CN103148793B - 基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统 - Google Patents

Abstract

基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统，包括半导体光源及其驱动电路、光耦合器及光环行器、FBG传感阵列、APD光探测器、PIN光探测器、光子计数器和计算机；以APD光探测器作为传感信号的检出器件，以PIN光探测器作为触发信号的检出器件，计算机控制光源的驱动电路打开光源，光源输出脉冲光，经光耦合器分成两路，一路到FBG传感器阵列，另一路到PIN光探测器；触发光经光电变换后控制门控电路和光子计数器，当FBG传感阵列反射回信号时打开门控电路和光子计数器，使APD光探测器在盖革模式下工作，用计数器计数并传至计算机进行数据处理，计算出FBG的应变大小。本发明消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比，能够探测极微弱的传感信号。

Description

基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统。

背景技术

现代经济社会突飞猛进的发展为建筑业和大型工程带来了良好的发展契机，但随之而来的健康和安全的监测问题（如大坝、桥梁、航天器、高速铁路、船舶、核电站等大型结构）却日益明显。并且我国是一个灾害频发的国家，如2010年的舟曲泥石流，宝成铁路的桥梁垮塌等，如果能提前预警，就可以避免人民群众的生命财产损失。所有这些都可以通过大量的传感器进行监测。

光纤光栅传感器可以检测温度、压力、角位移、电压、电流、声音和磁场等多种物理量，相比传统传感器有一系列独特的优点，如灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、光路可弯曲，体积小等。光纤光栅传感器最大技术经济优势在于分布式(多点)传感，可以组网。这样不仅可以减少传感器安装和信号传输线对施工及原结构性能的影响，而且可以增加传感点的密度，与同样传感数量的常规传感器及测量系统相比整体价格低。实际上，大型和复杂结构的监控经常需要大量传感器，例如，飞机结构监控需要近5000个传感器才能有足够的覆盖。因此，在经济、实用的前提条件下，FBG传感网络所能复用的传感器数量就成了研究者追求的目标。

FBG传感网络的复用方式主要有波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)或它们之间的组合。

现有基于光时域反射方式(OTDR)和低反射率(1%~0.01%)光纤光栅的传感系统中，采用半导体激光器作光源，实现超多点应变测量。该方法的最大特点是可在一根光纤上串联几百个甚至上千个FBG（光纤光栅），完成超多点测量，但是，传感信号会变得非常微弱，使得检测变得非常困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统，解决现有技术存在的对微弱的传感信号难以检测的问题。

本发明的目的是这样实现的，基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统，包括半导体光源及其驱动电路、光耦合器及光环行器、FBG传感阵列、APD光探测器、PIN光探测器、光子计数器和计算机；以APD光探测器作为传感信号的检出器件，以PIN光探测器作为触发信号的检出器件，计算机控制光源的驱动电路打开光源，光源输出脉冲光，经光耦合器分成两路，一路到FBG传感器阵列，另一路到PIN光探测器；触发光经光电变换后控制门控电路和光子计数器，当FBG传感阵列反射回信号时打开门控电路和光子计数器，使APD光探测器在盖革模式下工作，用计数器计数并传至计算机进行数据处理，计算出FBG的应变大小。

本发明的特点还在于：

上述光耦合器的分光比为10:90，90%的一路到FBG传感器阵列，10%的一路到PIN光探测器。

进一步，上述APD光探测器为两个且通过光开关与光环行器连接，一个APD光探测器通过光子计数器与计算机连接，另一个APD光探测器通过放大器、A/D转换与计算机连接；当传感信号较强时，用线性探测模式，当传感信号较弱时，由计算机控制光开关转向光子计数探测模式。

另一种方案为：上述APD光探测器为两个且通过光分路器与光环行器连接；一个APD光探测器通过光子计数器与计算机连接，另一个APD光探测器通过放大器、A/D转换与计算机连接；当传感信号较强时，采用线性探测模式的结果；当传感信号较弱时，采用光子计数探测模式的结果；传感信号不强不弱时，将两种模式探测的结果比对拼接。

上述FBG采用低反射率光纤光栅，反射率在1%~0.01%之间。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用单光子计数法，利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数把极其微弱的信号识别并提取出来，测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小，消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比，克服了现有技术存在的对微弱的传感信号难以检测的问题。

2、本发明FBG采用低反射率光纤光栅，反射率越低，系统复用的光纤光栅个数就越多，测量的点越多。

3、本发明有比较宽的线性动态区，可输出数字信号，适合与计算机连接进行数据处理，不必进行模数转换。

4、本发明与传统的探测相比，探测灵敏度更高，在一根光纤上能够复用的FBG数大大增加，可达几百甚至上千，实现对大型工程的密集超多点监测。

附图说明

图1为本发明基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统结构示意图；

图2为FBG应变测量原理图；

图3为雪崩二极管APD的工作模式图；

图4为本发明基于一个光开关在光子计数探测模式和线性探测模式之间转换的超多点低反射率光纤光栅传感系统示意图；

图5为本发明基于一个光分路器同时用光子计数和线性模式探测的超多点低反射率光纤光栅传感系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统采用半导体激光器（LD）作光源，使用低反射率光纤光栅（FBG），基于光时域反射(OTDR)方式，采用光子计数探测，构建一个超多点应变测量的光纤光栅传感系统。该系统可获得在一根光纤上串联几百个甚至上千个FBG的超多点测量。

如图1所示，基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统主要由半导体光源及其驱动电路、光耦合器及环行器、FBG传感阵列、InGaAs-APD(雪崩光电二极管)、光子计数器和计算机等组成。以APD作为传感信号的检出器件，PIN(光电二极管)作为触发信号的检出器件。光耦合器的分光比为10:90，90%的一路到FBG传感阵列，10%的一路到用于触发的光检测器PIN。FBG采用低反射率光纤光栅，反射率越低，系统复用的光纤光栅个数就越多，反射率一般在1%~0.01%之间。

基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统运用计算机控制光源驱动电路打开光源，并将光源分成信号光和触发光两路，触发光光电转换后控制门控电路和光子计数器，当FBG传感信号反射回来时打开门控电路，使APD在盖革模式下工作，用计数器计数传至计算机进行数据处理，计算出某个FBG遭受的应变的大小。

FBG应变(温度同理)测量原理参见图2。假设在整个测量过程中半导体激光器(LD)的光谱是不变的(通过温控电路稳定)。若在FBG传感器上加以拉应变，则FBG的反射谱(图2中实线)将向长波长方向移动，移动后的FBG反射谱如图2中的虚线所示，探测到的反射光功率P(ε)是FBG的反射谱r(λ)和激光光谱φ(λ)的卷积，由公式（1）确定

$P\left(\mathrm{\ϵ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}r(\mathrm{\λ}-\frac{\∂\mathrm{\λ}}{\∂\mathrm{\ϵ}})\·\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(1\right)$

设图2中LD的中心波长为λ₁，在未加应变时探测到的FBG的反射光功率为P₁；加应变时FBG的反射谱由于移位变为虚线，探测到的反射光功率变为P₂。应变引起FBG反射谱的中心波长移位可转化为反射光功率的变化（由P₁变为P₂），由反射光功率的变化量就可以计算出应变，也就是所加应变量的大小与P₁、P₂之间的差值有关。当所加的应变量较小时，FBG反射谱的移动始终在LD的探测范围内，如图2中虚线所示。通过直接检测光纤光栅的反射光功率，并根据对FBG的探测光功率-应变关系的标定，就可以确定光纤光栅受到的应变。

当用光子计数探测时，设每秒到达APD的光子数为n，APD的量子效率为η，门宽τ，则APD有一个探测信号输出的概率为

p_sig,gate=1-e^-ηnt（2）

n可由输入到APD的功率P_in表示

$n=\frac{P_{\mathrm{in}}}{\mathrm{hv}}---\left(3\right)$

式中，hv为一个光子的能量。于是输入功率为

$P_{\mathrm{in}}=\frac{-\mathrm{hv}}{\mathrm{\η\τ}}\ln (1-p_{\mathrm{sig},\mathrm{gate}})---\left(\text{4}\right)$

而APD有一个探测信号输出的概率可由下式测量

$p_{\mathrm{sig},\mathrm{gate}}=\frac{N_{\mathrm{sig}}}{N_{\mathrm{gate}}}---\left(5\right)$

式中N_gate是激活门的个数，N_sig是信号计数的个数。联合求解（1）和（4）即可得到应变。

APD的外围电路包括门控电路，高压电路，门脉冲产生电路三大部分，最主要的是门控电路。当没有脉冲到来时，APD两端的直流电压低于雪崩击穿电压，相当于门闭合；当光脉冲到达时，脉冲电压与直流电压叠加，APD两端电压就高于雪崩击穿电压，APD触发雪崩，相当于门打开；门打开后要快速抑制雪崩，关闭门等待下次光子到达，其工作模式如图3所示，横坐标为APD的反偏压，纵坐标为APD的倍增因子。

用LabVIEW将数据采集并进行数据处理，计算出FBG的功率变化值从而得出FBG遭受的应变大小。

基于一个光开关在光子计数探测模式和线性探测模式之间转换的超多点低反射率光纤光栅传感系统参见图4。当传感信号较强时，用线性探测模式；当传感信号较弱时，由计算机控制开关转向光子计数探测模式。

基于一个光分路器同时用光子计数和线性模式探测的超多点低反射率光纤光栅传感系统参见图5。当传感信号较强时，采用线性探测模式的结果；当传感信号较弱时，采用光子计数探测的结果；传感信号不强不弱时，将两种模式探测的结果比对拼接。

在分布式低反射率光纤光栅（FBG）传感系统中，当光纤光栅的反射率很低时，用正常线性方式根本无法探测到传感信号。本发明提出用单光子计数探测，可探测到极微弱的光信号，构成基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统，可获得在一根光纤上串联几百个甚至上千个FBG的超多点测量，实现对大型工程的密集超多点监测。

Claims (2)

1.基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统，其特征在于：包括半导体光源及其驱动电路、光耦合器及光环行器、FBG传感阵列、APD光探测器、PIN光探测器、光子计数器和计算机；以APD光探测器作为传感信号的检出器件，以PIN光探测器作为触发信号的检出器件，计算机控制光源的驱动电路打开光源，光源输出脉冲光，经光耦合器分成两路，一路到FBG传感器阵列，另一路到PIN光探测器；触发光经光电变换后控制门控电路和光子计数器，当FBG传感阵列反射回信号时打开门控电路和光子计数器，使APD光探测器在盖革模式下工作，用计数器计数并传至计算机进行数据处理，计算出FBG的应变大小；其中，所述FBG采用低反射率光纤光栅，反射率在1％～0.01％之间；

所述APD光探测器为两个且通过光开关与光环行器连接，一个APD光探测器通过光子计数器与计算机连接，另一个APD光探测器通过放大器、A/D转换与计算机连接；当传感信号较强时，用线性探测模式，当传感信号较弱时，由计算机控制光开关转向光子计数探测模式；或者，所述APD光探测器为两个且通过光分路器与光环行器连接，一个APD光探测器通过光子计数器与计算机连接，另一个APD光探测器通过放大器、A/D转换与计算机连接；当传感信号较强时，采用线性探测模式的结果；当传感信号较弱时，采用光子计数探测模式的结果；传感信号不强不弱时，将两种模式探测的结果比对拼接。

2.如权利要求1所述的基于光子计数的超多点低反射率光纤光栅传感系统，其特征在于：所述光耦合器的分光比为10:90，90％的一路到FBG传感器阵列，10％的一路到PIN光探测器。