CN104990567B - 一种光栅阵列的相位‑强度定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种光栅阵列的相位‑强度二维定位方法，步骤1：宽带的连续非相干光，经过电光调制后形成宽带光脉冲，再经注入串行光栅阵列，阵列中不同空间位置的光栅依次反射光脉冲；步骤2：以电光调制脉冲的上升沿为时间参考零点，调节选择光开关控制脉冲的时延来分离不同光栅的反射信号；步骤3：以电光调制脉冲的相位为参考，精确调节选择光开关控制脉冲与电光调制脉冲之间的相位差(或者时延)；步骤4：对不同相位差对应的光栅反射信号的强度进行比较，记录峰值信号强度时延和相位差；步骤5：计算光栅的精确位置。本发明从相位和强度两个维度对光栅进行定位，从而获得亚厘米级的定位精度，实现高精度定位。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种光栅阵列的相位-强度定位方法，该定位方法适用于高反射率的波分复用(WDM)光栅阵列和低反射率的时分复用(TDM)阵列。
背景技术
基于光纤光栅阵列的传感网络具有复用能力强、响应速度快、抗电磁干扰、可靠性高等特点，广泛应用于火灾报警、周界围栏等的安全监测。在大多数工程应用中，除了需要对温度、应变、振动等物理量进行监测外，还需要对事件发生点进行快速定位。传统光栅传感网络多采用高反射率光栅WDM复用构建，但这种网络只能复用几十个光栅，很难满足大规模(如数百个监测点)的要求。2013年,武汉理工大学光纤传感国家工程实验室首次实现光纤光栅阵列的在线制备，在普通低损耗光纤上大规模自动化刻写弱光栅。这种在线制备的光栅阵列机械性能好，传输损耗低，大大提升了阵列的复用数量和传感距离，这为大规模光纤光栅传感网络的推广应用奠定了基础。但光栅阵列规模的急剧扩大，也给光栅制备及铺设质量的检测提出新的要求。例如，在光栅阵列制备时，需要检测光栅的位置及间隔的变化，而在裸光栅阵列成缆后，更需要对各光栅的绝对位置进行标定和编号，以方便针对敏感区进行监测时，根据预先确定的光栅位置进行有效铺设。因此，如何对阵列中的光栅进行准确定位，是大规模光纤光栅传感网络技术发展的必然要求。
光时域反射仪(OTDR)是OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。传统高反射率光栅多采用OTDR进行定位，这种光栅能有效反射OTDR光源入射的光信号，各光栅的位置可作为“事件”反映在衰减曲线上。但由于OTDR多采用法布里-泊罗型激光器(FP-LD)作为光源，FP-LD光源光谱呈梳状的高斯分布，即中心波长附近梳齿的功率高，边缘波长附近梳齿的功率很低，且齿缝之间波长的功率远低于梳齿功率，使得光栅对FP-LD光源的反射信号具有选择性。对于反射率不高的光栅，光栅的反射波长与FP-LD的梳齿波长失配时，光栅反射信号的功率会大大降低，甚至低于背向光散射信号的强度，此时检测电路将 无法识别光栅的反射信号，从而导致光栅的定位困难。此外，由于OTDR的定位精度受脉冲宽度和盲区的影响，其定位误差一般在+/-1m左右，饱和盲区和衰减盲区均大于2m。因此，对于定位精度要高、光栅间距小的阵列，OTDR检测存在较大困难。中国专利“一种极弱光纤光栅传感系统及其查询方法”(专利号：201210391578.5)，探讨了相位扫描查询光栅的相关技术，但这种技术仍然采用单一的时间维度来定位光栅，误差甚至都大于传统的OTDR定位技术，因此很难应用于大规模光栅阵列制备及铺设质量的检测，定位精度也很难进一步优化。如何进一步提升光栅定位的精度，探索准确定位光栅的新方法，具有重要的工程意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光栅阵列的相位-强度定位方法，该方法基于光栅反射信号的特征，从相位和强度两个维度对光栅进行定位，从而获得亚厘米级的定位精度，实现方案监测，可适用于TDM阵列和WDM阵列中光栅的定位检测，为大规模光纤光栅阵列制备及质量检测提供了优秀解决方案。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光栅阵列的相位-强度定位方法，包括如下步骤：
步骤1：宽带的连续非相干光，经过电光调制后形成宽带光脉冲，再经光环形器注入串行光栅阵列，阵列中不同空间位置的光栅依次反射光脉冲。
步骤2：以电光调制脉冲的上升沿为时间参考零点，调节选择光开关控制脉冲的时延来分离不同光栅的反射信号。当控制脉冲的时延与目标光栅反射信号的时延交叠时，该光栅的反射信号可以通过，而其它光栅的反射信号被吸收。则目标光栅距离电光调制器的距离Li为：
(tdi-tw)c/2ne≤Li≤(tdi+tw)c/2ne
式中，tw光开关脉冲的宽度，tdi这两路信号之间的时延差，ne为光纤的有效折射率，c为真空中的光速。如说明书附图中的图4所示，是相位调节过程中，精调相位差(或时延)与光度变化的示意图。
步骤3：当捕捉到光栅的反射信号后，以电光调制脉冲的相位为参考，精确调节选择光开关控制脉冲与电光调制脉冲之间的相位差(或者时延，两者量纲不同，但具有相同的物理意义，相位可以通过脉冲的周期进行折算，获得对应的时延值)，并监测通过选择光开关后信号强度的变化。假定通过信号功率的归一化面积为1，可以用相位差t的函数S(t)来描述光功率随延时变化，则：
步骤4：对不同相位差对应的光栅反射信号的强度进行逐次比较，查找信号的峰值强度，并记录峰值信号强度所对应的时延和相位差。
步骤5：根据下面的公式计算光栅的精确位置：
式中，ttotal为粗调时延与精调相位差(或时延)的和。在一般情况下，粗调时延多用于光栅反射信号捕捉，步距越大，光栅查询速度越快，但这意味着定位精度越低。精调时延的步距较小，由于光栅反射信号的强度对相位敏感，微小时延的变化即可引起光强的变化，精调步距越小，查找光强信号峰值的不确定度越小，定位精度越高。
所述光栅的定位误差还与光脉冲宽度、相位调节精度有关。在相位调节最小步距一定的情况下，光脉冲宽度越窄，相位失配所引起的功率变化越明显，信号强度的峰值点查找越准确，从而有利于缩小寻峰误差；而在光脉冲宽度一定的情况下，相位精确调节的步距越小，查找峰值时的不确定误差越小，从而改善定位精度。
一种光栅阵列的相位-强度定位方法，应用于高反射率WDM阵列光栅的精确定位。在WDM光栅阵列中，为了避免传感波长之间的串扰，考虑光栅1nm的动态工作范围，相邻通道光栅之间的波长间隔约为1nm。因此，对于WDM阵列，光源需选用谱宽较宽的宽带自发发射光源(如40nm)。当宽带的连续经电光调制后，带有多波长信息的光脉冲入射到WDM光栅阵列，各光栅反射信号携带不同的波长和位置信息，经过选择光开关后，通过对反射信号进行相位-强度检测，实现对光栅的精确定位。
一种光栅阵列的相位-强度定位方法，应用于光缆线路接续盒的定位和标识管理。在光缆传输线路中，通常光缆的标准长度只有2km，需要逐段接续来构建长距离传输线路，并设置接续盒保护每段的节点。但在线路建设完成后，众多接续盒的标识管理存在一定困难。通过在不同接续盒中接入不同波长的光栅，可以根据波长和位置对接续盒进行二维编码管理，对于光缆线路工程的管理十分有效。
一种光栅阵列的相位-强度定位方法，采用光放大器对电光调制脉冲进行放大后，可应 用于低反射率TDM光栅阵列的精确定位。在TDM光栅阵列中，为了提高阵列的复用能力，光栅多采用低反射率光栅。因此，对光源的谱宽要求不高，对系统的功率预算要求较高。小带宽光源经过电光调制后的光脉冲，经过光放大器提升光功率后入射到TDM光栅阵列，各光栅反射信号经过选择光开关后，通过对反射信号进行相位-强度检测，实现对光栅的精确定位。
依据上述发明的方法，可实现对传感光栅的准确定位，且技术实现方案简单，无需设计复杂的软硬件结构及算法，可满足目前主流WDM光栅阵列的定位要求，也能对大规模弱光栅阵列进行定位，为弱光栅阵列制备及敷设质量的检测提供了较好的解决方案。
综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)、定位精度大幅提高。比较传统的OTDR定位，该方法从两个维度进行定位，定位精度从米级提升到0.1米以下。
2)、解决了弱光栅的制备及敷设质量检测的问题。由于OTDR无法检测到弱光栅的反射信号，目前弱光栅检测存在较大困难。该方法能有效检测到光栅的精确位置，从而实现对光栅间距、光栅阵列成缆及敷设后的质量进行评估。
3)、适用范围大。该方法构建的系统不仅可以定位传统的高反射率WDM光栅阵列，也能对弱光栅构成的TDM阵列进行检测。
附图说明
图1为本发明光栅阵列的相位-强度二维定位原理图；
图中：1—脉冲时延调节器，2—电光调制器，3—选择开关，4—第一光环行器，5—光栅阵列；
图2为WDM光栅阵列定位系统原理图；
图中：6—40nm的宽带光源，7—第一光开关，8—第一脉冲发生器，9—第一计算机，10—第二光开关，11—第二光环形器，12—第一CCD解调模块，13—WDM光栅阵列
图3为TDM光栅阵列定位系统原理图；
图中：14—3nm的宽带光源，15—第三光开关，16—第二脉冲发生器，17—第二计算机，18—掺铒光纤放大器，19—第三光环形器，20—第四光开关，21—第二CCD解调模块，22—TDM光栅阵列。
图4为相位调节过程中，精调相位差(或时延)与光度变化的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种光栅阵列的相位-强度二维定位方法，包括如下步骤：
1)、宽带的连续非相干光，经过电光调制后形成宽带光脉冲，再经光环形器注入串行光栅阵列，阵列中不同空间位置的光栅依次反射光脉冲。
2)、以电光调制脉冲的上升沿为时间参考零点，调节选择光开关控制脉冲的时延来分离不同光栅的反射信号。当控制脉冲的时延与目标光栅反射信号的时延交叠时，该光栅的反射信号可以通过，而其它光栅的反射信号被吸收。
3)、以电光调制脉冲的相位为参考，精确调节选择光开关控制脉冲与电光调制脉冲之间的相位差(或者时延)，并监测通过选择光开关后信号强度的变化。
4)、在精确调节相位差的同时，对采集的光强信号进行逐次比较，查找信号的峰值强度，并记录峰值信号强度所对应的时延和相位差。
5)、根据峰值强度对应的总时延，计算光栅的精确位置。
一种光栅阵列的相位-强度二维定位方法，所述光栅的定位误差还与光脉冲宽度、相位调节精度有关。在相位调节最小步距一定的情况下，光脉冲宽度越窄，相位失配所引起的功率变化越明显，信号强度的峰值点查找越准确，从而有利于缩小寻峰误差；而在光脉冲宽度一定的情况下，相位精确调节的步距越小，查找峰值时的不确定误差越小，从而改善定位精度。
如图2所示WDM光栅阵列定位系统原理图。包括40nm的宽带光源6、第一光开关7、第二光环形器11、40个波长间隔1nm的WDM光栅阵列13、第一CCD解调模块12、第一计算机9、第一脉冲发生器8。40nm的宽带连续光经过光开关调制后，进入高反射率的WDM光栅阵列13，光栅反射光信号具有不同的时延和波长，通过第二光开关10选择后进入第一CCD解调模块12，第一CCD解调模块12采用所述的相位-强度二维定位方法可以准确定位高反射率光栅的精确位置，所选精确时延调节量为500ps，定位精度0.05m。
第一光开关7、第二光开关10可选择配置专门的驱动电路半导体光开关(SOA)器件。分别选用反射率90％、波长分别为1525～1564nm、间隔1nm3dB带宽0.3nm的光栅构建WDM阵列，整个系统可进行温度或应变传感。
将WDM系统中的40个高反射率光栅阵列分别接入光纤线路的接续盒中，每个接续盒接入一个光栅，对80km的光纤线路进行定位检测，记录每个光栅的具体位置和波长如1#光栅：波长1525nm，位置2.013km。采用上述方法依次对40个接续盒进行编号、位置 标定，记入线路管理文档，作为线路维护的重要资料存档。
如图3所示，TDM光栅阵列定位系统原理图。包括3nm的带宽光源14、第三光开关15、光纤放大器、第三光环形器19、1000个同波长且反射率0.1％的TDM光栅阵列22、第四光开关20、第二CCD解调模块21、第二计算机17、第二脉冲发生器16。3nm的宽带连续光经过SOA光开关调制后，通过EDFA掺铒光纤放大器18进行功率增益，以满足弱光栅查询的功率预算要求。小带宽光脉冲进入1000个反射率0.1％的TDM光栅阵列22，光栅反射光信号具有不同的时延，通过SOA光开关选择后进入第二CCD解调模块21，第二CCD解调模块21采用所述的相位-强度二维定位方法，可以准确定位高反射率光栅的精确位置，所选精确时延调节量为1ns，定位精度0.1m。
本发明所涉及的双SOA构建的时域查询系统，属于已有技术，已经在弱光栅查询系统中获得应用。在此只是列举部分实现方式，不对系统的细部特征再做具体叙述。
本发明的核心在于革新了传统OTDR一维(时域)的定位方法，从相位和信号强度两个维度对光栅进行定位，从而大幅提升定位精度。
Claims (4)
1.一种光栅阵列的相位-强度二维定位方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：宽带的连续非相干光，经过电光调制后形成宽带光脉冲，再经光环形器注入串行光栅阵列，阵列中不同空间位置的光栅依次反射光脉冲；
步骤2：以电光调制脉冲的上升沿为时间参考零点，调节选择光开关控制脉冲的时延来分离不同光栅的反射信号，当控制脉冲的时延与目标光栅反射信号的时延交叠时，目标光栅的反射信号可以通过，而其它光栅的反射信号被吸收；
步骤3：当捕捉到光栅的反射信号后，以电光调制脉冲的相位为参考，精确调节选择光开关控制脉冲与电光调制脉冲之间的相位差或者时延，并监测通过选择光开关后信号强度的变化；
步骤4：对不同相位差对应的光栅反射信号的强度进行逐次比较，查找信号的峰值强度，并记录峰值信号强度所对应的时延和相位差；
步骤5：根据峰值强度对应的总时延，计算光栅的精确位置Li；
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<mi>t</mi>
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<mi>l</mi>
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</mrow>
<mi>c</mi>
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其中，ttotal为粗调时延与精调相位差的和，ne是光纤的有效折射率，c为真空中的光速；
光栅的定位误差还与光脉冲宽度、相位调节精度有关，在相位调节最小步距一定的情况下，光脉冲宽度越窄，相位失配所引起的功率变化越明显，信号强度的峰值点查找越准确；而在光脉冲宽度一定的情况下，相位精确调节的步距越小，查找峰值时的不确定误差越小。
2.采用如权利1所述的光栅阵列的相位-强度二维定位方法，其特征在于，应用于高反射率WDM阵列光栅的精确定位。
3.采用如权利1或者2所述的光栅阵列的相位-强度二维定位方法，其特征在于，应用于光缆线路接续盒的定位和管理。
4.采用如权利1或者2所述的光栅阵列的相位-强度二维定位方法，其特征在于，采用光放大器对电光调制脉冲进行放大后，应用于低反射率TDM光栅阵列的精确定位。
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