CN104567958A - 基于时分波分复用的分布式微结构传感网络及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于波分时分复用的分布式微结构传感网络及其使用方法，该网络包括依次相连的宽带光源(1)、光环形器(3)、光分配网络和多条分布式光纤传感链路(11)，传感单元依次通过光分配网络、光环形器(3)、全光谱扫描模块(5)与解调单元相连。本发明通过混合时分/波分网络架构，具有超大容量、超长距离、低单位解调成本、传感灵敏度高、低功耗等特点，适用于大规模分布式传感复用。

Description

基于时分波分复用的分布式微结构传感网络及其使用方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，通过混合波分时分复用系统设计来实现超大容量的分布式光纤传感网络，并针对这种传感网络提出快速解调方法。

背景技术

光纤传感器主要用于温度、应力、压力环境参量等传感，由于其无源和高精度特性，已广泛应用在桥梁、大坝、油田、航空航天、海洋监测、地质监测等领域，尤其是基于OTDR(光时域反射)原理的分布光纤传感技术，以其分布式测量、无盲区、监测密度大、监测范围广、传感器结构简单等优点，极大的满足应用需求，基于OTDR技术的分布式光纤传感技术主要基于光纤中的散射效应：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。

瑞利散射是最简单的一种散射效应。早在十九世纪八十年代，Rogers和Ross基于瑞利散射效应，实现偏振光时域反射仪(POTDR)。在他们的研究中单模光纤中瑞利散射光信号的偏振态被用来测量温度、应力、电场、磁场的变化。1983年，Hartog首次报道利用温度对瑞利散射系数的改变来实现分布式温度测量。由于普通的石英光纤瑞利散射系数随温度变化比较小，Hartog在实验中采用了液芯光纤。目前，干涉型OTDR是一个研究热点，主要利用瑞利散射光信号的干涉来检测外界物理量对瑞利散射信号的相位的影响，从而实现对分布式传感，也称作相位OTDR(φ-OTDR)。

基于拉曼散射的OTDR技术(R-OTDR)，由于拉曼散射对温度敏感而对应力不敏感的特性，主要用于分布式温度测量，是目前最为成熟的分布式传感技术之一。标准的R-OTDR分布式温度传感系统可以在数十公里的传感链路上实现1℃的温度分辨率和1m的空间分辨率。为了进一步提高空间分辨率，有研究者将数字单光子计数器用于分布式温度传感系统，实现了0.1m的空间分辨率。

基于布里渊散射的分布式传感技术布里渊光时域反射仪(B-OTDR)主要用于分布式应力/温度测量。由于布里渊散射散射信号非常微弱，因此在信号处理中往往需要多次测量，因此，B-OTDR传感系统的实时性有限，往往用于静态测量。同时由于产生布里渊散射效应的声子寿命只有10ns，决定布里渊分布式传感器的空间分辨率为1m，极大限制了布里渊分布式传感器的应用。

目前的OTDR分布式传感技术均存在一定的缺陷，例如φ-OTDR只适合动态信号测量；R-OTDR只能进行温度测量，而很多应用需要多环境参量监测；B-OTDR只适用于静态信号测量，同时受限于信号微弱、分辨率不高，系统复杂，成本高昂。

同时，也有学者在利用光纤上串行分布的光栅作为人为的损耗点，实现基于光纤光栅的OTDR系统。2010年美国弗吉尼亚理工大学Anbo Wang教授课题组提出了基于全同弱光栅(发射率R<0.1％)的线性TDM(时分复用)网络，在实验中验证了12个弱光栅的准分布式TDM网络，由于弱光栅间仅存在微小的信道串扰，这种架构的复用能力可达1000个以上。T.J.Eom等人提出一种基于光纤光栅的波长调谐OTDR，利可调谐光源对全同的光纤光栅阵列进行扫描，利用光纤光栅的后向反射信号进行传感，实现了一个由52个光栅组成的波长调谐OTDR系统。比利时蒙斯学院的Cathy Crunelle在波长调谐OTDR技术基础上，利用低反射率光栅(R<10％)结和波分复用技术(WDM)，实现了λ-OTDR系统，但是复用光栅数目有限。申请号为201210390000.8，名称为“超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法”的专利申请提出超大容量时分复用系统，通过精准控制SOA(半导体光放大器)光开关来实现对大容量光纤传感器的寻址及查询，实现了大容量的FBG(光纤布拉格光栅)单元时分复用，具有很好的应用价值，但是由于缺少对波分频分的复用挖掘，系统性能没有得到最大的提升。申请号为201110414568.4，名称为“一种大容量并行光纤光栅传感分析仪”的专利申请，通过空分和波分复用技术，采用同步控制机制来进行多路光电信号的探测和采集处理，实现了较大容量的传感单元复用，但是该方案采用多了光电探测器，极大的提高了系统成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于时分波分复用的分布式微结构传感网络及其使用方法。本发明通过混合时分/波分网络架构，具有超大容量、超长距离、低单位解调成本、传感灵敏度高、低功耗等特点，适用于大规模分布式传感复用。

本发明解决上述技术问题所采用的方案如下：

分布式微结构传感网络，包括依次相连的宽带光源、光环形器、光分配网络和多条分布式光纤传感链路，传感单元依次通过光分配网络、光环形器、全光谱扫描模块与解调单元相连。

所述的传感网络，还包括声光调制器，宽带光源通过声光调制器与光环形器相连。

所述的传感网络，还包括时钟同步模块，全光谱扫描模和声光调制器均与时钟同步模块相连。

所述的传感网络，光分配网络包括密集波分复用模块和与其相连的多个光分束器，密集波分复用模块与光环形器相连，光分束器与传感单元相连。

所述的传感网络，每个光分束器接有多条分布式光纤传感链路，每条分布式光纤传感链路上还接有光纤延时线；其中，密集波分复用模块的P个输出端口分别连接P个1*Q光分束器，每个光分束器接有一条分布式光纤传感链路；每个光分束器所连接的Q条分布式光纤传感链路上的光纤延时线，长度依次增加。

所述的传感网络，分布式光纤传感链路上设有多个轴向周期微结构。

所述的传感网络，解调单元包括多域数据处理模块和计算机，全光谱扫描模块与多域数据处理模块相连。

分布式微结构传感网络的使用方法，包括：宽带光源发出宽带连续光谱，经过声光调制器后成为宽带光信号进入光环形器的输入端口，由光环形器的一个输出端口传送至密集波分复用模块，密集波分复用模块将宽带光信号分成P组波段，每个波段的光信号进入一个1*Q光分束器后被分成Q路光信号，每路光信号进入一路分布式光纤传感链路，由分布式光纤传感链路上的光纤延时线再进行光信号的时延分配，使得到达每条分布式光纤传感链路的光信号在波长和时域上均得到区分，实现第一次混合波分/时分复用；然后再由分布式光纤传感链路实现第二次波分/时分复用，以及频分复用；分布式光纤传感链路上的光信号受到环境参量变化的调制后，后向散射进入光分束器、密集波分复用模块和光环形器，由光环形器的另一个输出端口传送至全光谱扫描模块，全光谱扫描模块采集扫描后向散射光的全光谱，再由解调单元进行解调，得到环境参量的信息。

所述的方法，每个光分束器所接的一组分布式光纤传感链路，依次串接有时长逐渐加长的光纤延时线，且各组分布式光纤传感链路所串接的光纤延时线，其时长加长程度相同；并控制分布式光纤传感链路的轴向周期微结构的长度、折射率调制周期和折射率调制强度，使其后向散射系数达到10^-5～10^-2，并使其后向散射光信号具有光谱中心波长、光谱重复频率和时延的三维编码特性，即第二次波分/时分复用和频分复用。

所述的方法，解调单元进行解调的方法包括：根据传感网中每条分布式光纤传感链路的后向散射光信号相对于时钟信号因光纤延时线引起的时延进行时域分组，共Q组；在同一时钟同步模块控制下，全光谱扫描模块对这Q组光信号信号进行同步探测、采集，再根据光信号因密集波分复用模块所分得的波段对不同时域的光信号进行波长域分组，又分为P组波段，从而完成第一次解调，得到后向散射光信号所处于的分布式光纤传感链路；多域数据处理模块中通过嵌入式多核处理单元对这Q*P条分布式光纤传感链路的光信号再进行并行计算；计算的方法是对采样的单条分布式光纤传感链路的后向散射光信号根据链路时域进行k组区分，对每个时域组再按n组的链路波段分配快速傅里叶变换单元，并行快速傅里叶变换，对每组波段的光信号得到m组频率信息，因此一个链路时域的光信号分离得到n*m个信号单元；再由有限冲击响应对所有的信号单元进行滤波，并做傅立叶逆变换，最终获得单条分布式光纤传感链路上所有k*n*m个轴向周期微结构单元的光谱中心波长时延、光谱重复频率和时延的编码信息，从而确定相应的周期微结构单元的空间位置，同时将每个轴向周期微结构单元的光谱中心波长与其初始中心波长对比得到中心波长的漂移量，根据波长漂移与环境参量变化之间的关系，确定对应位置处环境参量的大小，将结果上报到计算机。

本发明与现有技术相比主要有以下优势：

1.通过在普通光纤上引入分布式轴向周期微结构，使得光纤后向散射强度提高3个数量级以上，显著提高传感信噪比，单次采样即可实现分布式信号识别，可以极大提高分布式传感解调速率；

2.通过分布式周期微结构的特殊结构设计，使其在具有高灵敏感知特性的同时，还具备波长、频率和时延的三维编码能力，结合创新的微结构光时域反射技术可以极大提高传感节点的可复用性和空间可辨识性；

3.通过混合波分时分复用组网技术，很好的解决了光纤传感网的接入扩容问题，首次实现大容量分布式光纤传感链路的接入和集中管理，显著降低运行和管理成本；

4.发明的多域分组和高速并行解算的数据处理技术，非常适合于光纤传感网的复杂传感信号，能够提高传感网数据处理效率，解决传统技术中响应速度过慢的问题；

5.基于多种发明技术结合的分布式微结构光纤传感网，能够兼顾动态和静态传感参数测量，并保持解调的高精度和大动态范围。

附图说明

图1是基于混合波分时分复用的分布式微结构传感网络及其解调系统框图(D1、D2…Dm为m组频率分组，λ1、λ2、λ3…λn为n组波长分组，T1、T2…Tk为k组时域分组，m111、m112、…Mknm为一条分布式微结构光纤传感链路中的微结构单元序号)。

图2是单条分布式微结构光纤传感链路图(MOF111为第一个时域分组、第一波域的第一频率分量单元，MOFknm为第k个时域分组、第n波域的第m频率分量单元，H为每个单元的间隔，L为时分距离)。

图3是轴向微结构单元的反射光谱图。

图4是同步并行解调示意图(T为单次解调时间，F为时域解调分段数)。

图中：1.宽带光源；2.声光调制器；3.光环形器；4.时钟同步模块；5.全光谱扫描；6.多域数据处理模块；7.PC机；8.光分束器；9.光纤延时线；10.DWDM模块；11.分布式微结构光纤传感链路。

具体实施方式

本发明针对现有的分布式光纤传感复用技术的容量限制，提出基于混合波分时分复用的分布式微结构传感网络及其解调系统，采用波分/时分复用网络传感架构，并设计具有三维编码特性的分布式微结构光纤传感链路，实现超大容量的传感复用。该架构可以在不增加解调装置的情况下大规模的复用传感微结构阵列，同时提出了适应于这种波分/时分复用网络传感架构的基于微结构光时域反射(MOTDR)技术，大大提高了传感单元的敏感度和空间分辨率，最后给出了传感网的海量信息并行快速处理技术

基于混合波分时分复用的分布式微结构传感网络，包括宽带光源、声光调制器、光环形器、时钟同步模块、全光谱扫描、多域数据处理模块、PC机、光分束器、光纤延时线、DWDM(密集波分复用)模块、分布式微结构光纤传感链路。其中，分布式微结构光纤传感链路由具有时域、波域、频域三维编码能力的微结构单元构成，宽带光源、声光调制器、光环形器构成光发送单元，波长解调模块构成光接收单元，光分束器、光纤延时线、DWDM模块构成光分配网络单元，全光谱扫描模块、多域数据处理模块、PC机构成解调单元。

进一步地，光发送单元包括相连的宽带光源和声光调制器，声光调制器的光输出端口与光环形器的端口1相连。

进一步地，光分配网络单元包括相连的光环形器输出端口2和光分配网络，DWDM模块的P个输出端口分别连接P组1*Q光分束器，每个1*Q光分束器与Q组光纤延时线相连，实现P*Q的时分/波分混合复用。Q组光纤延时线从第一组到第Q组，距离依次成倍数增加。

进一步地，基于混合波分/时分复用的分布式传感链路接入组网方法：宽带光源发出宽带连续光谱，经过声光调制器后成为上升时间ns(纳秒)级的光脉冲信号，光脉冲信号进入光环形器的输入端口后从端口2输出至光分配网络，光分配网络内的DWDM模块将宽带光信号分成P组波段分别从第j个(j＝1,2,…，P)端口输出，实现光信号的波长分配；进一步的，第j波段的光信号进入第j个1*Q光分束器后被分成Q路相等功率的光信号第i(i＝1，2，…，Q)路光信号进入第i个光纤延时线，实现光信号的时延分配。通过以上光信号的两次分配，使得到达每条分布式微结构光纤传感链路的光信号在波长和时域上均得到区分，实现混合波分/时分复用。

进一步地，分布式微结构光纤传感链路通过在普通光纤上引入连续分布的轴向周期微结构M111、M112、…、M11n、M121、M121、…、M1nm、…、M2nm、…、Mxyz，…，Mknm构成分布式微结构光纤(MOF：Microstructure Optical Fiber)，通过精确控制轴向周期微结构(Mxyz)的长度、折射率调制周期和折射率调制强度，使其后向散射系数达到10^-5～10^-2，并使其后向散射光信号具有光谱中心波长(以下简称“波长”)、光谱重复频率(以下简称“频率”)和时延的三维编码特性。其中x、y和z分别为轴向周期微结构的时延、波长和频率编码序号，k、n、m分别为轴向周期微结构时延、波长和频率三维编码的最大数目，一条分布式微结构光纤传感链路(11)上共计k*n*m个传感单元，通过微结构光时域反射(M-OTDR)技术实现分布式传感探测和定位。

进一步地，微结构光时域反射(M－OTDR)技术脉冲光信号进入分布式微结构光纤传感链路后，每个轴向周期微结构单元(Mxyz)将对入射脉冲光信号发生后向散射，并进行时延、波长和频率编码，其波长特性同时受到环境参量(包括温度、应力、压力等)变化的调制，编码和调制后的后向散射光信号经过光纤链路传输进入全光谱扫描模块；全光谱扫描模块采集扫描分布式微结构光纤传感链路的后向散射光的全光谱，通过对其依次进行快速傅立叶变换(FFT)、有限冲击响应(FIR)滤波和傅立叶逆变换(IFT)获得任意轴向周期微结构单元(Mxyz)的时延、波长和频率编码信息，从而确定相应的周期微结构单元(Mxyz)的空间位置；根据每个周期微结构单元(Mxyz)的时延、波长和频率三维编码信息，分离并提取出该单元对应的光谱成份，将每个轴向周期微结构单元(Mxyz)的光谱中心波长与其初始中心波长对比得到中心波长的漂移量，根据波长漂移与环境参量变化之间的关系，确定对应位置处环境参量的大小；按照上述方法，依次对分布式微结构光纤传感链路上共k*n*m个单元进行空间位置和环境参量的读取。

进一步地，传感网络中共P*Q条分布式微结构光纤传感链路的后向散射光信号经过光分束器和DWDM模块后到达光环形器的端口3并送入解调单元；其中，解调单元包括相连的全光谱扫描、多域数据处理模块和PC机，时钟同步模块同时控制全光谱扫描模块、多域数据处理模块和声光调制器，对传感网中传感信号进行多域分组和并行处理，实现快速传感信号解调。

进一步地，分布式微结构光纤传感网络的多域分组和并行处理快速解调方法：首先，传感网中的后向散射光信号传输至全光谱扫描模块获得整个传感网传感信号的光谱信息；其次，在多域数据处理模块中，根据传感网中每条分布式微结构光纤传感链路的后向散射光信号所处的波段进行波长域分组，共P组；然后，在同一时钟Syn CLK控制下，由多域数据处理模块对这P组不同波段的链路传感信号进行同步探测、采集和并行处理，并行处理的过程为根据链路传感信号相对于时钟信号的时延进行时域分组，共Q组；最后，将传感网的后向散射传感光信号共分为P*Q组链路传感信号，每组链路传感信号均在多域数据处理模块中通过嵌入式多核处理单元进行并行计算。

进一步地，每条分布式微结构光纤传感链路的并行解算方法：根据微结构光时域反射(M－OTDR)技术，将单次采样的后向散射光信号根据时域进行k组区分，对每个时域的n个波域分别分配快速傅里叶变换单元，并行快速傅里叶变换；每个波域变换得到m组频率信息，实现对k*n*m个单元的分离。n*m个有限冲击响应(FIR)滤波单元对一个时域的n*m个单元进行滤波，得到n*m个光谱中心波长，实现多域并行解调。

如图1所示，基于混合波分时分复用的分布式微结构传感网络及其解调方法，通过设计基于混合波分时分复用的网络结构，并在分布式微结构传感链路上进行时域、波域、频域三维编码，结果M-OTDR技术来实现超大光纤传感容量，该传感系统包括：1.宽带光源；2.声光调制器；3.光环形器；4.时钟同步模块；5.全光谱扫描；6.多域数据处理模块；7.PC机；8.光分束器；9.光纤延时线；10.DWDM模块；11.分布式微结构光纤传感链路。

所述宽带光源1、声光调制器2、光环形器3构成光发送单元，时钟同步模块4、全光谱扫描模5块构成光接收单元，光分束器8、光纤延时线9、DWDM模块10构成光分配网络单元，时钟同步模块4、多域数据处理模块6、PC机7构成解调单元，分布式微结构光纤传感链路11是传感单元。

所述宽带光源1的光信号经过声光调制器2后变成受调制光脉冲，消光比达到50dB以上，上升沿下降沿达到5ns以下，时钟同步模块4实现对光脉冲的精准控制，光脉冲经过P组波分和Q组时分后形成Q*P组信号进入Q*P条分布式微结构光纤传感链路。

如图2所示，每个分布式微结构光纤传感链路上有k*m*n个连续分布的轴向周期微结构M111、M112、…、M11n、M121、M121、…、M1nm、…、M2nm、…、Mxyz，…，Mknm构成分布式微结构光纤(MOF：Microstructure Optical Fiber)，参见专利201410064876.2，其中k是时域分组数，m是波域分组数，n是频域分组数，根据时域、波域、频域特性进行刻写，每个轴向微结构单元由两个一定间距的周期微结构组成，周期微结构中心波长一致，这一对周期微结构成一个弱反射率法布里-珀罗(FP)腔，周期微结构对之间的距离为d决定FP腔的自由光谱范围(FSR)。设每个弱反射率周期微结构之间的距离为H，H>>d。所述腔长d按照步进Δd(大小为d+H)复用M组，即图中的D1、D2、…Dn，m＝M。

参见专利201110420315.8，轴向微结构传感单元由相位掩膜法刻写在单模光纤上的不同位置的两个周期微结构构成，其条纹长度极短，反射率极低，中心波长相同，由紫外光透过经过金属挡板遮挡只留下一个窄狭缝的相位掩模板，直接在单模光纤上刻写而成，刻写过程中，首先制作一个周期微结构，制作完成后，电动位移平台移动距离Dm后，刻写第二个周期微结构，电动位移平台的移动距离决定轴向微结构传感单元的谐振腔腔长。

在N组波分复用情况下，即每N组光栅对的中心波长分别为λ1、λ2、…λn，n＝N。一个传感阵列长度约为M*N*H。每个时分距离为L，即每两个传感阵列之间的时分距离依次为L1、L2、…Lk-2、Lk-1、Lk，k＝K。后向散射系数达到10^-5～10^-2，其反射率满足公式：

$\mathrm{Rs}=2R_{\mathrm{BG}}(1+\cos \left(\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_{\mathrm{eff}}D}{\mathrm{\&lambda;}}\right))---\left(1\right)$

$R_{\mathrm{BG}}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=k^2{L}_{\mathrm{BG}}^2\sin h^2[\frac{\mathrm{\&Delta;k}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)L_{\mathrm{BG}}}{2\mathrm{\&pi;}}]---\left(2\right)$

$\mathrm{\&Delta;k}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\left(\frac{4\mathrm{\&pi;}{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)-\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&Lambda;}}\right)---\left(3\right)$

其中，R_s为微结构单元的波长反射率分布，R_BG＝R_BG(λ)为一个周期结构的波长反射率分布，n_eff为光纤折射率，λ为波长，L_BG为微结构的长度，k为波数，Δk＝Δk(λ)为波数变化量，Λ为微结构调制周期。通过控制微结构的长度L_BG、等效腔长D来实现波长、频率的调制，反射光信号经过线路时延9进入光分束器8，线路时延9的时延τ公式为：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{2n_{\mathrm{eff}}Z}{c}---\left(4\right)$

Z为光信号的路径距离，c为光速，光信号经过DWDM模块10汇聚到光环形器的输出端口3，进入被同步模块4控制的全光谱扫描模块5进行光谱扫描，获得整个传感网传感信号的光谱信息，在多域数据处理模块6中，根据传感网中每条分布式微结构光纤传感链路11的后向散射光信号所处的波段进行波长域分组，共P组，在同一时钟(Syn CLK)控制下，由多域数据处理模块6对这P组不同波段的链路传感信号进行同步探测、采集和并行处理，并行处理的过程为根据链路传感信号相对于时钟信号的时延进行时域分组，共Q组。最后，将传感网的后向散射传感光信号共分为P*Q组链路传感信号，每组链路传感信号均在多域数据处理模块中通过嵌入式多核处理单元进行并行计算。将每条链路传感信号的后向散射光信号根据时域进行k组区分，对每个时域的n个波域分别分配快速傅里叶变换单元，并行快速傅里叶变换；每个波域变换得到m组频率信息，实现对k*n*m个单元的分离。全光谱扫描模块5的n*m个有限冲击响应(FIR)滤波单元对一个时域的n*m个单元进行滤波，得到n*m个光谱中心波长，实现多域并行解调，其中F为同一个时长T的扫描组数。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本系统由宽带光源1、声光调制器2、光环形器3、时钟同步模块4、全光谱扫描5、多域数据处理模块6、PC机7、光分束器8、光纤延时线9、DWDM模块10、分布式微结构光纤传感链路11等单元组成，所述宽带光源1、声光调制器2、光环形器3构成光发送单元，时钟同步模块4、全光谱扫描模块5构成光接收单元，光分束器8、光纤延时线9、DWDM模块10构成光分配网络单元，时钟同步模块4、多域数据处理模块6、PC机7构成解调单元，分布式微结构光纤传感链路11是传感单元。

如图1所示，虚线框内为光分配网络单元，波分复用P组，时分复用Q组(P、Q均为正整数)，通过光纤延时线9进行区分，光纤延时线9的长度从1到Q依次倍增，波分时分网络架构最终有P*Q组的分布式微结构光纤传感链路11复用，整个光分配网络单元为光无源系统。在光源模块1、声光调制器模块2和DWDM模块10带宽提高后，P的数量将会提升。全光谱扫描模块5的速率提升后，Q的数量也会提升。

如图2所示，每条分布式微结构光纤传感链路11由具有时域、波域、频域三维编码的传感器阵列构成，每个传感器单元通过反射光干涉来实现频率区分，时域上共分成k组，每个时域共有n组波长，每个波长内共有m个频率传感单元，每个分布式微结构光纤传感链路上复用后可实现k*n*m组传感单元，k、n、m均为正整数。

如图3所示，每个微结构单元

如图4所示，每个分布式微结构光纤传感链路11内部分成k个时域组，为了避免解调时间过长，将每个时域T的的全光谱分成F组扫描，宽带光源1的波长带宽为W，每个T/F时段扫描一段波谱W/F，将扫描到的光谱数据，结合时间同步机制寄存到多域数据处理模块6进行拼接，然后进行数据解调，解调结果上报到PC机7。时钟同步模块4内部采用500MHz时钟进行信号调制，可以达到2nm的周期性信号调制，上升下降时间达到ps(皮秒)级，从而精准的控制全光谱扫描模块5、多域数据处理模块6和声光调制器2，同时在采用倍频技术后，时钟速率可以成倍增加。

实例说明：

宽带光源1和全光谱扫描模块5中的FP(法布里-珀罗)滤波器带宽都为S+C+L(S波段1460-1520nm，C波段1520-1570nm，L波段1570-1620nm)波段，共计160nm带宽，宽带光源1光功率为20dBm，全光谱扫描频率为1000Hz，宽带光源1发出的光信号经过声光调制器2后生成消光比为50dB、宽度为us(微秒)级的光脉冲进入光环形器3，光环形器3的输出端口将光脉冲信号发送到光分配网络，DWDM模块10将光脉冲波长分成16组，每组带宽为10nm，每个波长的光信号进入光分束器8，经过不同的时延单元9，共计16组，基于混合波分时分复用的传感网最大可以实现16*16＝256条分布式微结构传感链路11的接入组网。

每条分布式微结构传感链路11分配10nm的波长带宽预算，在分布式微结构光纤传感链路11上分成5个波段，每个波段占用2nm带宽。在10^-4反射率情况下，分布式微结构光纤传感链路11可以进行5个时域的时分复用。频分复用数量(d_max为最大微结构周期间距，d_min为最小微结构周期间距，Δd_min为最小步进值)取决于全光谱扫描模块的扫描步进，1pm的精度情况下，可以实现2nm范围内400组的频分复用。因此，每条分布式微结构光纤传感链路上最多可实现5*5*400＝10000个传感单元的复用。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.分布式微结构传感网络，其特征在于：包括依次相连的宽带光源(1)、光环形器(3)、光分配网络和多条分布式光纤传感链路(11)，传感单元依次通过光分配网络、光环形器(3)、全光谱扫描模块(5)与解调单元相连。

2.根据权利要求1所述的传感网络，其特征在于：还包括声光调制器(2)，宽带光源(1)通过声光调制器(2)与光环形器(3)相连。

3.根据权利要求2所述的传感网络，其特征在于：还包括时钟同步模块(4)，全光谱扫描模(5)和声光调制器(2)均与时钟同步模块(4)相连。

4.根据权利要求1所述的传感网络，其特征在于：光分配网络包括密集波分复用模块(10)和与其相连的多个光分束器(8)，密集波分复用模块(10)与光环形器(3)相连，光分束器(8)与传感单元相连。

5.根据权利要求4所述的传感网络，其特征在于：每个光分束器(8)接有多条分布式光纤传感链路(11)，每条分布式光纤传感链路(11)上还接有光纤延时线(9)；其中，密集波分复用模块(10)的P个输出端口分别连接P个1*Q光分束器(8)，每个光分束器(8)接有一条分布式光纤传感链路(11)；每个光分束器(8)所连接的Q条分布式光纤传感链路(11)上的光纤延时线(9)，长度依次增加。

6.根据权利要求5所述的传感网络，其特征在于：分布式光纤传感链路(11)上设有多个轴向周期微结构。

7.根据权利要求1所述的传感网络，其特征在于：解调单元包括多域数据处理模块(6)和计算机(7)，全光谱扫描模块(5)与多域数据处理模块(6)相连。

8.分布式微结构传感网络的使用方法，其特征在于包括：宽带光源(1)发出宽带连续光谱，经过声光调制器(2)后成为宽带光信号进入光环形器(3)的输入端口，由光环形器(3)的一个输出端口传送至密集波分复用模块(10)，密集波分复用模块(10)将宽带光信号分成P组波段，每个波段的光信号进入一个1*Q光分束器(8)后被分成Q路光信号，每路光信号进入一路分布式光纤传感链路(11)，由分布式光纤传感链路(11)上的光纤延时线(9)再进行光信号的时延分配，使得到达每条分布式光纤传感链路(11)的光信号在波长和时域上均得到区分，实现第一次混合波分/时分复用；然后再由分布式光纤传感链路(11)实现第二次波分/时分复用，以及频分复用；分布式光纤传感链路(11)上的光信号受到环境参量变化的调制后，后向散射进入光分束器(8)、密集波分复用模块(10)和光环形器(3)，由光环形器(3)的另一个输出端口传送至全光谱扫描模块(5)，全光谱扫描模块(5)采集扫描后向散射光的全光谱，再由解调单元进行解调，得到环境参量的信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：每个光分束器(8)所接的一组分布式光纤传感链路(11)，依次串接有时长逐渐加长的光纤延时线(9)，且各组分布式光纤传感链路(11)所串接的光纤延时线(9)，其时长加长程度相同；并控制分布式光纤传感链路(11)的轴向周期微结构的长度、折射率调制周期和折射率调制强度，使其后向散射系数达到10^-5～10^-2，并使其后向散射光信号具有光谱中心波长、光谱重复频率和时延的三维编码特性，即第二次波分/时分复用和频分复用。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，解调单元进行解调的方法包括：根据传感网中每条分布式光纤传感链路(11)的后向散射光信号相对于时钟信号因光纤延时线(9)引起的时延进行时域分组，共Q组；在同一时钟同步模块(4)控制下，全光谱扫描模块(5)对这Q组光信号信号进行同步探测、采集，再根据光信号因密集波分复用模块(10)所分得的波段对不同时域的光信号进行波长域分组，又分为P组波段，从而完成第一次解调，得到后向散射光信号所处于的分布式光纤传感链路(11)；多域数据处理模块(6)中通过嵌入式多核处理单元对这Q*P条分布式光纤传感链路(11)的光信号再进行并行计算；计算的方法是对采样的单条分布式光纤传感链路(11)的后向散射光信号根据链路时域进行k组区分，对每个时域组再按n组的链路波段分配快速傅里叶变换单元，并行快速傅里叶变换，对每组波段的光信号得到m组频率信息，因此一个链路时域的光信号分离得到n*m个信号单元；再由有限冲击响应对所有的信号单元进行滤波，并做傅立叶逆变换，最终获得单条分布式光纤传感链路(11)上所有k*n*m个轴向周期微结构单元的光谱中心波长时延、光谱重复频率和时延的编码信息，从而确定相应的周期微结构单元的空间位置，同时将每个轴向周期微结构单元的光谱中心波长与其初始中心波长对比得到中心波长的漂移量，根据波长漂移与环境参量变化之间的关系，确定对应位置处环境参量的大小，将结果上报到计算机(7)。