CN103471812B - 弱光栅检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱光栅检测装置及其检测方法，其中检测装置包括小宽带光源、掺铒光纤放大器、调制模块、环形器、取样模块和光谱分析仪；小宽带光源提供2~6nm的宽谱连续光功率信号；小宽带光源连接调制模块，调制模块输出的光信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过环形器的一个端口耦合进待检测对象，所述待检测对象为单个或者多个低反射率的光纤光栅；环形器的另一个端口连接取样模块；取样模块连接光谱分析仪。本发明通过分离并放大单个光栅的反射信号，对比计算单个光栅的真实反射率，同时准确定位单个光栅的位置。

Description

弱光栅检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及弱光栅的检测，尤其涉及一种弱光栅检测装置及其检测方法。

背景技术

弱光纤光栅传感网络具有复用能强、串扰小、性价比高等优势，有望在火灾报警、安全围栏等多点监测领域广泛应用。弱光纤光栅传感网络的性能，直接取决于弱光栅阵列的制造技术。目前，“光栅在线刻写”装置已经开发成功，能在光纤拉制过程中自动刻写弱光栅阵列。这种阵列避免了传统光栅熔接成阵列时的接点损耗，具有良好的机械特性，有利于大规模时分复用。但由于制造工艺复杂，在线刻写光栅的反射率会在几个dB范围内波动。过低反射率的光栅，其反射信号强度可能低于查询系统最低阈值。此外，当光栅阵列成缆或铺设时，由于受应力的影响，个别光栅的布拉格波长可能出现反射谱啁啾化。由于光纤光栅传感网络的工作主要取决于对布拉格波长峰值的准确判定，过低反射率或反射谱的啁啾化，将直接导致布拉格波长的检测困难，从而导致系统无法有效工作，对大规模阵列中各光栅的反射率很有必要。

传统光栅反射率的测量采用透射法，即利用光谱仪观察宽带光源通过光栅后的透射谱，通过分析光谱中凹陷深度来计算光栅的反射率。这种方法仅适合中、高反射率的光栅。对于弱光栅(例如，反射率低于0.2％)，这种凹陷深度很难观察，测量光栅的反射率非常困难。文献“Reflectivity measurement of weak fiber Bragg grating”(武汉理工大学学报，J.Wuhan Univ.Mater)提出了一种多光栅累积测量的方法，即假定一组光栅具有相同的反射率，通过测量该组光栅的累积反射，来计算单个光栅的平均反射率。对于不同反射率光栅构成的阵列，这种方法误差大且不能标识单个光栅的真实反射率。此外，该方法还需要截断一组光栅作为检测样本，无法实现在线测量，也不能定位光栅所在的位置。光栅反射率越低，对取样光栅的数量要求越多，测量误差也会逐渐增大。传统的OTDR可以用于观察光栅阵列，但是由于OTDR光源采用的是非连续光源，光栅反射的波长不一定是峰值波长，观察到的反射峰不能真实反映光栅的反射率，因此不能用来准确测量光栅的反射率。此外，OTDR的定位分辨率一般在+/-2m，在工程中很难精确标定间距在2m以下的单个光栅的位置，且工作盲区大。其量程也与脉冲宽度相关，量程越大，脉宽越宽，定位精度和分辨率越低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法在线准确测量大规模弱光纤光栅的反射率的缺陷，提供一种实现在线检测，且能准确检测单个光栅的反射率的弱光栅检测装置及其检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种弱光栅检测装置，其特征在于，包括小宽带光源、调制模块、掺铒光纤放大器、环形器、取样模块和光谱分析仪；小宽带光源提供2～6nm的宽谱连续光功率信号；小宽带光源连接调制模块，调制模块输出的光信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过环形器的一个端口耦合进入待检测对象，所述待检测对象为单个光纤光栅或者包含多个低反射率光纤光栅的弱光栅阵列；环形器的另一个端口连接取样模块；取样模块连接光谱分析仪。

本发明所述的装置中，调制模块包括第一SOA高速光电开关和信号发生器，第一SOA高速光电开关与小宽带光源连接，信号发生器对通过第一SOA高速光电开关的光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns，信号发生器产生两路同源的周期性脉冲信号，第一路信号输出给第一SOA高速光电开关；

取样模块包括第二SOA高速光电开关，其与环形器、信号发生器和光谱分析仪连接，信号发生器产生的第二路信号输出给第二SOA高速光电开关，调节第二路信号，使其与第一路信号产生时延，该第二SOA高速光电开关以ns级开关速度对环形器输出的经光纤光栅反射回来的光脉冲在时域内进行选择和分离；当第二SOA高速光电开关打开时，允许到达的光信号通过并进行放大；否则，吸收光信号。

本发明所述的装置中，所述放大器为掺铒光纤放大器。

本发明所述的装置中，当所述待检测对象为弱光栅阵列时，光纤光栅之间的间隔距离应大于：其中c为真空中的光传播速度，n＝1.5为光纤纤芯的折射率，t1为调制模块的调制脉冲宽度，t2为取样模块的取样脉冲宽度。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

提供一种弱光栅检测方法，其基于上述装置，包括以下步骤：

将已测定反射率的标准光栅与环形器的输出端口熔接，通过调节调制模块得到相应的调制脉冲频率和脉冲宽度，精确调节脉冲串之间的延时，使标准光栅的反射峰最大，通过光谱分析仪测得标准光栅的反射谱，得到标准光栅的峰值功率：

将在线刻写的单个光纤光栅或者包含多个低反射率光纤光栅的弱光栅阵列的一端与环形器的输出端口熔接，并将另一端浸入匹配液中，以减小端面反射的影响；

确定调制脉冲频率和脉冲宽度，当待检测对象为弱光栅阵列时，则根据调制脉冲频率和脉冲宽度确定光栅之间的间隔距离；

通过信号源调节两路同源的周期性脉冲信号，使两路信号产生时延；

根据光谱分析仪中反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射光信号，若存在，则再精确调整脉冲串之间的时延，使反射峰值最大，再根据时延计算光纤光栅的位置；

比较光栅反射峰值功率与标准光栅反射峰值功率之间的差异，计算被测光栅的反射率。

本发明所述的方法中，当检测到满足要求的布拉格反射光信号时，对应的反射光栅距离调制模块的距离其中τ_i为时延，c为真空中的光速，n_e为纤芯的有效折射率。

本发明所述的方法中，当待检测对象为弱光栅阵列时，弱光栅阵列中第i个光栅的反射率Ri为：R_i＝R₀-(P_r-P_i)+Δ_i，其中P_r为标准光栅的峰值功率，P_i为第i个光栅的峰值功率，R₀为标准光栅的反射率，Δ_i为反射率修正值。

本发明所述的方法中，对于不同波长的弱光栅阵列，Δ_i的计算公式为：Δ_i＝2*α*L_i，其中α为光纤的衰减系数，L_i为第i个反射光栅距离调制模块的距离。

对于相同波长的弱光栅阵列，Δ_i的计算公式为：Δ_i＝2*α*L_i-lg[R(λ)(1-R(λ))^2(i-1)]，其中R(λ)为光栅阵列的平均反射率。

本发明产生的有益效果是：本发明的大规模弱光栅阵列检测装置，包括小宽带光源、调制模块、环形器、取样模块和光谱分析仪；调制模块和取样模块协调工作，在时域上分离不同光栅的反射信号，光谱分析仪用于分析光栅反射谱质量和反射率。待检测弱反射率的布拉格光纤光栅阵列可以由全同光纤光栅或多波长光纤光栅，也可以是成缆光栅。本发明以标准光栅的反射谱作为参考，通过分离并放大弱光栅阵列中单个光栅的反射信号，对比计算单个光栅的真实反射率，同时准确定位单个光栅的位置。该装置可以对光栅反射率进行在线测量和定位，并分析光栅所处的状态，非常适用于大规模光栅阵列在线刻写工艺参数的监控，或野外施工质量的检查，具有广阔的应用前景。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例大规模弱光栅阵列检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例弱光栅检测方法的流程图；

图3为本发明较佳实施例基于时分复用的大规模弱光栅阵列检测装置的结构图；

图4为标准光栅和1#被测光栅的反射谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例弱光栅检测装置，既适用于单个光栅的检测也适用于具有多个弱光纤光栅的光栅阵列，还可使用于大规模的光栅阵列。如图1所示，为检测大规模弱光栅阵列的检测装置示意图。该检测装置包括小宽带光源1、调制模块2、放大器3(本发明的一个较佳实施例中可选用掺铒光纤放大器)、环形器4、取样模块5和光谱分析仪6；小宽带光源1提供2～6nm的宽谱连续光功率信号；小宽带光源1连接调制模块2，调制模块2输出的光信号经过掺铒光纤放大器放大后，通过环形器4的一个端口耦合进待检测对象，待检测对象为单个光纤光栅或者包含多个低反射率光纤光栅的弱光栅阵列，本发明实施例中以检测大规模弱光栅阵列为例，其中弱光栅阵列的中心波长可以相同也可以不同。待检测的弱反射率的布拉格光纤光栅阵列可以由全同光纤光栅或多波长光纤光栅，也可以是成缆光栅。环形器4的另一个端口连接取样模块5；取样模块5连接光谱分析仪6。

本发明的一个实施例中，调制模块2包括第一SOA高速光电开关8和信号发生器9，第一SOA高速光电开关8与小宽带光源1连接，信号发生器9对通过第一SOA高速光电开关8的光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns。信号发生器9产生两路同源的周期性脉冲信号，第一路信号输出给第一SOA高速光电开关8；

取样模块5包括第二SOA高速光电开关10，其与环形器4、信号发生器9和光谱分析仪6连接，信号发生器9产生的第二路信号输出给第二SOA高速光电开关10，调节第二路信号，使其与第一路信号产生时延，该第二SOA高速光电开关10以ns级开关速度对环形器4输出的经光纤光栅反射回来的光脉冲在时域内进行选择和分离，当第二SOA高速光电开关10打开时，允许到达的光信号通过并进行放大；否则，吸收光信号。可通过调节第二路信号对第一路信号的时延差，使取样模块5分离光纤上不同位置的光强反射信号。

当所述待检测对象为弱光栅阵列时，多个低反射率的光纤光栅之间的间隔距离取决于调制模块2的调制脉冲宽度和取样模块5取样脉冲的宽度；光纤光栅之间的间隔距离大于：其中c为真空中的光传播速度，n＝1.5为光纤纤芯的折射率，t1为调制脉冲宽度，t2为取样脉冲宽度。

系统的工作过程如下：小宽带光源1输出的连续光经过调制模块2调制后，形成放大的宽谱光脉冲信号，经过掺铒光纤放大器3放大后，通过环形器3耦合进入待检测对象7，反射回来的光脉冲信号进入取样模块5，取样模块根据设定的时延差，以ns级速度控制第二SOA高速光电开关10打开和关断，以及保持打开状态的时间长度。当SOA打开时，经过的反射光脉冲被允许通过并获得放大；反之，对反射脉冲阻止光信号通过。光谱分析仪6根据反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射，确定布拉格反射后再精确调整脉冲串之间的延时，使反射峰值最大，再根据时延差计算光纤光栅的位置，并比较光栅反射峰值功率与标准光栅反射峰值功率之间的差异，计算被测光栅的反射率。

如图2所示，本发明实施例大规模弱光栅阵列检测方法，其基于上述实施例的大规模弱光栅阵列检测装置，以标准光栅的反射谱作为参考，通过分离并放大弱光栅阵列中单个光栅的反射信号，对比计算单个光栅的真实反射率，同时准确定位单个光栅的位置，可以对光栅反射率进行在线测量和定位，并分析光栅所处的状态，非常适用于大规模光栅阵列在线刻写工艺参数的监控，或野外施工质量的检查，具有广阔的应用前景。该检测方法包括以下步骤：

S201、将已测定反射率的标准光栅与环形器的输出端口熔接，通过调节调制模块得到相应的调制脉冲频率和脉冲宽度，精确调节脉冲串之间的延时，使标准光栅的反射峰最大，通过光谱分析仪测得标准光栅的反射谱，得到标准光栅的峰值功率：

S202、将在线刻写的单个光纤光栅或者包含多个低反射率光纤光栅的弱光栅阵列的一端与环形器的输出端口熔接，并将另一端浸入匹配液中，以减小端面反射的影响；

S203、确定调制脉冲频率和脉冲宽度，当待检测对象为弱光栅阵列时，则根据调制脉冲频率和脉冲宽度确定光栅之间的间隔距离；

S204、通过信号源调节两路同源的周期性脉冲信号，使两路信号产生时延；

S205、根据光谱分析仪中反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射光信号；在本发明的实施例中，直接调节信号发生器，使两路输出信号产生时延。

S206、若存在布拉格反射光信号，则再精确调整脉冲串之间的时延，使反射峰值最大，再根据时延计算光纤光栅的位置；

S207、比较光栅反射峰值功率与标准光栅反射峰值功率之间的差异，计算被测光栅的反射率。

光纤光栅位置检测的原理如下：

假定信号发生器产生的两路信号为S1和S2，S2与S1的时延为τ_i，此时检测到满足要求的布拉格反射光信号，则对应的反射光栅距离第一SOA高速光开关端口的距离为：

$L_i=\frac{{\mathrm{\τ}}_{i}c}{2n_e}$

光栅之间的间隔距离由调制脉冲和取样脉冲的宽度决定，脉冲的宽度越宽，要求光栅之间的间隔距离越大，假定光传播速度c，光纤纤芯的折射率n＝1.5，调制脉冲宽度t1，取样脉冲宽度t2，则实际取样长度：

$L^{\′}=\frac{(t_1+t_2)*c}{2n}$

例如，采用单激光脉冲照射，调制脉冲宽度30ns，取样脉冲宽度20ns，则实际取样长度为5m，即光栅之间的理论间隔距离需大于5m，否则两个相邻光栅之间的反射光将会出现串扰。非相邻光栅之间的反射信号时延远大于脉冲宽度，不会在取样期间产生串扰。因此，只要设计的光栅间隔大于实际取样长度，即可完全避免相邻光栅之间的反射串扰。由于SOA具有极高的响应速度，能产生10ns以下的光脉冲，光栅之间的理论间隔距离只需大于2m，系统便能实现无串扰查询。但采用上述检测装置对光栅进行定位时，选择调制脉冲宽和取样脉冲宽度相同，以ns的时间单位调节延时，当反射脉冲和取样脉冲在时域上完全重合时，光谱分析仪上光栅的反射信号最强，此时的时延精确对应光栅的位置。由于SOA调制脉冲具有不规则的脉冲形状，时延调节误差在1ns左右，因此，对于硅光纤上光栅的位置误差小于0.1m。

采用上述检测装置检测标准光栅的反射率，如反射率-20dB(对应1％)光栅，保存其光谱和峰值功率Pr；然后将待检测的光栅阵列(或成缆光栅)与环形器4的2号输出端口熔接，调节信号源的时延，获得不同位置光栅的最大反射信号，标明其峰值功率Pi(单位dBm)。则第i个光栅的反射率Ri(单位dBm)为：

R_i＝R₀-(P_r-P_i)+Δ_i(Δi为反射率修正值)

R₀为标准光栅的反射率，对于不同波长的弱光栅阵列，考虑不同位置上光栅的光信号往返传输损耗的影响，Δi的计算公式为：

Δ_i＝2*α*L_i

其中α为光纤的衰减系数，L_i为第i个反射光栅距离调制模块的距离。对于相同波长的弱光栅阵列，除了考虑不同位置上的传输损耗，上游光栅对下游光栅反射谱峰值功率的影响(即阴影效应)也应予以考虑，Δi计算公式为：

Δ_i＝2*α*L_i-lg[R(λ)(1-R(λ))^2(i-1)](R(λ)为光栅阵列的平均反射率)

由于该检测装置中除了有两个SOA的增益，还可以增加EDFA提升信号功率，使该检测装置可以检测到反射率-55dB光栅的反射信号，因此，该装置检测光栅反射率的范围-20dB～55dB，具有35dB的大动态范围，这非常适合各种反射率阵列的测量。此外，由于第二个SOA隔离了其它光栅的反射信号，光谱仪能对目标光栅反射信号进行积分。对于不同长度的光栅阵列，通过调节脉冲信号的频率来增加响应时间内积分脉冲的数量，改善信号的强度，避免了传统OTDR通过增加脉冲宽度来扩大测量范围的方法，使不同量程下，该装置的定位精度保持不变。

本发明的弱光栅检测装置及其检测方法的优点在于：系统操作方便，无需截断光纤，可以实现在线检测；能精确定位单个光栅的位置，定位精度可以到达0.1m；能准确检测单个光栅的反射率，测量范围在-20dB～-55dB，动态范围35dB；能提取单个光栅的反射谱，在线分析光栅反射谱的质量，调整刻写参数，实现刻写工艺参数的在线监测；也可以用于成缆光栅铺设质量的检查，分析光栅阵列或成缆光栅上的各种故障，并定位故障的位置。

本发明一个较佳实施例中，采用上述方法来对1000个光栅阵列中的单个光栅反射率进行测量，根据图3中装置的结构示意图，其具体实施步骤是：

1、将标准反射率0.2％(-28dB)光栅接入环形器的2端口，采用调制脉冲频率40KHz,脉冲宽度16ns双路信号驱动两个SOA，查询到光栅的反射峰值功率最大时对应的位置，采用光谱分析仪测得其反射谱如图4，峰值功率Pr为-46.456dBm：

2、选用武汉理工大学光纤中心在线刻写的反射率0.01％～0.002％(-40dB～-47dB)，平均反射率-43dB，光栅间距2m，布拉格中心波长1551.37nm，阵列总长度2km，传输损耗系数0.35dB/km。将光栅阵列的一端与环形器的2端口熔接，并另一端浸入匹配液中，来减小端面反射的影响。

3、确定调制脉冲频率40KHz,脉冲宽度16ns，调节时延，使光栅的反射峰值最大，延时值为201ns，获取1#光栅的反射谱如图4，反射谱峰值-63.445dBm.

4、将装置调节到1000-th光栅，测得该光栅的峰值反射谱。读取与参考谱之间的差值为-18.5dB，计算该光栅的峰值反射率为-46.5dB。按上述方法计算，阴影效应的影响为0.69dB，传输损耗为5*0.0.35*2＝3.5dB，修正后该光栅的反射率为-42.31dB。我们将光栅阵列反向接入测量系统，此时1-th(对应正向的1000-th光栅)反射率测量为-42.52dB，略小于计算值。0.21dB误差主要与光栅平均反射率精度、峰值波长的随机分布有关，可以忽略。

5、为了进一步验证测量精度，测量阵列的前十个光栅，其反射率分别为：-45,-44,-42.5,-43,-42,-43.5,-43.2,-41.8,-42.5,-44.5dB，计算其平均值为-43.2dB,与平均法测量的结果非常接近。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种弱光栅检测方法，该方法基于弱光栅阵列检测装置，包括小宽带光源、调制模块、放大器、环形器、取样模块和光谱分析仪；小宽带光源提供2～6nm的宽谱连续光功率信号；小宽带光源连接调制模块，调制模块输出的光信号经过放大器放大后，通过环形器的一个端口耦合进入待检测对象，所述待检测对象为单个光纤光栅或者包含多个低反射率光纤光栅的弱光栅阵列；环形器的另一个端口连接取样模块；取样模块连接光谱分析仪；其特征在于，该方法包括以下步骤：

将已测定反射率的标准光栅与环形器的输出端口熔接，通过调节调制模块得到相应的调制脉冲频率和脉冲宽度，精确调节脉冲串之间的延时，使标准光栅的反射峰最大，通过光谱分析仪测得标准光栅的反射谱，得到标准光栅的峰值功率：

将在线刻写的单个光纤光栅或者包含多个低反射率光纤光栅的弱光栅阵列的一端与环形器的输出端口熔接，并将另一端浸入匹配液中，以减小端面反射的影响；

确定调制脉冲频率和脉冲宽度，当待检测对象为弱光栅阵列时，则根据调制脉冲频率和脉冲宽度确定光栅之间的间隔距离；

通过信号源调节两路同源的周期性脉冲信号，使两路信号产生时延；

根据光谱分析仪中反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射光信号，若存在，则再精确调整脉冲串之间的时延，使反射峰值最大，再根据时延计算光栅的位置；

比较光栅反射峰值功率与标准光栅反射峰值功率之间的差异，计算被测光栅的反射率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当检测到满足要求的布拉格反射光信号时，对应的反射光栅距离调制模块的距离其中τ_i为时延，c为真空中的光速，n_e为纤芯的有效折射率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当待检测对象为弱光栅阵列时，弱光栅阵列中第i个光栅的反射率R_i为：R_i＝R₀-(P_r-P_i)+Δ_i，其中P_r为标准光栅的峰值功率，P_i为第i个光栅的峰值功率，R₀为标准光栅的反射率，Δ_i为反射率修正值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

对于不同波长的弱光栅阵列，Δ_i的计算公式为：Δ_i＝2*α*L_i，其中α为光纤的衰减系数，L_i为第i个反射光栅距离调制模块的距离；

对于相同波长的弱光栅阵列，Δ_i的计算公式为：Δ_i＝2*α*L_i-lg[R(λ)(1-R(λ))^2(i-1)]，其中R(λ)为光栅阵列的平均反射率。