CN106153088A - 双向阵列光纤光栅复合传感系统 - Google Patents

Abstract

一种双向阵列光纤光栅复合传感系统，包括快速可调激光器、电光调制器、环形器、准分布式光纤光栅传感阵列和信号处理模块，准分布式光纤光栅传感阵列包括光纤，在光纤中连续写入N组不同中心反射波长的光纤光栅且每组有M个中心反射波长相同的光纤光栅，快速可调谐激光器扫频产生窄带激光，送入到电光调制器，信号处理模块产生电光调制器的驱动脉冲，对窄带光调制，产生的光脉冲从环形器a口入、b口出，进入准分布式光纤光栅传感阵列并产生M个反射和前向光脉冲，M个反射光脉冲从环形器b口入、c口出，并经后向光放大与接收模块后进入信号处理模块，前向光脉冲产生群延时效应，产生一串脉冲，经前向光放大与接收模块后进入信号处理模块。

Description

双向阵列光纤光栅复合传感系统

技术领域

本发明涉及一种准分布式时域、频域光纤光栅传感及其解调技术，具体地指一种基于阵列光纤光栅中双向时域、频域温度与压力复合传感阵列系统，属于光传感技术领域。

背景技术

光纤布拉格光栅(FBG)凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、高精度、多参数、体积小、易于分布式测量等优越的特性，已被认为最具发展前途的光纤传感器，在各类工程技术领域得到广泛应用。

温度与应变是工程系统中结构或环境健康监测的两个关键测试参量。局部关键位置的应力状态直接关系到系统安全服役状态，温度则对其健康状况和使用寿命有巨大影响。FBG能够测量温度与应变，精度高，调解速度快，但由于温度与应变的交叉敏感，采用传统的高反射率FBG，同时准确测量大型结构的温度与应变一直是工程应用中的难题。目前提出的通过检测参考光栅背向自发或受激布里渊散射光，实现分布式温度与应变的测量，但解调速度慢，测试精度低，且需要两根光纤同时检测温度与应变。

为了扩大工程应用范围，必须构成串联或并联的FBG传感系统或网络。传统的光纤光栅传感系统由于采用高反射率FBG，一般采用波分复用技术构成准分布式传感系统，定位准确。但采用该技术的最大复用容量严重受限于光源带宽，难以满足大规模系统的需求。同时，在实际的工程应用中布设相对困难，线路复杂且布设成本高。

长期以来，人们习惯于采用FBG中反射光谱获取传感信息，忽略了其前向传输光的各类信息。本发明提出，前向光在布拉格谐振波长附近存在一定的群延时，传播速度较反射光慢，对外界应力或振动信息敏感，构成相位变化。采用快速扫频激光器，将波分复用与时分复用技术相结合，同时检测双向光波的信息，扩大FBG传感系统的容量。

发明内容

本发明提供一种双向阵列光纤光栅复合传感系统，本发明采用单根光纤就能够同时检测传感区域中的温度与应变，检测速度快，系统灵敏度高，检测容量大，系统结构简单，可靠性高。

本发明采用如下技术方案：

一种双向阵列光纤光栅复合传感系统，包括快速可调激光器、电光调制器、环形器、准分布式光纤光栅传感阵列和信号处理模块，快速可调谐激光器在信号处理模块的控制下，开始扫频，产生窄带激光，送入到电光调制器，信号处理模块产生电光调制器的驱动脉冲，对窄带光调制，产生的与一组光纤光栅中心波长匹配的光脉冲从环形器的a口入、b口出，进入准分布式光纤光栅传感阵列并产生了反射光脉冲和前向光脉冲，反射光脉冲从环形器b口入、c口出，并经后向光放大与接收模块后进入信号处理模块，同时前向光脉冲在所述的一组光纤光栅中心波长附近产生群延时效应，慢光产生一串脉冲，经前向光放大与接收模块后进入信号处理模块。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供一种了基于快、慢光波同时检测温度与应力(振动)的大容量光纤光栅阵列的系统，能够克服现有的准分布式光纤光栅传感应用系统中存在的传感单元容量小、检测系统布设困难、线路复杂、布设成本高以及传感响应慢、测量精度低等的不足。本发明采用单根光纤就能够同时检测传感区域中的温度与应变，检测速度快，系统灵敏度高，检测容量大，系统结构简单，可靠性高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，为双向阵列光纤光栅复合传感系统的工作原理。

图2为双向阵列光纤光栅复合传感系统快速可调激光器产生的窄带光源光谱示意图。

图3为双向传感光纤光栅符合传感系统的时分、波分复用技术的原理图。

具体实施方式

一种双向阵列光纤光栅复合传感系统，包括快速可调激光器1、电光调制器2、环形器3、准分布式光纤光栅传感阵列4和信号处理模块7，所述准分布式光纤光栅传感阵列4包括光纤，在所述光纤中连续写入N组具有不同中心反射波长的光纤光栅且每组有M个具有同样中心反射波长的光纤光栅，快速可调谐激光器1在信号处理模块7的控制下，开始扫频，产生窄带激光，送入到电光调制器，信号处理模块7产生电光调制器2的驱动脉冲，对窄带光调制，产生的与一组光纤光栅中心波长匹配的光脉冲从环形器3的a口入、b口出，进入准分布式光纤光栅传感阵列4并产生了M个反射光脉冲和前向光脉冲，M个反射光脉冲从环形器b口入、c口出，并经后向光放大与接收模块5后进入信号处理模块7，同时前向光脉冲在所述的一组光纤光栅中心波长附近产生群延时效应，慢光产生一串脉冲，经前向光放大与接收模块6后进入信号处理模块7。准分布式光纤光栅传感阵列4为准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感阵列，所述准分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感阵列为写入有N组中心反射波长各不相同的光纤光栅且每组所述光纤光栅含有M个中心反射波长相同的光纤光栅，通过控制光电调制器2产生窄带激光光源，对准分布式光纤光栅传感阵列进行分组扫描，实现在组与组之间的波分复用；准分布式光纤光栅传感阵列的同组不同位置上的光纤光栅的反射光和前向光按时序形成脉冲串且被接收、处理，区分出准分布式光纤光栅传感阵列的反射光传感信号和前向光传感信号。

本发明将波分复用与时分复用技术相结合，可同时检测沿线放置FBG处的温度与应变，包括如下步骤：

1)在光纤中连续写入N组具有不同中心反射波长的光纤光栅，每组都有M个具有同样中心反射波长的光纤光栅，从而得到了大容量光纤光栅阵列传感光纤，单根光纤的所含光纤光栅传感器的容量可达到M×N。

2)快速可调激光器具有宽波长带宽，但任一时刻扫频发出窄带连续光，其中心波长与在FBG阵列中某单组FBG的中心波长相匹配。窄带连续光经过电光调制器后产生单个脉冲，通过环形器进入准分布式光纤光栅传感阵列。该脉冲经过与其中心波长匹配的一组FBG时，不同FBG产生具有一定时延的一串反射光脉冲，经环形器后进入放大、接收与处理电路。该脉冲的前向光由于光纤光栅作用也会在该组FBG阵列的中心波长附近产生群延时效应，形成一串慢光脉冲，进入到前向光放大、接收与处理电路。这样通过分别控制扫频激光器、电光调制器，产生窄带光脉冲，实现对准分布式波分复用光纤光栅传感阵列的分组扫描。

3)光纤光栅传感阵列中位于同一组的具有相同中心波长的光纤光栅串处在不同的空间位置，该组中每个光纤光栅的反射光或前向慢光到达光接收电路的时间不同，则实现了具有相同中心波长的每组光纤光栅传感信息在时域分开，采用时分复用技术可采集该组中每个光纤光栅的反射光传感信号和前向光传感信号。

4)准分布式光纤光栅传感阵列中的单根光纤上各光纤光栅的后向反射信号光的中心波长λ_i和前向慢光信号光的相移P_i如下关系式：

λ_i＝λ_io+C_TΔT_i+C_εΔε_i

(1)

P_i＝P_i0+K_TΔT_i+K_εΔε_i (2)

式中，λ_i0为第i个光纤光栅的初始的反射波长，C_T和C_ε分别为光纤光栅的温度和应变系数，P_i0为第i个光纤光栅前向慢光信号光的初始的相移，K_T和K_ε分别为慢光相移的温度和应变系数，C_T、C_ε、K_T、K_ε是提前通过测量分布式光纤光栅传感光纤标定获得的，联立(1)，(2)得到第i个光纤光栅的温度变化量ΔT_i和应变变化量Δε_i，如下式：

${\mathrm{\ΔT}}_i=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}\mathrm{\Δ}{P}_i---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_i=\frac{K_T}{K_{\mathrm{T\ϵ}}{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_{\mathrm{T\ϵ}}{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{T\ϵ}}}{K_{\mathrm{T\ϵ}}{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_{\mathrm{T\ϵ}}{K}_{\mathrm{\ϵ}}}\mathrm{\Δ}{P}_i---\left(4\right)$

其中，Δλ_i＝Δλ_i-Δλ_i0，ΔP_i＝P_i-P_i0。

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步详细描述：

如图1所示，本发明是一种双向阵列光纤光栅复合传感系统，包括快速可调激光器、电光调制器、环形器、准分布式光纤光栅传感阵列、前向光放大与接收电路、后向光放大与接收电路和信号处理模块。

快速可调谐激光器在信号处理模块的控制下，开始扫频，任一时刻产生窄带激光，送入到电光调制器。信号处理模块产生电光调制器的驱动脉冲，对窄带光调制，产生的光脉冲从环形器a口入、b口出，进入准分布式光纤光栅传感阵列。

准分布式FBG传感阵列由在光纤中连续写入N组具有不同中心波长的FBG串构成，每组都由M个具有同样中心波长的FBG，从而构成大容量FBG传感阵列。经过扫频激光器、电光调制器产生的与FBG阵列中某组FBG的中心波长匹配单个脉冲，传输到该组FBG串时，产生了M个反射光脉冲，从环形器b口入、c口出，并经后向光放大与接收模块后进入信号处理电路。前向光脉冲在该组FBG阵列的中心波长附近产生群延时效应，慢光产生了一串脉冲，经前向光放大与接收模块后进入信号处理电路。这样通过控制光电调制器产生窄带激光光源可以实现对准分布式光纤光栅传感阵列进行分组扫描，可实现在组与组之间的波分复用。光纤光栅传感阵列中位于同一组的具有相同中心波长的光纤光栅由于处在不同的位置上，该组中每个光纤光栅的反射光或前向光到达反射光放大与接收电路或前向光放大接收与处理电路的时间不同，时分复用技术则使每组FBG串产生了脉冲串。从而在后端光接收模块中可区分该准分布式光纤光栅传感阵列的反射光传感信号和前向光传感信号。

准分布式光纤光栅传感阵列中的单根光纤上各光纤光栅的后向反射信号光的中心波长λ_i和前向慢光信号光的相移P_i如下关系式：

λ_i＝λ_io+C_TΔT_i+C_εΔε_i (1)

P_i＝P_i0+K_TΔT_i+K_εΔε_i (2)

式中，λi0为第i个光纤光栅的初始的反射波长，CT和Cε分别为光纤光栅的温度和应变系数，P i0为第i个光纤光栅前向慢光信号光的初始的相移，KT和Kε分别为慢光相移的温度和应变系数，CT、Cε、KT、Kε是提前通过测量分布式光纤光栅传感光纤标定获得的，联立(1)，(2)得到第i个光纤光栅的温度变化量ΔTi和应变变化量Δεi，如下式：

${\mathrm{\ΔT}}_i=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}\mathrm{\Δ}{P}_i---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_i=\frac{K_T}{K_{\mathrm{T\ϵ}}{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_{\mathrm{T\ϵ}}{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{T\ϵ}}}{K_{\mathrm{T\ϵ}}{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_{\mathrm{T\ϵ}}{K}_{\mathrm{\ϵ}}}\mathrm{\Δ}{P}_i---\left(4\right)$

其中，Δλ_i＝Δλ_i-Δλ_i0，ΔP_i＝P_i-P_i0。

Claims (3)

1.一种双向阵列光纤光栅复合传感系统，其特征在于，包括快速可调激光器（1）、电光调制器（2）、环形器（3）、准分布式光纤光栅传感阵列（4）和信号处理模块（7），快速可调谐激光器（1）在信号处理模块（7）的控制下，开始扫频，产生窄带激光，送入到电光调制器，信号处理模块（7）产生电光调制器（2）的驱动脉冲，对窄带光调制，产生的与一组光纤光栅中心波长匹配的光脉冲从环形器（3）的a口入、b口出，进入准分布式光纤光栅传感阵列（4）并产生了反射光脉冲和前向光脉冲，反射光脉冲从环形器b口入、c口出，并经后向光放大与接收模块（5）后进入信号处理模块（7），同时前向光脉冲在所述的一组光纤光栅中心波长附近产生群延时效应，慢光产生一串脉冲，经前向光放大与接收模块（6）后进入信号处理模块（7）。

2.根据权利要求1所述的双向阵列光纤光栅复合传感系统，其特征在于，准分布式光纤光栅传感阵列（4）为准分布式光纤布拉格光栅（FBG）传感阵列，所述准分布式光纤布拉格光栅（FBG）传感阵列为写入有N组中心反射波长各不相同的光纤光栅且每组所述光纤光栅含有M个中心反射波长相同的光纤光栅，通过控制光电调制器（2）产生窄带激光光源，对准分布式光纤光栅传感阵列进行分组扫描，实现在组与组之间的波分复用；准分布式光纤光栅传感阵列的同组不同位置上的光纤光栅的反射光和前向光按时序形成脉冲串且被接收、处理，区分出准分布式光纤光栅传感阵列的反射光传感信号和前向光传感信号。

3.根据权利要求1所述的双向阵列光纤光栅复合传感系统，其特征在于，所述准分布式光纤光栅传感阵列（4）包括光纤，在所述光纤中连续写入N组具有不同中心反射波长的光纤光栅且每组有M个具有同样中心反射波长的光纤光栅，准分布式光纤光栅传感阵列（4）并产生了M个反射光脉冲和前向光脉冲。