CN103808342A - 大容量弱光栅传感网络高速解调方法和装置 - Google Patents

Abstract

大容量弱光栅传感网络高速解调方法，包括：1）在光纤上依次刻写多个弱光栅FBGr、FBG1、FBG2、FBG3……，其中FBGr作为参考光栅，FBG1、FBG2、FBG3……分为m（m≥1）组全同弱光栅阵列，构成传感网络；2）脉冲激光器产生脉冲光，经光环形器进入参考光栅和传感网络，各弱光栅的反射信号返回光环形器后进入掺铒光纤放大器进行放大；3）放大后的反射信号送入色散补偿光纤，利用光电探测器接收各弱光栅反射信号的时间，通过高速数据采集系统进行信号处理，获得传感网络中各弱光栅的波长变化，实现解调。大容量弱光栅传感网络高速解调装置，主要由脉冲激光器、光环形器、刻有多个弱光栅的光纤、掺铒光纤放大器、色散补偿光纤、光电探测器和高速数据采集系统构成。

Description

大容量弱光栅传感网络高速解调方法和装置

技术领域

本发明属于光纤光栅传感领域，具体地指一种大容量弱光栅传感网络高速解调方法和装置，适用于多点数和多参量测量的大容量弱光栅传感网络。

背景技术

光纤传感技术是近年来国际上发展最快的高科技应用技术之一，光纤传感是利用光纤来感知获取信息，并传输感知的信息，其中光纤既作为传感单元又作为传输媒介。光纤传感具有抗电磁干扰、远距离传输、易组网、高灵敏、高可靠等优越性，这些优越性是目前其它传感技术所无法比拟的，尤其是对于恶劣环境条件下的传感应用，光纤传感甚至是不可替代的技术。目前，光纤传感技术的应用已经逐步从军事领域发展到了电力、石油、石化、交通和建筑等各个工业领域。

光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是光纤传感技术的一个重要研究领域，它可以实现温度、应变、位移、振动等多种参量的传感，特别适合于构建多参量大容量的光纤传感网络。目前光纤光栅组网技术主要采用的是波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、空分复用（Space Division Multiplexing，SDM）和时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）等技术。其中，波分复用技术是光纤光栅传感技术中最为常见的复用技术，其优点是信号强、传输快、可多参量组网，但受光源带宽的限制，传感网络中的传感器数量一般只有几十个；空分复用技术采用并行网络结构，传感器之间没有影响，因此串扰低、信噪比高且不受光源的带宽限制，但缺点是测量点数少、功率的利用率较低，往往和WDM技术结合采用以增加测量点数；时分复用技术是通过FBG传感器反射信号的时间差来区分传感器，各传感器可以工作在相同的波长范围，所以传感器数量不受光源带宽影响，复用容量大，且每个传感器具有更大的动态测量范围。因此，时分复用技术是开发大容量光纤光栅传感网络的一个重要的发展方向。

随着光纤传感器应用规模不断扩展、传感能力快速增强、传感器种类日益丰富、传感应用需求灵活多样，光纤传感技术正朝着大容量、高速化、长距离和高性能的光纤传感网络的方向持续发展。大容量的光纤传感网络主要有两方面要求，一是要求测量的点数多，如对大飞机的智能检测往往需要多达上万个点数的传感测量，在海洋资源勘探中多达上万道传感单元的大容量网络也是迫切要求；二是要求测量的参量多，如在一根光纤中对温度、应力、振动、加速度、流量、湿度、气压等多达几十个参量的测量。目前，有些光纤传感网络能实现几千个点数的测量，但仅能实现温度和应变等缓慢变化参量的传感，不能实现更多参量的传感；而有些光纤传感网络能满足多参量的测量要求，但测量点数有限。利用时分复用技术采用大容量弱光栅构建的传感网络能够同时实现多点数和多参量测量，然而现有的传感网络解调方式响应时间长，且难以测量动态变化信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种大容量弱光栅传感网络高速解调方法和装置，仅需一个光脉冲就能够获取光纤上所有光栅反射光的详细信息，并将光栅反射波长的漂移转换为延时的变化，从而大大缩短波长解调时间。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种大容量弱光栅传感网络高速解调方法，包括如下步骤：

1）在光纤上依次刻写多个弱光栅FBGr、FBG1、FBG2、FBG3……，其中FBGr作为参考光栅，FBG1、FBG2、FBG3……分为m（m≥1）组全同弱光栅阵列，不同组弱光栅阵列的中心波长相同或者不同，m组全同弱光栅阵列构成传感网络；

2）脉冲激光器产生脉冲光，经光环形器进入参考光栅和传感网络，各弱光栅的反射信号返回光环形器后进入掺铒光纤放大器进行放大；

3）放大后的反射信号送入色散补偿光纤，不同波长的光在色散补偿光纤中延时不同，利用光电探测器接收各弱光栅反射信号的时间，通过高速数据采集系统进行信号处理，获得传感网络中各弱光栅的波长变化，实现解调；其中，对于传感网络中任一弱光栅：

Δλ=Δt/D

式中，Δλ为弱光栅的波长变化量，Δt为弱光栅的延时变化，Δt=t-t_r，t、t_r分别为弱光栅和参考光栅的反射信号接收时间，D为色散补偿光纤的总色散。

上述技术方案的所述步骤3）中，放大后的反射信号分别送入色散补偿光纤和一个参考通道，所述参考通道为忽略色散的普通光纤，用于消除色散补偿光纤长度扰动引起的测量误差；对于每一弱光栅，光电探测器接收到两个脉冲信号，分别由色散补偿光纤和参考通道产生，通过高速数据采集系统进行信号处理，获得传感网络中各弱光栅的波长变化，实现解调；其中，对于传感网络中第n个弱光栅FBGn：

Δt_n-Δt_r=D(λ)×L_D×(λ_n-λ_r)(n=1,2…)

式中，Δt_n为光电探测器接收到的弱光栅FBGn两个脉冲信号时间之差t′_n-t_n，Δt_r为光电探测器接收到的参考光栅FBGr两个脉冲信号时间之差t′_r-t_r，D(λ)、L_D分别为色散补偿光纤的色散系数和长度，λ_n为弱光栅FBGn的反射信号波长值，λ_r为参考光栅FBGr的中心波长值。

所述整个过程中，保持参考光栅FBGr恒温。

上述技术方案中，所述色散补偿光纤的色散系数为负值；所述传感网络中，第x组弱光栅的中心波长不大于第x-1组弱光栅的中心波长，x=2,3…m。

本发明提供的一种大容量弱光栅传感网络高速解调装置，包括脉冲激光器、光环形器、刻有多个弱光栅的光纤、掺铒光纤放大器、色散补偿光纤、光电探测器和高速数据采集系统；所述脉冲激光器与刻有多个弱光栅的光纤一端相连，多个弱光栅依次为FBGr、FBG1、FBG2、FBG3……，其中FBGr作为参考光栅，FBG1、FBG2、FBG3……分为m（m≥1）组全同弱光栅阵列，不同组弱光栅阵列的中心波长相同或者不同，m组全同弱光栅阵列构成传感网络；光环形器的另一输出端依次经掺铒光纤放大器、色散补偿光纤与光电探测器相连，利用色散补偿光纤的色散效应进行波长-时间的转换，光电探测器的信号输出端与高速数据采集系统连接，用于进行信号处理以实现传感网络中各弱光栅波长变化的解调；高速数据采集系统还与脉冲激光器的控制端相连，用于实现脉冲信号的控制。

上述技术方案中，所述色散补偿光纤的两端分别通过光耦合器与一根普通光纤的两端连接，所述普通光纤的色散可忽略，用作参考通道以消除色散补偿光纤长度扰动引起的测量误差。

上述技术方案中，所述参考光栅FBGr处设有恒温控制设备，用于保持参考光栅FBGr处于恒温状态；

上述技术方案中，所述色散补偿光纤的色散系数为负值；所述传感网络中，第x组弱光栅的中心波长不大于第x-1组弱光栅的中心波长，x=2,3…m。

本发明在实际应用过程中，为避免由色散补偿光纤和参考通道产生的脉冲信号存在部分重叠，还要求光在色散补偿光纤中的延时不小于在传感光纤中的延时：

式中，L为传感光纤长度，L_D为色散补偿光纤长度。若传感光纤与色散补偿光纤折射率相同，则上式简化为：

L×2≤L_D

假设光脉冲宽度为1ns，色散补偿光纤长度L_D=10km，色散系数为-150ps/nm/km，传感光纤和色散补偿光纤的折射率均取n=1.5（便于计算），可得色散补偿光纤的总色散D=-1500ps/nm，即1pm的波长变化会导致τ=1.5ps的延时变化。若传感器的空间间隔（传感网络中相邻两个弱光栅的间距）S=1m，则时域上相邻两个弱光栅反射脉冲信号的间隔t_d约为10ns，可得传感器动态范围约为t_d/τ≈6500pm（忽略光脉冲宽度），即6500με。在此条件下，解调频率F与最大检测距离L（也即传感光纤长度）之间的关系大致为：

在L_D=10km，传感光纤最大长度L_max=5km时，解调频率F可达10kHz。

因此，与现有技术相比，本发明实现了大容量弱光栅传感网络上所有光栅的快速解调。

附图说明

图1为本发明一个实施例的工艺流程暨装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明的一种大容量弱光栅传感网络高速解调装置，包括脉冲激光器、光环形器、刻有多个弱光栅的光纤、掺铒光纤放大器、色散补偿光纤、参考通道、光电探测器和高速数据采集系统。ASE光源依次经电光调制器和光环形器与刻有多个弱光栅的光纤一端相连，多个弱光栅依次为FBGr、FBG1、FBG2、FBG3……，其中FBGr作为参考光栅，FBG1、FBG2、FBG3……分为m（m≥1）组全同弱光栅阵列，不同组弱光栅阵列的中心波长可以相同或者不同，相同时组成时分复用（TDM）传感网络，不同时组成波分/时分（WDM/TDM）复用传感网络。光环形器的另一输出端与掺铒光纤放大器连接，色散补偿光纤一端和作为参考通道的一根普通光纤的一端通过光耦合器与掺铒光纤放大器的信号输出端相连、二者的另一端通过光耦合器与光电探测器相连，该普通光纤的色散可忽略，用于消除色散补偿光纤长度扰动引起的测量误差。光电探测器的信号输出端与高速数据采集系统连接，用于进行信号处理以实现传感网络中各弱光栅波长变化的解调，高速数据采集系统还与前述脉冲激光器的控制端相连，用于实现脉冲信号的控制。

应用上述装置实现本发明方法的过程为：脉冲激光器产生脉冲光沿光纤传输，经光环形器进入参考光栅和传感网络，各弱光栅的反射信号返回光环形器后进入掺铒光纤放大器进行放大。放大后的反射信号送入色散补偿光纤，不同波长的光在色散补偿光纤中延时不同，利用光电探测器接收各弱光栅反射信号的时间，通过高速数据采集系统进行信号处理，即可获得传感网络中各弱光栅的波长变化，实现解调。其中，对于传感网络中任一弱光栅：

Δλ=Δt/D

式中，Δλ为弱光栅的波长变化量，Δt为弱光栅的延时变化，Δt=t-t_r，t、t_r分别为弱光栅和参考光栅的反射信号接收时间，D为色散补偿光纤的总色散。本发明优选对参考光栅FBGr采用恒温控制，这样参考光栅FBGr的波长将恒定不变且已知，则以参考光栅FBGr反射信号的接收时间t_r为起始时间，计算其它弱光栅反射信号的接收时间（t₁、t₂、t₃…）与t_r的差值，就能获取传感网络中各弱光栅反射波长的变化，实现解调。

由于不同位置的传感弱光栅，其光脉冲信号在传感光纤中的传输距离不同因而具有不同延时，为避免光脉冲信号在传感光纤和色散补偿光纤中的延时在解调过程中产生串扰，要求序号靠后的弱光栅对序号靠前的弱光栅不产生因中心波长而产生的影响，即色散补偿光纤的色散系数为负值，且传感网络中，第x组弱光栅的中心波长不大于第x-1组弱光栅的中心波长，x=2,3…m。

上述过程是针对仅使用色散补偿光纤实现解调的过程，由于本发明提出的解调技术是利用ps量级的光延时变化反应光波长的变化，若环境参量（如温度）变化，会导致传输光纤和色散补偿光纤的长度变化，从而显著影响解调结果，因此优选设置参考通道解决这一问题。

参考通道是一根短距离普通光纤，色散可忽略，色散补偿光纤则较长。对于每一弱光栅，光电探测器都会接收到两个脉冲信号，分别由色散补偿光纤和参考通道产生。则以?t_r=t′_r-t_r为基准，任一弱光栅反射脉冲的Δt与Δt_r的差值就能反映波长变化量。具体来说，对于传感网络中第n个弱光栅FBGn：

Δt_n-Δt_r=D(λ)×L_D×(λ_n-λ_r)(n=1,2…)

式中，Δt_n为光电探测器接收到的弱光栅FBGn两个脉冲信号时间之差t′_n-t_n，t′_n为色散补偿光纤产生的信号，t_n为参考通道产生的信号；Δt_r为光电探测器接收到的参考光栅FBGr两个脉冲信号时间之差t′_r-t_r，t′_r为色散补偿光纤产生的信号，tr为参考通道产生的信号；D(λ)、L_D分别为色散补偿光纤的色散系数和长度，λ_n为弱光栅FBGn的反射信号波长值，λ_r为参考光栅FBGr的中心波长值。通过测量Δt_n和Δt_r即可精确解调各传感弱光栅的波长。

本发明的核心在于色散补偿光纤的设置，将波长变化转化为脉冲信号的延时，仅需一个光脉冲就能通过测量脉冲信号的时间差，获得全部传感光栅的波长变化值，突破了现有大容量弱光栅构建的传感网络解调技术响应时间长、难以测量动态变化信号的难题。所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：参考通道的设置是为了消除色散补偿光纤长度扰动引起的测量误差，如果环境条件允许，不设置参考通道也能够实现本发明技术方案等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种大容量弱光栅传感网络高速解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在光纤上依次刻写多个弱光栅FBGr、FBG1、FBG2、FBG3……，其中FBGr作为参考光栅，FBG1、FBG2、FBG3……分为m（m≥1）组全同弱光栅阵列，不同组弱光栅阵列的中心波长相同或者不同，m组全同弱光栅阵列构成传感网络；

2）脉冲激光器产生脉冲光，经光环形器进入参考光栅和传感网络，各弱光栅的反射信号返回光环形器后进入掺铒光纤放大器进行放大；

3）放大后的反射信号送入色散补偿光纤，不同波长的光在色散补偿光纤中延时不同，利用光电探测器接收各弱光栅反射信号的时间，通过高速数据采集系统进行信号处理，获得传感网络中各弱光栅的波长变化，实现解调；其中，对于传感网络中任一弱光栅：

Δλ=Δt/D

式中，Δλ为弱光栅的波长变化量，Δt为弱光栅的延时变化，Δt=t-t_r，t、t_r分别为弱光栅和参考光栅的反射信号接收时间，D为色散补偿光纤的总色散。

2.根据权利要求1所述的大容量弱光栅传感网络高速解调方法，其特征在于：所述步骤3）中，放大后的反射信号分别送入色散补偿光纤和一个参考通道，所述参考通道为忽略色散的普通光纤，用于消除色散补偿光纤长度扰动引起的测量误差；对于每一弱光栅，光电探测器接收到两个脉冲信号，分别由色散补偿光纤和参考通道产生，通过高速数据采集系统进行信号处理，获得传感网络中各弱光栅的波长变化，实现解调；其中，对于传感网络中第n个弱光栅FBGn：

Δt_n-Δt_r=D(λ)×L_D×(λ_n-λ_r)(n=1,2…)

式中，Δt_n为光电探测器接收到的弱光栅FBGn两个脉冲信号时间之差t′_n-t_n，Δt_r为光电探测器接收到的参考光栅FBGr两个脉冲信号时间之差t′_r-t_r，D(λ)、L_D分别为色散补偿光纤的色散系数和长度，λ_n为弱光栅FBGn的反射信号波长值，λ_r为参考光栅FBGr的中心波长值。

3.根据权利要求1或2所述的大容量弱光栅传感网络高速解调方法，其特征在于：在整个过程中，保持参考光栅FBGr恒温。

4.根据权利要求1或2所述的大容量弱光栅传感网络高速解调方法，其特征在于：所述色散补偿光纤的色散系数为负值；所述传感网络中，第x组弱光栅的中心波长不大于第x-1组弱光栅的中心波长，x=2,3…m。

5.根据权利要求3所述的大容量弱光栅传感网络高速解调方法，其特征在于：所述色散补偿光纤的色散系数为负值；所述传感网络中，第x组弱光栅的中心波长不大于第x-1组弱光栅的中心波长，x=2,3…m。

6.一种大容量弱光栅传感网络高速解调装置，其特征在于：包括脉冲激光器、光环形器、刻有多个弱光栅的光纤、掺铒光纤放大器、色散补偿光纤、光电探测器和高速数据采集系统；所述脉冲激光器与刻有多个弱光栅的光纤一端相连，多个弱光栅依次为FBGr、FBG1、FBG2、FBG3……，其中FBGr作为参考光栅，FBG1、FBG2、FBG3……分为m（m≥1）组全同弱光栅阵列，不同组弱光栅阵列的中心波长相同或者不同，m组全同弱光栅阵列构成传感网络；光环形器的另一输出端依次经掺铒光纤放大器、色散补偿光纤与光电探测器相连，利用色散补偿光纤的色散效应进行波长-时间的转换，光电探测器的信号输出端与高速数据采集系统连接，用于进行信号处理以实现传感网络中各弱光栅波长变化的解调；高速数据采集系统还与脉冲激光器的控制端相连，用于实现脉冲信号的控制。

7.根据权利要求6所述的大容量弱光栅传感网络高速解调装置，其特征在于：所述色散补偿光纤的两端分别通过光耦合器与一根普通光纤的两端连接，所述普通光纤的色散可忽略，用作参考通道以消除色散补偿光纤长度扰动引起的测量误差。

8.根据权利要求6或7所述的大容量弱光栅传感网络高速解调装置，其特征在于：所述参考光栅FBGr处设有恒温控制设备，用于保持参考光栅FBGr处于恒温状态。

9.根据权利要求6或7所述的大容量弱光栅传感网络高速解调装置，其特征在于：所述色散补偿光纤的色散系数为负值；所述传感网络中，第x组弱光栅的中心波长不大于第x-1组弱光栅的中心波长，x=2,3…m。

10.根据权利要求8所述的大容量弱光栅传感网络高速解调装置，其特征在于：所述色散补偿光纤的色散系数为负值；所述传感网络中，第x组弱光栅的中心波长不大于第x-1组弱光栅的中心波长，x=2,3…m。

Images