CN103986521A - 一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络，其主要由控制中心、光开关、通路选择与延时节点和弱反射光纤光栅传感子网构成。控制中心通过光开关与各个传感子网相连，并通过切换不同的时段解调各个传感子网的传感信号，各个传感子网由通路选择与延时节点自动选择通路。通路选择与延时节点使得传感子网支路互为备用路径，通过探测信号的变化，计算机能够直接控制备用路径的启用，无需人工干预，自动化程度高。传感网通过并联多个传感子层，易于扩展，每个子层的传感器通过时分方式进行寻址，突破了光源频谱资源不足的限制，满足了构建大容量、高可再生性和可靠性的光纤光栅传感系统的要求。

Description

一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络。

背景技术

随着社会的不断发展，电力、石油化工、核工业以及基础建设等行业的高速增长使得安全生产成为一个世界性的问题，因此，实现温度、应变、位移等这些现代工业生产和环境监测中的重要参数的准确测量有着极其重要的意义。光纤光栅传感器具有重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，采用波长作为传感信号编码，可以组建光纤传感网络，传感器精度高，易于集成。恶劣的监测环境对光纤光栅传感网提出了更高的要求，现在这类传感技术研究的关键问题是如何设计出大容量、高安全性和可靠性的光纤光栅传感网络。

为了增加单根光纤串联光栅的数量，各种复用技术被引入。采用基于弱反射光栅(如0.1％反射率)的时分复用技术,理论上一根光纤上可以串联数百个光栅；若能进一步降低光栅的反射率(如0.01％反射率)，则系统容量将获得大幅提升。然而，传统复用技术所构建的传感器网络的网络拓扑结构都是简单地串并联，当网络损坏时，将导致部分传感器失效，例如专利CN102914321提出的“一种极弱光纤光栅传感系统及其查询方法”通过采用极弱反射光栅，使单根光纤上串接的传感器突破数万个，然而其并未考虑光栅之间连接点发生断裂的情况，没有自愈性和可再生性，其可靠性和安全性大大降低。

目前自愈性研究主要针对波分复用网络展开的，例如专利CN101917229提出的“基于光延迟的可自愈的大容量光纤传感网”采用波分复用和空分复用方式，光纤光栅连接点断裂时，通过切换到备用通路达到自愈的目的，具备一定的可再生性。但如果备用通路也发生损坏，该结构也将无法正常工作；而且波分复用方式导致每个子网串联的光栅个数十分有限，而通过光开关阵列增加子网个数，加大了系统的扫描周期。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对采用时分复用的光纤光栅传感网络结构其可再生性和安全性的不足，提供一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络，主要由控制中心，1×N光开关，N个通路选择与延时节点和N个弱反射光纤光栅传感子网组成；其中N为≥3的正整数；为便于描述，每个光器件的端口从上到下，从左至右依次编号；

控制中心连接1×N光开关的第一端口；

每个弱反射光纤光栅传感子网包括2路光纤光栅传感器阵列；其中每一路光纤光栅传感器阵列由1根光纤及串联在该光纤上的至少1个光栅构成；

每个通路选择与延时节点包括前端节点和后端节点；其中

前端节点包括3×2光开关，分路器，前端可编程光缓存器和2×1光开关；3×2光开关的第一端口连接1×N光开关除第一端口外的其中一个端口，第二端口连接第一邻近弱反射光纤光栅传感子网的前端节点的3×2光开关的第四端口，第三端口连接2×1光开关的第二端口，第四端口连接第二邻近弱反射光纤光栅传感子网的前端节点的3×2光开关的第二端口，第五端口连接分路器的第一端口；分路器的第二端口经一路光纤光栅传感器阵列连接后端节点的耦合器的第一端口，第三端口经前端可编程光缓存器连接2×1光开关的第一端口；2×1光开关的第三端口经另一路光纤光栅传感器阵列连接后端节点的1×2光开关的第一端口；

后端节点包括1×2光开关，后端可编程光缓存器，耦合器，1×3光开关和节点掺铒光纤放大器；1×2光开关的第二端口经后端可编程光缓存器连接耦合器的第二端口，第三端口连接1×3光开关的第四端口；耦合器的第三端口连接1×3光开关的第一端口；1×3光开关的第二端口经节点掺铒光纤放大器连接第二邻近弱反射光纤光栅传感子网的后端节点的1×3光开关的第三端口，第三端口连接第一邻近弱反射光纤光栅传感子网的后端节点的节点掺铒光纤放大器的输出端。

上述方案中，控制中心包括可调谐激光器，马赫-曾德调制器，中心掺铒光纤放大器，环形器，光电探测器，脉冲信号发生器和计算机；可调谐激光器的输出端经马赫-曾德调制器与中心掺铒光纤放大器的输入端相连，中心掺铒光纤放大器的输出端连接环形器的第一端口，环形器的第二端口接1×N光开关的第一端口，环形器的第三端口经光电探测器与计算机的输入端相连，计算机的输出端连接可调谐激光器的控制端；脉冲信号源分别连接马赫-曾德调制器和计算机。

上述方案中，1×N光开关、3×2光开关，分路器，前端可编程光缓存器、2×1光开关、1×2光开关，后端可编程光缓存器，耦合器，1×3光开关和节点掺铒光纤放大器均为双向工作器件。

上述方案中，分路器第二端口和第三端口的分光比与耦合器第一端口和第二端口的分光比相一致。

上述方案中，分路器第一输出端和第二输出端的分光比为40:60，耦合器第一输入端和第二输入端的分光比也为40:60。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)设计了一种通路选择与延时节点，使得传感子网支路互为备用路径，通过探测信号的变化，计算机能够直接控制备用路径的启用，对光开关和光缓存器的操作全部由计算机根据反馈信号自行控制实现，无需人工干预，自动化程度高。

(2)传感网通过并联多个传感子层，易于扩展，每个子层的传感器通过时分方式进行寻址，突破了光源频谱资源不足的限制，满足了构建大容量、高可再生性和可靠性的光纤光栅传感系统的要求。

(3)通过读取脉冲延时量，经过简单计算即可获取光栅位置，实现对检测光栅和被测物理量的实时定位。且在故障发生时可以迅速确定故障点的位置，便于后期维护。

附图说明

图1是一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网结构示意图。该图中，1-1为控制中心，1-2为1×N光开关，1-3为通路选择与延时节点，1-4为弱反射光纤光栅传感子网。

图2为控制中心结构示意图。

图3为通路选择与延时节点结构及连接示意图。该图中，3-1为3×2光开关，3-2为分路器，3-3为前端可编程光缓存器，3-4为2×1光开关，3-5为1×2光开关，3-6为后端可编程光缓存器，3-7为耦合器，3-8为1×3光开关，3-9为节点掺铒光纤放大器。

图4为两级可编程光缓存器结构图。

图5为单一支路损坏开关切换示意图。

图6为单一支路损坏开关切换信号时序图。

图7为双支路损坏开关切换示意图。

图8为主路损坏开关切换示意图。

图9为主路和两支路损坏开关切换示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案和实现原理作进一步描述。

本发明一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络，如图1所示，它包括控制中心1-1，1×N光开关1-2(即总开关)，N个通路选择与延时节点1-3(即远端节点)和N个弱反射光纤光栅传感子网1-4(即传感子网)。控制中心1-1通过1×N光开关1-2连接N个弱反射光纤光栅传感子网1-4，弱反射光纤光栅传感子网1-4由通路选择与延时节点1-3连接构成环状结构。

所述控制中心1-1的作用是提供光源、解调传感信号以及通过计算机实现光开关和可编程光缓存器的控制。控制中心1-1的结构如图2所示，包括可调谐激光器，马赫-曾德调制器，中心掺铒光纤放大器，环形器，光电探测器，脉冲信号发生器和计算机，可调谐激光器与马赫-曾德调制器相连，马赫-曾德调制器与中心掺铒光纤放大器相连，中心掺铒光纤放大器与环形器第一端口相连，环形器第二端口连接1×N光开关1-2，环形器第三端口连接光电探测器，光电探测器通过数据端口与具有数据采集功能的计算机的输入端连接，计算机的输出端连接可调谐激光器。脉冲信号发生器与可调谐激光器和计算机连接以产生适合的脉冲信号。所述可调谐激光器发出信号至马赫-曾德调制器，马赫-曾德调制器连接脉冲信号发生器产生所需要的光脉冲信号，经中心掺铒光纤放大器放大后由环形器进入布拉格光纤光栅阵列，反射回的传感信号经光电探测器转换为电信号，并由计算机存储。同时计算机连接可调谐激光器以控制其输出波长，连接脉冲信号发生器以产生相应的脉冲调制信号，连接各光开关控制其切换状态，连接可编程光缓存器控制其缓存时间。通过使用1×N光开关1-2，可以很大地提高系统的复用能力，虽然增加了系统的监测周期，但与其他复用方式相比，仍有较高的扫描速率。

所述弱反射光纤光栅传感子网1-4采用星形-环型结构，各个子网采用空分方式与控制中心1-1相连，传感子网由两条光纤支路组成，每条支路以非等间距方式串联一定数量的光纤光栅传感器，其反射率一般小于1％，光栅的反射率视具体应用而定，采用时分复用方式寻址每个传感器。各个传感子网之间通过远端节点互连，必要时由光开关切换构成闭合环路。增大系统容量必然以降低监测频率为代价，因此子网的个数和规模要根据实际需要设计。

通路选择与延时节点1-3的结构如图3所示，其节点a、b和c完全相同，节点d、e和f完全相同，两组节点稍有不同，后者兼有一定的放大作用。节点内的光器件全部为可双向工作的器件，为便于描述，每个光器件的端口从上到下，从左至右依次编号，现以节点b和节点e为例说明节点内部连线情况：

节点b即前端节点包括3×2光开关3-1，分路器3-2，前端可编程光缓存器3-3和2×1光开关3-4。3×2光开关3-1的第一端口连接1×N光开关1-2除第一端口外的其中一个端口，第二端口连接第一邻近弱反射光纤光栅传感子网1-4的前端节点e的3×2光开关3-1的第四端口，第三端口连接2×1光开关3-4的第二端口，第四端口连接第二邻近弱反射光纤光栅传感子网1-4的前端节点a的3×2光开关3-1的第二端口，第五端口连接分路器3-2的第一端口。分路器3-2的第二端口经一路光纤光栅传感器阵列连接后端节点的耦合器3-7的第一端口，第三端口经前端可编程光缓存器3-3连接2×1光开关3-4的第一端口。2×1光开关3-4的第三端口经另一路光纤光栅传感器阵列连接后端节点的1×2光开关3-5的第一端口。

节点e与节点b内部连接相似，不同的是节点e还包括一个掺铒光纤放大器。节点e即后端节点包括1×2光开关3-5，后端可编程光缓存器3-6，耦合器3-7，1×3光开关3-8和节点掺铒光纤放大器3-9。1×2光开关3-5的第二端口经后端可编程光缓存器3-6连接耦合器3-7的第二端口，第三端口连接1×3光开关3-8的第四端口。耦合器3-7的第三端口连接1×3光开关3-8的第一端口。1×3光开关3-8的第二端口经节点掺铒光纤放大器3-9连接第二邻近弱反射光纤光栅传感子网1-4的后端节点d的1×3光开关3-8的第三端口，第三端口连接第一邻近弱反射光纤光栅传感子网1-4的后端节点f的节点掺铒光纤放大器3-9的输出端。上述分路器3-2第二端口和第三端口的分光比与耦合器3-7第一端口和第二端口的分光比相一致。为补偿功率损耗，其输出光功率较大的一端连接光开关和光缓存器，即分路器3-2第二端口和第三端口的分光比为40:60，耦合器3-7第一端口和第二端口的分光比也为40:60。

所述前端和后端可编程光缓存器3-6是基于半导体光开关矩阵的可调谐多进制的光缓存器，其最大延时时间达到ms量级，延时精度达到ns量级，延时量由计算机控制，并具有较低的插入损耗。1×N光开关1-2以及通路选择与延时节点1-3内的所有光器件(即3×2光开关3-1，分路器3-2，前端可编程光缓存器3-3、2×1光开关3-4、1×2光开关3-5，后端可编程光缓存器3-6，耦合器3-7，1×3光开关3-8和节点掺铒光纤放大器3-9均为双向工作器件)均为双工器件，其中节点掺铒光纤放大器3-9为前向放大，反向直通的双向器件。

远端节点不仅给光纤传感网络提供一条正常工作路径，在光纤光栅传感网络发生损坏时将自动切换通路，自动调节所需时延以保证每个传感光栅的信号顺序到达接收端，进而达到自愈的目的。对光开关和光缓存器的操作全部由计算机根据反馈信号自行控制实现，无需人工干预，自动化程度高；且可迅速判断故障点的位置，便于快速处置。

正常工作模式下的工作过程如下：可调谐激光器以一固定波长输出连续激光经过调制器调制，变为具有一定脉冲宽度的光脉冲，经掺铒光纤放大器放大后进入环形器，通过光开关的选择入射进某一弱反射光纤光栅传感子网1-4。在该子网内部，通过光缓存器的延时使得两路传感信号依次反射回来而不发生混叠，弱传感信号经过光电探测器转换为电信号，最后由数据处理计算机采集电信号并储存。数据处理计算机控制可调谐激光器实现pm量级调谐，重复上述步骤，直至完成一个周期的扫描，在该过程中，数据处理计算机根据各个弱反射传感信号到达接收端的时间来完成传感器的空间寻址，根据每个传感光栅反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射，通过记录产生布拉格反射时所对应的可调谐激光器的输出波长来实现传感信号的解调。在完成某一子网的解调后，通过光开关切换到下一个子网，直至完成所有传感子网的扫描。

光纤光栅空间寻址的具体原理如下：

假定调制脉冲宽度为t，相邻窄脉冲间的发射时间间隔(周期)为T，两光栅之间的距离为d，光纤纤芯有效折射率为n＝1.5，光速为c，则根据光时域反射检测原理，到达光电探测器接收端的信号时延差：

$\mathrm{\τ}=\frac{2\mathrm{nd}}{c}$

为避免光栅反射脉冲发生重叠，要求脉冲宽度t<τ，根据各个光脉冲的反射时延，经过简单的计算，可确定每个传感器的空间的位置。同时当有故障发生时，其反射光脉冲将发生缺失，由此也可以迅速确定故障点的位置，便于迅速进行处置。

系统中采用了多个光开关，其损耗主要来源于无源器件的插入损耗以及光纤的传输损耗。系统中光纤主要包括光纤光栅阵列和可编程光缓存器里用做延时的光纤延时线，但其总长度在数千米之内，因此光纤的传输损耗可以忽略不计。无源器件主要包括耦合器3-7和光开关。目前光开关的典型的插入损耗可以达到0.5dB，耦合器3-7的插入损耗为3.5dB。光缓存器是通过光开关控制光脉冲在光纤环中的循环次数，来实现不同时段的延时，因此循环次数越多，损耗越大，在光纤环路中接有EDFA以弥补功率损耗。采用基于半导体光开关矩阵的可调谐多进制的光缓存器，其插入损耗较小。

现假定调制光脉冲宽度为20ns，子网每个支路串联10个光栅，则光缓存器单位延时量应为20ns，延时光纤的长度应为4m，所需最大延时量不超过1000ns，可设计可编程光缓存器的开关矩阵为两级结构，如图4所示，通过控制光脉冲在光纤环中的循环次数，可得到20ns整数倍的各个延时量。

下面结合附图说明在不同情形的故障中本系统进行自愈和自保护的工作过程：

情形一：传感子网两个支路有一路损坏：

假设图5中传感子网单一支路损坏，该传感子网上下两个支路分别编号为a，b支路，相应的传感器从左到右分别编号为a1…a9，b1…b9，在光纤光栅传感子网正常工作的情况下，a1-a9的传感信号依次反射回接收端，随后b1-b9通过光缓存器的延时依次反射回来。假设图示所示位置发生故障，则故障点之后的传感器信号a5-a9将无法返回接收端，计算机监测到这一异常情况，立即控制光开关切换至如图所示位置，并控制光缓存器延迟合适的时间，使得故障点之后的传感器沿着另一条支路返回。反射回来的传感器信号顺序为a1-a4，b1-b9，a9-a5，整个传感子网便恢复了正常工作。该过程完全由计算机自动切换和控制，无需人工干预。另外，可以很容易地判断出故障点的位置，便于后期处置。其中图6为单一支路损坏开关切换信号时序图。

情形二：传感子网两个支路损坏：

假设图7中传感子网两个支路各有一个故障点，则故障点之前的传感信号将按原路返回，计算机控制光开关切换至图中所示位置，两故障点之后的传感信号将沿着临近的子网通路返回。该过程中，由于部分传感器的光源是从邻近子网获得，需要对其进行放大。且由于故障某些子网实际所连接的传感器数量增多或减少，相应要控制总开关在该子网处的通断时间，以缩短监测周期。

情形三：传感子网主路损坏：

假设图8中某个子网的主路损坏，则计算机控制邻近子网光开关不停切换，从而通过邻近子网给损坏的子网的提供光源，此时该开关的作用相当于图1中总开关的作用。

情形四：传感子网主路损坏+支路损坏：

假设图9中主路和两支路损坏，则首先按情形三控制光开关，然后可按参考上述各种情况进行处置。

Claims (5)

1.一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络，其特征在于：主要由控制中心(1-1)，1×N光开关(1-2)，N个通路选择与延时节点(1-3)和N个弱反射光纤光栅传感子网(1-4)组成；其中N为≥3的正整数；

控制中心(1-1)连接1×N光开关(1-2)的第一端口；

每个弱反射光纤光栅传感子网(1-4)包括2路光纤光栅传感器阵列；其中每一路光纤光栅传感器阵列由1根光纤及串联在该光纤上的至少1个光栅构成；

每个通路选择与延时节点(1-3)包括前端节点和后端节点；即

上述前端节点包括3×2光开关(3-1)，分路器(3-2)，前端可编程光缓存器(3-3)和2×1光开关(3-4)；3×2光开关(3-1)的第一端口连接1×N光开关(1-2)除第一端口外的其中一个端口，第二端口连接第一邻近弱反射光纤光栅传感子网(1-4)的前端节点的3×2光开关(3-1)的第四端口，第三端口连接2×1光开关(3-4)的第二端口，第四端口连接第二邻近弱反射光纤光栅传感子网(1-4)的前端节点的3×2光开关(3-1)的第二端口，第五端口连接分路器(3-2)的第一端口；分路器(3-2)的第二端口经一路光纤光栅传感器阵列连接后端节点的耦合器(3-7)的第一端口，第三端口经前端可编程光缓存器(3-3)连接2×1光开关(3-4)的第一端口；2×1光开关(3-4)的第三端口经另一路光纤光栅传感器阵列连接后端节点的1×2光开关(3-4)的第一端口；

上述后端节点包括1×2光开关(3-5)，后前端可编程光缓存器(3-6)，耦合器(3-7)，1×3光开关(3-8)和节点掺铒光纤放大器(3-9)；1×2光开关(3-5)的第二端口经后前端可编程光缓存器(3-6)连接耦合器(3-7)的第二端口，第三端口连接1×3光开关(3-8)的第四端口；耦合器(3-7)的第三端口连接1×3光开关(3-8)的第一端口；1×3光开关(3-8)的第二端口经节点掺铒光纤放大器(3-9)连接第二邻近弱反射光纤光栅传感子网(1-4)的后端节点的1×3光开关(3-8)的第三端口，第三端口连接第一邻近弱反射光纤光栅传感子网(1-4)的后端节点的节点掺铒光纤放大器(3-9)的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络，其特征在于：控制中心(1-1)包括可调谐激光器，马赫-曾德调制器，中心掺铒光纤放大器，环形器，光电探测器，脉冲信号发生器和计算机；可调谐激光器的输出端经马赫-曾德调制器与中心掺铒光纤放大器的输入端相连，中心掺铒光纤放大器的输出端连接环形器的第一端口，环形器的第二端口接1×N光开关(1-2)的第一端口，环形器的第三端口经光电探测器与计算机的输入端相连，计算机的输出端连接可调谐激光器的控制端；脉冲信号源分别连接马赫-曾德调制器和计算机。

3.根据权利要求1或2所述的一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络，其特征在于：1×N光开关(1-2)、3×2光开关(3-1)，分路器(3-2)，前端可编程光缓存器(3-3)、2×1光开关(3-4)、1×2光开关(3-5)，后前端可编程光缓存器(3-6)，耦合器(3-7)，1×3光开关(3-8)和节点掺铒光纤放大器(3-9)均为双向工作器件。

4.根据权利要求1或2所述的一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络，其特征在于：分路器(3-2)第二端口和第三端口的分光比与耦合器(3-7)第一端口和第二端口的分光比相一致。

5.根据权利要求4所述的一种高可再生性的时分复用光纤光栅传感网络，其特征在于：分路器(3-2)第一输出端和第二输出端的分光比为40:60，耦合器(3-7)第一输入端和第二输入端的分光比也为40:60。