CN104811241A - 融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统 - Google Patents

Abstract

一种融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，包括：一可调谐激光器；一电光调制器，其输入端与可调谐激光器的输出端连接；一环行器，其端口1与电光调制器的输出端连接；一阵列波导光栅，其输入端与环行器的端口2连接；N×M个光纤衰荡腔传感器，其包括多个输出端，每一输出端通过光纤串接有多个光纤耦合器，每一光纤耦合器通过光纤并联有一传感元件；一光电探测器，其输入端与环行器的端口3连接；一数字采集及信号处理模块，其输入端与光电探测器输出端连接；一计算机，其输入端与数字采集及信号处理模块的输出端连接。本发明具有成本低、结构简单，适用于传感器网络化的系统。

Description

融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统

技术领域

本发明涉及光纤光缆测试及光纤传感技术领域，具体涉及融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统。

背景技术

波分复用无源光网络(WDM-PON)是一种点到多点的技术，其在远程结点处具有波长选择性的无源器件，被认为是有前途宽带接入网技术。波长可调谐光时域反射计对于WDM-PON光纤链路的故障检测是一种非常有效的方式，从WDM-PON系统光线路终端接入，它发射对应相应信道波长的探测脉冲耦合到馈线光纤中，经阵列波导光栅向下行链路传输，在光纤中传输时所产生的背向瑞利散射和菲涅尔反射被光电探测器所检测，可实时从其探测器获得的功率距离的曲线中获取光纤链路故障与损耗信息，具有多波长测试、测试速度快、故障定位准确的特点。

光纤环形腔衰荡技术结合光纤传感和腔衰荡技术，其由耦合器、光纤和传感元件组成光纤环路，光在光纤环路中循环，光路中的损耗使得输出的光强形成指数衰减的曲线，通过对衰减时间的测量而间接测量所要传感的物理量。光纤环形腔衰荡技术一方面具有抗电磁干扰、耐腐蚀，系统易实现小型化，易于组件传感网络的特点，另一方面具有高灵敏微量变化测量的特点，被广泛用于气体、压强、温度、应变等物理量的测量上。

基于目前多传感物理量、多位置物理量实时测量的需求，本发明的系统融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列，实现低成本、结构简单的传感网络化测量系统。

发明内容

本专利的目的是提供一种融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，具有成本低、结构简单，适用于传感器网络化的系统。

本发明提供一种融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，包括：

一可调谐激光器；

一电光调制器，其输入端与可调谐激光器的输出端连接；

一环行器，其端口1与电光调制器的输出端连接；

一阵列波导光栅，其输入端与环行器的端口2连接；

N×M个光纤衰荡腔传感器，其包括多个输出端，每一输出端通过光纤串接有多个光纤耦合器，每一光纤耦合器通过光纤并联有一传感元件；

一光电探测器，其输入端与环行器的端口3连接；

一数字采集及信号处理模块，其输入端与光电探测器输出端连接；

一计算机，其输入端与数字采集及信号处理模块的输出端连接。

本专利与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本专利融合波长可调谐光时域反射计和光纤衰荡腔传感阵列，使系统具有两用性，既可以用作WDM链路光纤测试，又可以作为高灵敏度多物理量的测量。

(2)实际应用中，结合波长可调谐光时域反射计和WDM测试结构构成传感网络，且可以省去传感器的多个光源和光电探测器，成本较低。，

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施为例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本专利提出的融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列的系统的示意图。

具体实施方式

请参照图1所示，本发明提供一种融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，包括：

一可调谐激光器1，所述可调谐激光器1为分布式布拉格反射光栅可调谐激光器，其波长范围为1528nm-1565nm，波长间隔为0.8nm；

一电光调制器2，其输入端与可调谐激光器1的输出端连接，所述电光调制器2的调制速率为40GHz，工作波长为1550nm的铌酸锂强度调制器；

一环行器3，其端口1与电光调制器2的输出端连接；

一阵列波导光栅4，其输入端与环行器3的端口2连接，所述阵列波导光栅4为32通道模块，通道间距100GHz；

N×M个光纤衰荡腔传感器5，其包括多个输出端，每一输出端通过光纤串接有多个光纤耦合器51，每一光纤耦合器51通过光纤并联有一传感元件52，所述光纤耦合器51的分光比为99∶1；

一光电探测器6，其输入端与环行器3的端口3连接，所述光电探测器6为直流耦合、带宽200M的高增益的雪崩探测器；

一数字采集及信号处理模块7，其输入端与光电探测器6输出端连接；

一计算机8，其输入端与数字采集及信号处理模块7的输出端连接。

所述的可调谐光源被电光调制器调制获得窄脉冲，脉冲通过光纤环行器和阵列波导光栅中进入到传感光纤，阵列波导光栅后又N路光纤，每一路光纤设置M个光纤衰荡腔传感器，通过选择不同的波长选择某一路的测量，每一路的M个光纤衰荡腔传感器可以同时实现多物理量的测量。探测脉冲进入到某一路传感光纤后，一部分光在光纤中传播产生背向瑞利散射，一部分光进入到光纤衰荡腔传感器中产生衰荡串，单路光纤传播的光间隔一定距离后的一部分光进入到另一个光纤衰荡腔传感器中产生衰荡串，依次类推，光纤中背向瑞利散射和衰荡串经光纤环形器后进入光电探测器模块，瑞利散射光的信息可以作为光纤故障和损耗的判断，而衰荡曲线可以判断传感物理量的变化。通过数字采集及信号处理模块解调光纤各点的瑞利散射信号和应力变化信号，然后将所有信号通过USB与计算机的上位机取得通信，通过上位机可以形象地观察到光纤各点的光时域反射信号以及光纤衰荡腔传感器的待测物理量的变化情况。

波长可调谐光时域反射计工作原理

当探测脉冲射入到待测光纤中，光在光纤中传输时的会产生反向瑞利散射和菲涅尔反射，通过OTDR接收机获得的功率与距离的曲线，可以提取光纤长度、光纤链路故障和损耗的信息，如光纤宏弯、光纤断裂、连接器问题等。WDM链路是一种点到多点的结构，其包含阵列波导光栅等对波长具有选择性的无源器件，采用波长可调谐光时域反射计可以测量点到多点的WDM链路的光纤的故障与损耗。后向瑞利散射波功率与光纤位置x的关系为：

       $P_{\mathrm{rbs}}\left(x\right)=\frac{1}{2}{P}_{0}S{\mathrm{\α}}_R{v}_g{T}_0{e}^{-\mathrm{\αx}}---\left(1\right)$

其中P₀为发射脉冲功率，S为后向散射系数，α^R为瑞利后向散射损耗系数，v_g为光在光纤中传输的群速度，T₀为脉冲宽度，α为光纤损耗系数。

光纤环形衰荡技术的原理

光纤环形衰荡技术是利用耦合器和一段光纤连接形成环形腔作为衰荡腔，激光通过光纤耦合器进入到光纤环之后在环形腔中不断的传播、损耗和循环。每一次往返后，少部分的光被光电探测器探测，而其他部分的光则继续留在光纤环中循环损耗。光电探测器探测到的光脉冲强度呈指数函数趋势衰减，光纤中光的损耗越小，则衰荡时间越长，当有外部变化时，便会作用到光纤上，这样使得功率的衰荡时间变小，衰荡时间的变化规律反映了加到传感单元上的物理量所产生的光纤损耗。以下用公式来表达，在光纤环中，假设传感量引起的损耗为Ts，耦合器的插入损耗为T_c，则耦合进光纤的光传输1圈后的脉冲的强度变化因子为：

       $\frac{I_1}{I_0}=T_s{T_c}^2\exp (-\mathrm{\αL})---\left(2\right)$

经过k圈循环后(或时间为t_k)：

       $\frac{I_k}{I_0}={\left(\frac{I_1}{I_0}\right)}^k=e^{(t_k/\mathrm{\Δt})\ln (I_1/I_0)}=e^{-t_k/\mathrm{\τ}}---\left(3\right)$

衰荡时间T定义为光强衰减为初始光强的1/e时所用的时间，则

       $T=\frac{\mathrm{nL}}{c[\mathrm{\αL}-\ln \left(T_s{T}_c^2\right)}---\left(4\right)$

如图1所示，发明中的M个光纤衰荡腔传感器的耦合器依次串接在阵列波导光栅后的N路光路中，M个光纤衰荡腔传感器反射的信号由光电探测器接收，由可调谐激光器发射信号的波长选择其中一光路的光纤衰荡腔传感器接收到信号，而M个光纤衰荡腔传感器可同时获得响应，不同光纤衰荡腔传感器的衰荡时间不同，相邻两个光纤衰荡腔间隔一定距离的光纤衰荡互不干扰，光纤衰荡腔传感器有很高的可配置性，不必改变探测器和其他的设置，只要更换光纤环形

腔中的传感元件即可实现不同量的测量，融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列的系统成本低、结构简单，适用于传感器网络化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，包括：

一可调谐激光器；

一电光调制器，其输入端与可调谐激光器的输出端连接；

一环行器，其端口1与电光调制器的输出端连接；

一阵列波导光栅，其输入端与环行器的端口2连接；

N×M个光纤衰荡腔传感器，其包括多个输出端，每一输出端通过光纤串接有多个光纤耦合器，每一光纤耦合器通过光纤并联有一传感元件；

一光电探测器，其输入端与环行器的端口3连接；

一数字采集及信号处理模块，其输入端与光电探测器输出端连接；

一计算机，其输入端与数字采集及信号处理模块的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，其中所述可调谐激光器为分布式布拉格反射光栅可调谐激光器，其波长范围为1528nm-1565nm，波长间隔为0.8nm。

3.根据权利要求1所述的融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，其中电光调制器的调制速率为40GHz，工作波长为1550nm的铌酸锂强度调制器。

4.根据权利要求1所述的融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，其中阵列波导光栅为32通道模块，通道间距100GHz。

5.根据权利要求1所述的融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，其中光纤耦合器的分光比为99∶1。

6.根据权利要求1所述的融合波长可调谐光时域反射计与光纤衰荡腔传感阵列系统，其中光电探测器为直流耦合、带宽200M的高增益的雪崩探测器。