
| CN102519502B true CN102519502B (zh) | 2014-07-23 |
Family
ID=46290503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110326745.3A Expired - Fee Related CN102519502B (zh) | 2011-10-25 | 2011-10-25 | 基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102519502B (zh) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103630262A (zh) * | 2012-08-20 | 2014-03-12 | 西安和其光电科技有限公司 | 多通道砷化镓半导体吸收式光纤温度测量系统 |
| CN103606811B (zh) * | 2013-12-11 | 2016-04-27 | 北京信息科技大学 | 基于cpld的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统 |
| CN103727969B (zh) * | 2014-01-10 | 2016-08-17 | 电子科技大学 | 基于延时脉冲拉曼放大分布式传感系统 |
| CN105021539B (zh) * | 2014-04-29 | 2017-12-01 | 中国矿业大学 | 一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统 |
| US9887771B2 (en) | 2015-10-23 | 2018-02-06 | International Business Machines Corporation | Bandwidth throttling |
| US9853741B2 (en) | 2015-11-30 | 2017-12-26 | International Business Machines Corporation | Fiber optic encryption |
| JP6486820B2 (ja) * | 2015-12-28 | 2019-03-20 | 鹿島建設株式会社 | 歪分布データ処理装置及び歪分布データ処理方法 |
| CN107453764B (zh) * | 2017-07-07 | 2019-05-03 | 北京航空航天大学 | 基于大容量多参量的光纤传感器网络信号处理技术实现方法 |
| CN108287029A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-07-17 | 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 | 准分布式地热浅井温度实时监测系统及方法 |
| CN107941255B (zh) * | 2017-12-29 | 2020-05-05 | 武汉理工光科股份有限公司 | 基于fpga的弱光纤光栅高速解调装置及方法 |
| CN109374021B (zh) * | 2018-10-30 | 2020-10-30 | 广州发展集团股份有限公司 | 物理量抗干扰采集系统、方法、装置及计算机设备 |
| CN110715721A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-01-21 | 华中科技大学 | 一种fp型声波传感器复用系统和方法 |
| CN113128690B (zh) * | 2021-04-01 | 2023-05-23 | 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 | 用于中性原子量子计算的寻址系统 |
| CN114006658B (zh) * | 2021-10-26 | 2023-02-10 | 浙江大学 | 一种分布式硅基色散补偿系统 |
| CN114545174B (zh) * | 2022-04-28 | 2022-07-15 | 华北电力大学 | 一种变压器局部放电光纤分布式传感系统 |
| CN115085820B (zh) * | 2022-05-23 | 2023-10-03 | 中山水木光华电子信息科技有限公司 | 一种光纤编码矩阵系统及其光纤通道切换方法 |
| CN115219780A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-10-21 | 国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院 | 高压电缆地线电流数据采集装置 |
| CN115425957B (zh) * | 2022-11-04 | 2023-02-17 | 西安水木芯邦半导体设计有限公司 | 多通道开关阵列控制电路及自动检测系统 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5748350A (en) * | 1996-06-19 | 1998-05-05 | E-Tek Dynamics, Inc. | Dense wavelength division multiplexer and demultiplexer devices |
| CN1828229A (zh) * | 2006-04-19 | 2006-09-06 | 黑龙江大学 | 基于cpld的时分复用光纤光栅传感测试系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5987197A (en) * | 1997-11-07 | 1999-11-16 | Cidra Corporation | Array topologies for implementing serial fiber Bragg grating interferometer arrays |
-
2011
- 2011-10-25 CN CN201110326745.3A patent/CN102519502B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5748350A (en) * | 1996-06-19 | 1998-05-05 | E-Tek Dynamics, Inc. | Dense wavelength division multiplexer and demultiplexer devices |
| CN1828229A (zh) * | 2006-04-19 | 2006-09-06 | 黑龙江大学 | 基于cpld的时分复用光纤光栅传感测试系统 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| JP特表2001-522987A 2001.11.20 |
| 余有龙等.光纤光栅传感网络时域地址查询技术.《黑龙江大学自然科学学报》.2008,第25卷(第6期), |
| 余有龙等.具有实时监测能力的光纤光栅传感系统时域地址查询技术.《光学学报》.2005,第25卷(第7期), |
| 光纤光栅传感网络时域地址查询技术;余有龙等;《黑龙江大学自然科学学报》;20081231;第25卷(第6期);第820页第3-6段、第821页第4-7段、第822页第2段以及图1、5、7-8 * |
| 具有实时监测能力的光纤光栅传感系统时域地址查询技术;余有龙等;《光学学报》;20050731;第25卷(第7期);第867页左栏第3段以及图1 * |
| 基于LabVIEW 的光纤布拉格光栅多节点应变监测技术;李意峰等;《光学仪器》;20080831;第30卷(第4期);第37页第3段以及图1、4-5、7 * |
| 李意峰等.基于LabVIEW 的光纤布拉格光栅多节点应变监测技术.《光学仪器》.2008,第30卷(第4期), |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102519502A (zh) | 2012-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102519502B (zh) | 基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及系统 | |
| CN102914321B (zh) | 一种极弱光纤光栅传感系统及其查询方法 | |
| CN104019836B (zh) | 基于相干双脉冲对序列技术布里渊光时域分析仪及利用该分析仪抑制共模噪声的方法 | |
| JP4324581B2 (ja) | 光ネットワークにおける光ファイバ状態モニタリングデバイス及び方法 | |
| CN102901525B (zh) | 超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法 | |
| JP6780651B2 (ja) | ガス検知システム | |
| CN106105061A (zh) | 一种利用拉曼泵浦激光源实现不中断业务的光时域反射计装置 | |
| CN103954226A (zh) | 长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置 | |
| CN203519149U (zh) | 基于相干光时域反射的振动检测装置 | |
| AU2016429758A1 (en) | Wellbore distributed acoustic sensing system using a mode scrambler | |
| CN105136909B (zh) | 一种基于阵列波导光栅的多通道声发射传感解调系统 | |
| CN101893475A (zh) | 一种基于光纤延时线的分布式光纤振动传感系统 | |
| CN103940360A (zh) | 一种基于级联啁啾光纤光栅的应变监测装置 | |
| CN207036297U (zh) | 一种光纤光栅测温系统 | |
| CN103986521B (zh) | 一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络 | |
| CN105806374A (zh) | 一种光纤光栅波长的解调方法 | |
| CN102928740B (zh) | 智能集合型故障诊断与在线测温系统 | |
| US11340365B2 (en) | Switchable distributed acoustic sensing system for wellbore environment | |
| CN105577458B (zh) | 一种无源光接入网络中支路故障定位的装置和方法 | |
| US20140079400A1 (en) | Fiber optic data networks that simultaneously carry network data and control signals over the same fiber optic links and related methods and apparatus | |
| CN103389120A (zh) | 基于波分复用的光纤衰荡腔传感阵列装置 | |
| CN203432574U (zh) | 基于光纤超声波传感技术的用于结构沉降分布式监测系统 | |
| CN202939260U (zh) | 具有故障诊断和在线测温功能的智能平台 | |
| CN204027582U (zh) | 一种智能化多通道光纤分布式传感系统 | |
| CN105203225A (zh) | 一种光纤光栅温度检测方法及装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140723 |