CN105471510A - 一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统 - Google Patents

一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，在同一个光纤网络上实现通信和探测一体化应用，将减少光纤数量和重量；在进行光纤布置操作时，降低光纤布局工艺复杂性和装配时间，提高系统可靠性、消减设备成本；若采用传感器网络通信与其他平台总线分离，则可提高了总线通信的可靠性，在出现总线异常等故障时，传感器网络可正常使用，为检测人员对平台故障检测、分析、处理提供更可靠的依据。

Description

一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统
技术领域
本发明涉及光纤通信与光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统。
背景技术
近年以来，随着传感器技术、信息技术的不断发展，人们对与信息传输的要求越来越高，传统的电学通信线路已经难以满足人们对通信带宽的要求，光纤已经超出骨干网应用范畴，开始向终端用户传输；而在专用系统中(如航天器、水面舰船、飞机、巨型计算机等)，光纤通信技术已经应用到设备间、传感器间。
随着信息技术发展，传感器在生产、生活中的应用越来越多，而水面舰船、大型飞机、空间飞行器、智能住宅等均要求通过电学和光学手段，对感兴趣的电学、声学、力学、视频等多种信息进行探测，传感器网络应运而生。
另一方面，随着光纤光栅传感技术的发展，在生产、生活中对结构等温度、应力、应变、振动等信息的光纤光栅测量技术日趋成熟。光纤光栅传感器具有尺寸小、重量轻、带宽大、灵敏度高、抗电磁干扰能量强、耐腐蚀能力强和寿命长等优点，而且是对波长绝对编码、不受光功率波动影响、集传感和传输于一体、易于埋入材料内部、具有对结构的应力、应变、振动、温度进行高精度绝对、分布是测量的优点。
但是，在载人空间站、通信卫星平台、大型空间展开机构、空间太阳能电站等大型航天器平台的应用环境中，如果单独布设光栅传感器和通信光纤，会增加成本，同时也导致布设工作繁琐，使得整个系统的重量增加。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，利用波分复用技术，实现光栅传感与光纤通信一体化，可用于实现分布式传感器与传感控制器间的传感和通信，可降低复杂光纤的布设成本，实现对通信系统环境的感知能力。
一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，包括一个光纤调制解调模块以及N条通信传感通道，N为大于或等于1的整数，其取值根据通信和传感的需求确定；
各条通信传感通道均基于光纤构成，所述光纤上布设光栅传感器；每条光纤的发射端设有通信传感分离接口和一个通信模块，光纤的接收端设有一个通信模块；
所述通信模块用于产生通信光信号，并将通信光信号送入所在光纤中进行光纤通信；同时，发射端设置的通信模块从所述通信传感分离接口接收对端发射的通信光信号，接收端的通信模块从所述光纤中接收对端发射的通信光信号；
所述通信传感分离接口接收光纤调制解调模块输出的传感光信号，同时，从本端的通信模块接收通信光信号；在发射时，将所述传感光信号和通信光信号进行光强耦合形成一束光，送入所在光纤；在接收时，通信传感分离接口将从所在光纤设置的各个光栅传感器接收反射的传感光信号和从对端接收的通信光信号进行分离，将反射的传感光信号送入光纤调制解调模块，将从对端接收的通信光信号送入本端的通信模块；
所述光纤调制解调模块用于将光栅传感器反射的传感光信号进行解调，得到传感数据；
所述传感光信号和通信光信号具有不同的波长分布。
较佳的，所述通信传感分离接口包括耦合器和两个滤波单元；所述耦合器用于实现所述光强耦合并将反射的传感光信号和从对端接收的通信光信号进行分离；所述两个滤波单元用于分别滤除分离后的传感光信号和通信光信号中的噪声。
较佳的，所述传感光信号的波长分布范围为1525nm～1565nm；通信光信号的波长为1310nm；所述耦合器的中心波长为1525nm。
较佳的，用于对传感光信号进行滤波的滤波单元包括两个串联的滤波器，其中一个滤波器采用光纤跳线端面镀膜的方式，对波长在1525nm～1565nm之外的杂散光进行带通滤波；另外一个滤波器使用光纤光栅传感器，对残余的1310nm通信光信号进行滤除。
较佳的，用于对通信光信号进行滤波的滤波单元采用光纤光栅滤波器，对1310nm的通信光信号进行反射式通过，将非1310nm杂散光进行滤除。
较佳的，所述传感光信号的波长分布范围为1525nm～1544nm与11546nm～1565nm的并集，通信光信号的波长为1550nm。
较佳的，所述光纤调制解调模块采用光源波长匹配的方式实现解调。
较佳的，所述光纤调制解调模块采用衍射光栅实现解调。
较佳的，所述通信模块采用跨阻放大器和激光信号探测器实现所述通信光信号的接收。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的一体化系统，在同一个光纤网络上实现通信和探测一体化应用，将减少光纤数量和重量；在进行光纤布置操作时，降低光纤布局工艺复杂性和装配时间，提高系统可靠性、消减设备成本；若采用传感器网络通信与其他平台总线分离，则可提高了总线通信的可靠性，在出现总线异常等故障时，传感器网络可正常使用，为检测人员对平台故障检测、分析、处理提供更可靠的依据。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅传感与光纤通信一体化系统的原理框图；
图2为本发明的光纤光栅传感与光纤通信一体化系统中的通信传感分离接口模块的原理框图。
图3为本发明的光纤光栅传感与光纤通信一体化系统中的光纤调制解调模块原理框图。
图4为本发明的光纤光栅传感与光纤通信一体化系统中的通信模块原理图。
图5为本发明的通信模块中光发射器组成结构图。
图6为本发明的通信模块中光接收器组成结构圈。
1-通信传感分离接口、2-通信模块、3-光纤调制解调模块、4-光栅传感器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
根据系统传感与通信一体化的功能需求，同时兼顾未来使用中的可维护性要求，本发明提供了一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，在一个光纤网络中，同时完成对通信端机间的通信和传输网络空间的光栅传感，将大大降低复杂光纤的布设成本，实现对通信系统环境的感知能力。
如图1所示，一体化系统包括一个光纤调制解调模块3以及N条通信传感通道，N为大于或等于1的整数，其取值根据通信和传感的需求确定。
各条通信传感通道均基于光纤完成对光信号的低损耗传输，所述光纤上布设光栅传感器4，对被测航天器的温度、应力、应变、振动等信息的感知和信号传输；每条光纤的发射端设有通信传感分离接口1和一个通信模块2，光纤的接收端设有一个通信模块2；
所述通信模块2用于产生通信光信号，并将通信光信号送入所在光纤中进行光纤通信；同时，发射端设置的通信模块2从所述通信传感分离接口1接收对端发射的通信光信号，接收端的通信模块2从所述光纤中接收对端发射的通信光信号；
所述通信传感分离接口1接收光纤调制解调模块3输出的传感光信号，同时，从本端的通信模块2接收通信光信号；在发射时，将传感光信号和通信光信号进行强度耦合成一束光，送入所在光纤；在接收时，将从所在光纤设置的各光栅传感器4接收反射的传感光信号和从对端接收的通信光信号进行分离，分别送入光纤调制解调模块3和本端的通信模块2；同时对可能影响传感和通信信噪比的噪声信号进行滤波处理。
如图2所示，通信传感分离接口1包括耦合器和两个滤波单元；所述耦合器用于实现光强耦合并将反射光信号和从对端接收的通信光信号进行分离；所述两个滤波单元用于分别滤除分离后的反射光信号和通信光信号中的噪声。
所述光纤调制解调模块3用于将光栅传感器4反射的传感光信号进行解调，得到传感数据；
为了保证将光纤中的传感光信号和通信光信号进行分离，本发明基于波分复用技术，将所述传感光信号和通信光信号设计成具有不同的波长分布。如表1所示，为本发明中传感光信号和通信光信号使用的波段范围。
表1系统波长分配
以方案1为例，耦合器采用中心波长在1525nm的耦合器，可以将波长大于1525nm的光栅传感光束与1310nm(小于1525nm)的通信光束进行分离。
如图2所示，用于对传感光信号进行滤波的滤波单元包括串联的滤波器1和滤波器2，滤波器1选用光纤跳线端面镀膜的方式，对波长在1525nm～1565nm之外的杂散光进行带通滤波。滤波器2使用光纤光栅传感器4，对残余的1310nm光信号进行滤波，完成对宽带光源内的通信波长噪声进行滤波；
用于对通信光信号进行滤波的滤波单元为滤波器3，采用光纤光栅滤波器，对1310nm的通信光信号进行反射式通过，将非1310nm杂散光进行滤除。
光纤调制解调模块3根据被测平台性能需求，针对要求带宽大，高速解调的需求，可以采用光源波长匹配法进行，对于带宽要求不高的探测条件，可以采用衍射光栅法进行解调，该模块采用传统方式进行处理，如图3所示，采用衍射光栅实现光纤调制解调模块3，主要由光学部分和解调电路系统两部分组成。
光学部分：基于衍射光栅解调原理，实现对不同中心波长值FBG传感器的波长分离、传输和光电转换，光学系统由ASE宽带光源、隔离器、环形器、光开关、衍射光栅模块组成。
解调电路：主要完成控制和驱动光开关、衍射光栅模块实现系统时序的同步，对衍射光栅模块光电转换后的电信号进行采集、解调。该部分由FPGA、衍射光栅采集电路、光器件驱动电路、传输接口组成。基于衍射光栅解调原理，实现对不同中心波长值FBG传感器的波长分离、传输和光电转换，光学系统由ASE宽带光源、隔离器、环形器、光开关、衍射光栅模块组成。
在本系统中，核心是使用同一个光纤实现传感光束与通信光束的复用，因此，对于通信模块2，要求其必须具有接受和发射一体、共光纤传输能力，该模块是实现光电、电光转换，具有独立发射驱动和接收放大电路，收发功能合一，符合电信传输标准的光电子系统。如图4所示，光发射部分由偏置控制电路给激光源提供偏置电流，数据信号进入高速缓冲器整形后，形成调制电流，驱动激光源输出光信号，完成数据发射。调节装置电流根据发射数据变化，该电流可以控制光发送模块的消光比和输出功率稳定。温度控制电路由热敏电阻、致冷器形成双向控制，以保证模块工作时光源中心波长的稳定。光接收部分主要由PD探测器，前置放大器，主放大器，判决均衡电路和时钟提取电路组成。由PD把接收到的光信号转为电信号，前置放大器可降低噪声干扰，提高接收灵敏度。主放大器将信号整形放大，再由判决再生电路和时钟电路将信号数据还原，该结构为传统光纤通信收发单元组成。
如图5所示，光发射部分的功能是将数据信号转变为光信号送入光纤进行传输。它主要包括信号的调制、静态工作点调节和自动功率控制(APC)等子电路。发送器模块中包含：VSCEL激光器(LO)、激光驱动器，激光器(LD)和监视二极管一起构成发射器光部件(TOSA)。
如图6所示，光接收部分的功能是将光纤传输中的微弱光信号转变为电信号。它手要由前放、后放以及判决电路组成。接收器包含：激光信号探测器(PD或PIN)，跨阻放大器(TIA)，主放大器(PA/LA)。TIA和PD(PIN)管一起构成接收器光部件(ROSA)。
本发明的一体化系统非常实用应用于载人空间站、通信卫星平台、大型空间展开机构、空间太阳能电站等大型航天器平台适应。另外，该技术可广泛用于同时需要传感和通信的场合。在军事方面，如军舰、飞机、地面导弹系统等，该技术可以很好的满足武器系统对环境进行多维感知，并及时的将感知信息进行传输、汇总的需求。在民用方面，该技术可以应用于建筑物监测，在进行光纤接入的高速有线通信的同时，实现对建筑内关键承重结构应变的检测，在出现建筑物结构变化时，及时的对结构损伤做出预警。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其特征在于，包括一个光纤调制解调模块(3)以及N条通信传感通道，N为大于或等于1的整数，其取值根据通信和传感的需求确定；
各条通信传感通道均基于光纤构成，所述光纤上布设光栅传感器(4)；每条光纤的发射端设有通信传感分离接口(1)和一个通信模块(2)，光纤的接收端设有一个通信模块(2)；
所述通信模块(2)用于产生通信光信号，并将通信光信号送入所在光纤中进行光纤通信；同时，发射端设置的通信模块(2)从所述通信传感分离接口(1)接收对端发射的通信光信号，接收端的通信模块(2)从所述光纤中接收对端发射的通信光信号；
所述通信传感分离接口(1)接收光纤调制解调模块(3)输出的传感光信号，同时，从本端的通信模块(2)接收通信光信号；在发射时，将所述传感光信号和通信光信号进行光强耦合形成一束光，送入所在光纤；在接收时，通信传感分离接口(1)将从所在光纤设置的各个光栅传感器(4)接收反射的传感光信号和从对端接收的通信光信号进行分离，将反射的传感光信号送入光纤调制解调模块(3)，将从对端接收的通信光信号送入本端的通信模块(2)；
所述光纤调制解调模块(3)用于将光栅传感器(4)反射的传感光信号进行解调，得到传感数据；
所述传感光信号和通信光信号具有不同的波长分布。
2.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其特征在于，所述通信传感分离接口(1)包括耦合器和两个滤波单元；所述耦合器用于实现所述光强耦合并将反射的传感光信号和从对端接收的通信光信号进行分离；所述两个滤波单元用于分别滤除分离后的传感光信号和通信光信号中的噪声。
3.如权利要求2所述的一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其特征在于，所述传感光信号的波长分布范围为1525nm～1565nm；通信光信号的波长为1310nm；所述耦合器的中心波长为1525nm。
4.如权利要求3所述的一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其特征在于，用于对传感光信号进行滤波的滤波单元包括两个串联的滤波器，其中一个滤波器采用光纤跳线端面镀膜的方式，对波长在1525nm～1565nm之外的杂散光进行带通滤波；另外一个滤波器使用光纤光栅传感器(4)，对残余的1310nm通信光信号进行滤除。
5.如权利要求4所述的一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其特征在于，用于对通信光信号进行滤波的滤波单元采用光纤光栅滤波器，对1310nm的通信光信号进行反射式通过，将非1310nm杂散光进行滤除。
6.如权利要求2所述的一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其特征在于，所述传感光信号的波长分布范围为1525nm～1544nm与11546nm～1565nm的并集，通信光信号的波长为1550nm。
7.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其特征在于，所述光纤调制解调模块(3)采用光源波长匹配的方式实现解调。
8.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其特征在于，所述光纤调制解调模块(3)采用衍射光栅实现解调。
9.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感与光纤通信一体化系统，其特征在于，所述通信模块(2)采用跨阻放大器和激光信号探测器实现所述通信光信号的接收。
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