CN110579227A - 时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统及方法，该时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统包括光源子系统、定向耦合器、待测光栅网络、解调子系统以及中心控制子系统；定向耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口；光源子系统与定向耦合器的第一端口连接，定向耦合器的第二端口与待测光栅网络连接，解调子系统与定向耦合器的第三端口连接；中心控制子系统与光源子系统和解调子系统均连接；光源子系统中包括至少一个分布式反馈激光管；待测光栅网络为时分/波分复用的传感网络，包括至少一条光纤，光纤上集成有至少两个光栅，光栅的反射率小于‑20dB，以满足目前光纤光栅分布式传感系统日益增长的探测需求。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光纤传感技术，尤其涉及一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统及方法。
背景技术
近年来众多工程领域对大容量的需求增多，实现分布式、多参量、多功能感测的传感网络系统成为当前传感领域的研究热点。其中，光纤布拉格光栅(FBG)传感技术是一种典型的准分布式光纤传感技术，在航空航天、铁路、石油化工、电力、医疗、船舶、土木工程等领域具有广泛的应用价值。随着高速铁路的快速发展，铁路建设运营单位都提出了具有工程应用价值的大范围、低成本、高效益的环境监控系统的迫切需求。光纤光栅传感技术线性响应好、精度高、灵敏度高、测量范围广、可微型化、易于大规模组网，并且可以在一根光纤上刻写数以万计的光纤光栅等特点，非常适用于大范围边界防护、铁轨状态监测、混凝土水化热温度监控、铁路路基沉降、接触网温度监控等多种高速铁路工程应用场景和其他航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶、土木工程等大范围工程领域。
目前，常见的光纤光栅的复用方式可以分为波分复用(WDM)、时分复用(TDM)和频分复用(FDM)。波分复用是最常见的复用技术并已经实现商用化，然而受光源带宽的限制，单路复用容量一般不超过几十个。时分复用技术具有高复用、长距离的优势，但是受到光源功率、光栅反射率和光栅之间的串扰的限制。频分复用技术解调难度大、抗干扰性大，稳定性较差。因此，现有的光纤光栅分布式传感系统并不能满足日益增长的探测需求。
发明内容
本发明提供一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统及方法，以满足目前光纤光栅分布式传感系统日益增长的探测需求。
第一方面，本发明实施例提供了一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统，包括光源子系统、定向耦合器、待测光栅网络、解调子系统以及中心控制子系统；
所述定向耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口；
所述光源子系统与所述定向耦合器的第一端口连接，所述定向耦合器的第二端口与所述待测光栅网络连接，所述解调子系统与所述定向耦合器的第三端口连接；所述中心控制子系统与所述光源子系统和所述解调子系统均连接；
所述光源子系统中包括至少一个分布式反馈激光管；
所述待测光栅网络为时分/波分复用的传感网络，包括至少一条光纤，所述光纤上集成有至少两个光栅，所述光栅的反射率小于-20dB；
在工作状态下，所述中心控制子系统控制所述光源子系统输出探测信号光，所述探测信号光经所述定向耦合器进入到所述待测光栅网络中，并在所述待测光栅网络中所述光栅处反射形成反射光，所述反射光经所述定向耦合器进入到所述解调子系统，所述解调子系统对所述反射光进行采集处理形成电信号，所述中心控制子系统对所述电信号进行数据处理，形成监测结果并输出。
第二方面，本发明实施例还提供了一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的网络规划方法，所述时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统为本发明实施例提供的任意一种所述的光纤光栅分布式传感系统；
所述网络规划方法包括：
S11、根据待测环境，确定待测光栅网络所需的传感点数量和传输距离以及探测脉冲宽度w和光栅反射率R；
S12、根据探测脉冲宽度w，确定时分复用工作方式下最小光栅间隔dmin；
S13、确定受返回功率的影响的最大光栅数量Nrp，并根据返回功率的大小确定解调子系统的动态范围，选定探测信号光的放大系数；
S14、根据探测信号光的信噪比曲线，确定光栅最佳复用数Nop和最大可识别的光栅数Nid,根据监测需要，选择Nop和Nid中的一个作为受探测信号的信噪比影响的光栅数量Nzy；
S15、计算时分复用方法下的阴影效应导致的频谱失真反射谱，确定反射光谱畸变零界点的光栅数量Nshadow；
S16、将Nrp、Nzy、Nshadow中的最小值作为时分复用下的光栅复用个数NTDM，并基于NTDM和dmin，对中心波长相同的光栅在光纤中的具体位置进行规划；
S17、确定波长随待测传感量的变化范围Δλ，并根据光源的带宽B，确定波分复用方式下的复用个数NWDM，并基于NWDM对分布式反馈激光管进行规划。
第三方面，本发明实施例还提供了一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的监控方法，所述监控方法适用于本发明实施例提供的任意一种所述的光纤光栅分布式传感系统；
所述监控方法包括：
S201、输入采集间隔和测量属性，所述测量属性包括扫描范围、波长扫描精度、探测信号光波形、输出功率、解调子系统的放大系数、采集数据量以及采集次数；
S202、所述中心控制子系统基于所述采集间隔和测量属性生成控制指令；
S203、所述中心控制子系统控制所述光源子系统输出波长为λi的探测信号光；
S204、所述探测信号光通过所述定向耦合器进入到待测光栅网络中，并在所述待测光栅网络中所述光栅处反射形成反射光，所述反射光经所述定向耦合器进入到所述解调子系统；
S205、所述解调子系统对所述反射光进行采集、处理形成电信号，并对所述电信号进行采样；
S206、所述中心控制子系统将采样信号进行存储以及进行第一次数据处理；
S207、若存储的采样信号达到预设的采集数据量，认定一次采集结束，采集次数加一；
S208、若采集次数未达到预设的采集次数，重复执行S203-S207，并对各所述第一次数据处理后的数据求平均值，作为第二次数据处理结果；
S209、若采集次数达到预设的采集次数，且扫描波长未超出设定的扫描范围时，记录该波长的所述第二次数据处理结果，所述中心控制子系统对所述光源子系统输出的探测信号光的波长进行调整，重复执行S204至S208；
S210、若采集次数达到预设的采集次数，且扫描波长超出设定的扫描范围时，根据各个波长的所述第二次数据处理结果以及各个光栅的中心波长，计算所测物理量的变化量，形成监测结果；
S211、若监测结果达到告警限值时，输出告警信号以及告警信号涉及的传感器位置信息。
本发明实施例通过设置时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统，包括光源子系统、定向耦合器、待测光栅网络、解调子系统以及中心控制子系统；所述定向耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口；所述光源子系统与所述定向耦合器的第一端口连接，所述定向耦合器的第二端口与所述待测光栅网络连接，所述解调子系统与所述定向耦合器的第三端口连接；所述中心控制子系统与所述光源子系统和所述解调子系统均连接；所述光源子系统中包括至少一个分布式反馈激光管；所述待测光栅网络为时分/波分复用的传感网络，包括至少一条光纤，所述光纤上集成有至少两个光栅，所述光栅的反射率小于-20dB，解决了现有的光纤光栅分布式传感系统并不能满足日益增长的探测需求的问题，实现了满足目前光纤光栅分布式传感系统日益增长的探测需求的效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的结构框图；
图2-图5为本发明实施例提供的时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统时分复用方式下的阴影效应导致的频谱失真反射谱；
图6为本发明实施例提供的另一种光纤光栅分布式传感系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统在某一波长的测试曲线；
图8为本发明实施例提供的一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统监控某一个光栅的监控结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的结构框图。参见图1，该时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统包括光源子系统1、定向耦合器2、待测光栅网络3、解调子系统4以及中心控制子系统5。定向耦合器2包括第一端口、第二端口和第三端口；光源子系统1与定向耦合器2的第一端口连接，定向耦合器2的第二端口与待测光栅网络3连接，解调子系统4与定向耦合器2的第三端口连接；中心控制子系统5与光源子系统1和解调子系统4均连接；光源子系统1中包括至少一个分布式反馈激光管(图1中未示出)；待测光栅网络3为时分/波分复用的传感网络，包括至少一条光纤(图1中未示出)，光纤上集成有至少两个光栅，光栅的反射率小于-20dB。
在工作状态下，中心控制子系统5控制光源子系统1输出探测信号光，探测信号光经定向耦合器2进入到待测光栅网络3中，并在待测光栅网络3中光栅处反射形成反射光，反射光经定向耦合器2进入到解调子系统4，解调子系统4对反射光进行处理、采集形成电信号，中心控制子系统5对该电信号进行数据处理，形成监测结果并输出。
光纤光栅分布式传感系统的工作方式包括时分复用方式、波分复用方式、以及时分-波分复用方式。时分/波分复用的传感网络是指可以以时分复用方式、波分复用方式以及时分-波分复用方式中至少一种工作的传感网络。
分布式反馈激光管具有温度调谐的功能，可以通过该温度调谐功能生成多种波长的探测信号光，进而以时分复用方式进行工作。
上述技术方案中，光栅作为传感单元，可采用相同传感特性的超弱反射光纤布拉格光栅(UW-FBG)，反射率R小于-20dB(<1％)，每一个传感器的波长随监测变量在一定范围内变化。
上述技术方案的实质是采用超弱光纤光栅作为传感器，使用时分/波分复用方式的传感网络结构，以波长可调谐光时域反射仪为解调器件，实现大容量分布式传感系统。该系统具有结构简单、成本低廉、易于调节、控制灵活、重复性好、效率高、易于工业化生产等优点，非常适用于大范围边界防护、铁轨状态监测、混凝土水化热温度监控、铁路路基沉降、接触网温度监控等多种高速铁路工程应用场景和其他航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶、土木工程等大范围工程领域。
在上述技术方案的基础上，可选地，光源子系统1中包括两个或两个以上分布式反馈激光管；各分布式反馈激光管可输出探测信号光的中心波长不同。这样设置可以进一步增大波分复用方式下的复用个数。
在时分复用方式中，需要要求同一光纤中至少两个光栅中心波长相同，且任意相邻两个中心波长相同的光栅之间的间隔d大于光栅的最小间隔dmin。
而光栅的最小间隔dmin由事件盲区、探测光信号脉宽和采样分辨率共同决定。时分复用方式中光栅的最小间隔dmin计算包括以下步骤：
i.计算展宽脉冲宽度：
探测信号光脉冲宽度为w，受接收机带宽宽度fBW的影响，返回的脉冲信号被展宽：
trp＝w+tr+tf
其中，tr为上升时间响应，tf为下降时间响应，tr＝tf＝0.35/fBW，为了避免事件盲区的影响，那么两个反射事件的最小距离(即同一光纤中任意相邻两个中心波长相同的光栅之间的间隔)d至少要大于C/ntrp，其中，C为光传播速度，n为光纤折射率。
ii.计算最小探测脉冲宽度：
但是d也受采样分辨率的影响。为了保证反射光脉冲信号测试的准确性，一个反射光脉冲内至少有4个采样点进行采样。若采样周期为ts，那么探测信号光脉冲时间宽度满足：
w>4ts-tr-tf
iii.计算最小间隔：
另外，事件之间至少有两个采样点用于分辨事件,所以两个反射事件的最小距离d必须大于最小间隔dmin：
由于时分复用方式的复用度主要受到反射损耗、光纤衰减、阴影效应、级间多重反射串扰几方面的影响，下面示例性地给出一种时分复用方式下复用度的计算步骤：
i.计算传输损耗：
在时分复用方式中，反射损耗和光纤衰减造成了探测光信号的衰减。应由光源输出功率、光栅反射率、链路损耗、光栅间隔计算传输损耗对探测信号光的影响程度。
ii.计算阴影效应：
在时分复用方式中，阴影效应导致了信号的畸变，传感器网络远端的光栅将受到这种累积的与波长相关的插入损耗所引起的频谱失真，应由光栅光谱、光栅反射率、传输距离、探测信号光谱验证最远端光栅传感器反射光谱Pj(λ)，将光栅数量限制在光谱没有明显变化的范围，确保其最远端的光栅中心波长能够识别，光谱没有明显平缓和下陷。
示例性地，图2-图5为本发明实施例提供的时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统时分复用方式下的阴影效应导致的频谱失真反射谱，其中，在图2中所用的光纤光栅的反射率为-10dB，在图3中所用的光纤光栅的反射率为-20dB，在图4中所用的光纤光栅的反射率为-30dB，在图5中所用的光纤光栅的反射率为-40dB。图2-图5中，j表示复用光栅的个数。图2-图5中的曲线可以反映出不同反射率下阴影效应对频谱的影响。
参见图2-图5，由于中心反射率较高，导致中心波长的光功率较边缘波长损耗大，所以会导致中心频谱逐渐平缓甚至下陷，在传感领域会导致中心波长的识别误差。由图2可以看出，R＝-10dB时，第2个光栅(j＝2)的反射光谱就有很明显的平缓，到第10个光栅(j＝10)就不能正确识别中心波长。当R降低至-20dB时，如图3，这种情况得到了改善，复用至50个光栅(j＝50)才有明显的平缓。如图4，当R＝-30dB时复用500个光栅(j＝500)后才看到明显的平缓。而当R＝-40dB时,图5，光栅数量达到1000个(j＝500)以后，光谱也没出现大的变化。
因此，时分复用方式下，要尽可能的避免阴影效应带来的影响，可以尽可能的采用更低反射率的光栅，而且要将光栅数量限制在光谱没有明显变化的范围，保证最远端的光栅中心波长能够识别，光谱没有明显平缓和下陷，此时，j的最大取值jmax等于反射光谱畸变零界点的光栅数量Nshadow。例如根据图5，可以取jmax＝Nshadow＝500。
iii.计算级间多重反射串扰
在时分复用方式中，光栅之间的多次反射可能会导致串联光栅阵列中不可避免的串扰误差，应由光源输入功率、光栅反射率、光栅个数、光栅间隔求出每个光栅传感器所受的光栅串扰Cj(λ)，确保其能在可接受的范围内。
iv.定义探测信号的信噪比
为了进一步确定时分复用方式的复用度，定义探测信号的信噪比：
SNR＝Pj(λ)/Cj(λ)
当SNR>10dB时，信号串扰的影响可以忽略不计，因此可以定义SNR＝10dB时的光栅数量Nop为最佳复用数量。若遇到需要更大复用能力的场合，则可以将光栅数量增加到SNR下降到0dB的节点：此时尽管信号会干扰多次反射，但传感器信号仍可被识别。可以定义SNR＝0dB时的光栅数量Nid为可识别的复用数量，即最小复用数量。因此，可以根据实际监测需要，设置受探测信号光的信噪比影响的光栅数量Nzy为Nop或Nid。
同一光纤中，中心波长相同的光栅的数量(即时分复用方式的复用度NTDM)为反射光谱畸变零界点的光栅数量Nshadow、受探测信号光的信噪比影响的光栅数量Nzy以及受返回功率的影响的最大光栅数量Nrp三者中的最小值。
进一步地，在时分复用方式中，使用的UW-FBG具有相同的中心波长，波长变化范围为Δλ。分布式反馈激光管的调谐范围为Δλ，由光源子系统1产生的探测信号光入射到传感器网络中，解调子系统监测来自传感器的反射脉冲信号的时间延迟，通过不同时延的UW-FBG反射脉冲来识别链路中的传感器，通过检测FBG传感器的中心波长的偏移来测量感兴趣的物理参数。因此，可选地，监测结果包括时刻t解调子系统4采集到的反射光对应的光栅位置L，L基于得到。
在波分复用方式下，光纤中至少两个光栅的中心波长不同。若光栅的波长变化范围为Δλ。分布式反馈激光管的在光源带宽B的范围内调谐，若监测结果包括解调子系统4采集到的反射光对应的光栅位置L，L基于波长寻址得到。具体地，可以通过反射光波长确定形成该反射光的光栅的属性信息(如光栅的编号或型号等)，并基于该光栅的属性信息得到光栅位置L。
波分复用方式的复用度主要受到光源带宽以及光栅波长变化范围的影响，光栅复用数量NWDM为：
NWDM＝B/Δλ
在时分-波分复用方式下，同一光纤中光栅的设置方法有多种。示例性地，下面给出两种光栅的设置方法，但不构成对本申请的限制。
方法一、同一光纤中包括至少两个重复单元，各重复单元顺次排列；重复单元包括至少两个光栅，同一重复单元中，各光栅的中心波长不同；任意相邻两个重复单元中，中心波长相同的两个光栅之间的间隔d1满足，
其中，C为光传播速度，n为光纤折射率，w为探测脉冲宽度，tr为上升时间响应，tf为下降时间响应，ts为采样周期。
方法二，同一光纤中包括顺次排列的至少两组光栅；同一组光栅的中心波长相同；不同组光栅的中心波长不同；同一组光栅中，相邻两个光栅之间的间隔d2满足，
其中，C为光传播速度，n为光纤折射率，w为探测脉冲宽度，tr为上升时间响应，tf为下降时间响应，ts为采样周期。
在时分-波分复用方式下的复用度N＝NTDMNWDM。其中，NTDM为时分复用方式的复用个数，NWDM为波分复用方式的复用个数。
若监测结果包括时刻tij解调子系统4采集到的反射光对应的光栅位置Lij，可选地，Lij基于功率最大值时对应的波长得到。
示例性地，在时分/波分复用方式中，系统光源的带宽为B，功率为P，使用的UW-FBG分成了m个组，第i组(0＜i≤M)由n个中心波长为λi的UW-FBG以间隔d串联连接在一根光纤上，波动范围为λi±Δλ/2。ti0时刻，调谐光源使之产生一个波长为λi的脉冲入射到光纤中，然后接收端在tij时刻接收到第i组第j个光纤光栅反射回来的光，扫描波长，找到第ij个超弱光纤光栅返回功率最大值时对应的波长即为该光栅对应的中心波长，同时，根据公式就可以推断出该光栅所在的位置。
图6为本发明实施例提供的另一种光纤光栅分布式传感系统的结构示意图。参见图6，该光源子系统1还包括激光温度调谐器14、光波导12以及功率补偿放大器13；激光温度调谐器14包括第一温度可控区；分布式反馈激光管11、光波导12和功率补偿放大器13均位于第一温度可控区内，且沿探测信号光传播方向依次设置。这样设置的实质是使得光源子系统1内部集成了n个不同中心波长的DFB激光管芯片、温度控制器、光波导、半导体放大器等关键功能组件，具有单频输出、单模输出、可调谐范围宽、体积小、可靠性高、允许使用简单的反馈电路控制波长和光功率输出、可以直接调制输出探测信号光脉冲、更容易与光纤耦合等优点。
进一步地，还可以设置光源子系统1包括波长锁定器，以进一步提高探测信号光输出的稳定性。
继续参见图6，可选地，中心控制子系统5包括信号发生器51、激光管偏置组件52、激光管选择组件53、波长调谐模块54、激光温度调谐器控制器55、功率控制模块56以及功率补偿控制器57；信号发生器51通过激光管偏置组件52与各分布式反馈激光管11均连接；波长调谐模块54与激光温度调谐器控制器55和激光管选择组件53连接，激光温度调谐器控制器55还与激光温度调谐器14连接；功率控制模块56通过功率补偿控制器57与功率补偿放大器13连接。这样设置可以有效确保从光源子系统1输出合适的中心波长和功率的探测信号光，进而提高探测的有效性和准确性。
预先设置每一个分布式反馈激光管11可输出的光信号的中心波长不同。若中心控制子系统5确定输出波长为λ的探测信号光时，由于第i个分布式反馈激光管11在室温下输出波长λi最接近λ，通过激光管选择组件53选通第i个分布式反馈激光管11使之工作，同时根据λ-λi确定激光温度调谐器14的工作电压，并通过激光温度调谐器控制器55调谐激光温度调谐器14中第一温度可控区的温度，从而实现调谐第i个分布式反馈激光管11的输出波长为λ的探测信号光。
示例性地，在实际中，可以通过选择合适的DFB管和调谐第一温度可控区的温度，该DFB激光器阵列可以提供25nm以上的波长调谐范围：
λDFB＝λDFBk+ΔλDFBk×TDFB(12)
其中，λDFBk为第k个DFB的波长基数，ΔλDFBk为第k个DFB波长随物理量的变化参数。分布式反馈激光器阵列芯片为整个系统的光源和关键解调部件：激光温度调谐器14第一温度可控区的温度TDFB被调谐时，输出探测信号光的波长可以匹配光栅的中心波长。因此，通过简单的光功率检测，就可以得到光栅上的可变信息。
可选地，还可以设置激光温度调谐器控制器55具备恒定温度调控的能力，可根据分布式反馈激光管11的测温电阻反馈回的阻值数据对激光温度调谐器14中第一温度可控区的温度进行恒定温度调控，以实现稳定输出波长为λ的探测信号光的目的。
第i个分布式反馈激光管11选通之后，由信号发生器51发送驱动信号至激光管偏置组件52，从而控制第i个分布式反馈激光管11的偏置电流，使之产生所需要时长的探测信号光。同时，功率控制模块56发送功率调谐信号至功率补偿控制器57，从而设定功率补偿放大器13的偏置电流，控制探测信号光的输出功率。
继续参见图6，可选地，光源子系统1还包括功率监测用光探测器15、波长监控用光探测器16、第一分光镜17、第二分光镜18、标准具101以及标准具用温度调谐器102；中心控制子系统5还包括标准具用温度调谐器控制器58；第一分光镜17和第二分光镜18顺次位于探测信号光在功率补偿放大器13和待测光栅网络3之间的光学路径上；功率监测用光探测器15位于探测信号光在第一分光镜17反射形成的第一子光束的光学路径上，且功率监测用光探测器15与功率补偿控制器57连接；波长监控用光探测器16位于探测信号光在第二分光镜18反射形成的第二子光束的光学路径上，且波长监控用光探测器16与波长调谐模块54连接；标准具用温度调谐器102包括第二温度可控区；标准具101位于第二温度可控区内，且位于第二子光束在波长监控用光探测器16和第二分光镜18之间的光学路径上；标准具用温度调谐器102通过标准具用温度调谐器控制器58与波长调谐模块54连接。
探测信号光产生之后，通过第一分光镜17将少量信号光引入功率监测用光探测器15；功率监测用光探测器15光电转换之后将探测信号光功率信息反馈至功率补偿控制器57；功率补偿控制器57根据反馈信息进行自动功率控制。探测信号光通过第二分光镜18将少量信号光反射入标准具101后引入波长监控用光探测器16；波长调谐模块54通过标准具用温度调谐器控制器58调谐标准具用温度调谐器102的第二温度可控区的温度，从而调谐标准具101所校准的波长；波长监控用光探测器16光电转换之后将探测信号光波长信息反馈至波长调谐模块54；波长调谐模块54根据反馈信息进行自动波长控制。经自动功率、波长调谐后的探测信号光经前端连接器输出至待测光栅网络3。这样可以进一步实现稳定输出功率恒定、波长恒定的探测信号光的目的。
继续参见图6，可选地，解调子系统4包括光电检测模块41、信号调理模块42以及数据采集模块43；中心控制子系统5还包括数据处理模块59；光电检测模块41与定向耦合器2的第三端口连接，用于将反射光转换成电信号；信号调理模块42与光电检测模块41连接，用于对电信号进行放大、整形以及降噪处理；数据采集模块43与信号调理模块42连接，用于对处理后的电信号进行采集；数据处理模块59与数据采集模块43连接，用于对采集的电信号进行处理，形成监测结果。
继续参见图6，在图6中示例性地，光纤光栅分布式传感系统采用时分-波分复用方式，待测光栅网络3中的传感器件为超弱光纤光栅31，反射率为R(<-20dB)，每一个传感器的波长变化范围为Δλ，超弱光纤光栅31在波长上分成m个组，每个组有n个相同中心波长为λi(i＝1，2，…，m)的光栅组成。待测光栅网络3中超弱光纤光栅31采用串行方式进行排列，第i组的第j个(j＝1，2，…，n)光栅的波长变化量可以表示为：
其中，是波长随监测物理量的变化参数，Vij是第j个光栅监测物理量的总变化量。
结合实际应用，本发明提供的时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统具有以下优点：
1)UW-FBG之间的微小串扰可以允许单根光纤串联1000个以上的相同波长的光纤光栅传感器。
2)时分复用方式可以同时实时测量所有的相同波长的传感器。
3)时分-波分复用方式结合UW-FBG的布设方法，可以很容易实现万数以上的光栅复用。
4)UW-FBG具有相同的结构，简化了传感链路结构，使传感阵列的大规模生产成为可能。
5)与OFDR(光频域反射技术)相比，该方法不受光源相干性的限制，消除了偏振衰落的可能性。
本发明还提供了一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的网络规划方法。该时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统为本发明提供的任意一种光纤光栅分布式传感系统。
下面结合图6，对该时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的网络规划方法进行说明。参见图6，该网络规划方法包括：
S11、根据待测环境，确定待测光栅网络3所需的传感点数量和传输距离以及探测脉冲宽度w和光栅反射率R。
S12、根据探测脉冲宽度w，确定时分复用工作方式下最小光栅间隔dmin。
S13、确定受返回功率的影响的最大光栅数量Nrp，并根据返回功率的大小确定解调子系统4的动态范围，选定探测信号光的放大系数。
S14、根据探测信号光的信噪比曲线，确定光栅最佳复用数Nop和最大可识别的光栅数Nid,根据监测需要，选择Nop和Nid中的一个作为受探测信号的信噪比影响的光栅数量Nzy。
可选地，如果要求测量精度，则选用Nop作为受探测信号的信噪比影响的光栅数量Nzy，若需要更大范围的复用数量，则选用Nid作为受探测信号的信噪比影响的光栅数量Nzy。
S15、计算时分复用方法下的阴影效应导致的频谱失真反射谱，确定反射光谱畸变零界点的光栅数量Nshadow。
S16、将Nrp、Nzy、Nshadow中的最小值作为时分复用下的光栅复用个数NTDM，并基于NTDM和dmin，对中心波长相同的光栅在光纤中的具体位置进行规划。
S17、确定波长随待测传感量的变化范围Δλ，并根据光源的带宽B，确定波分复用方式下的复用个数NWDM，并基于NWDM对分布式反馈激光管进行规划。
可选地，根据所选的光栅特性，确定波长随待测传感量的变化范围Δλ，并根据光源的带宽B，合理的规划波分复用方式上的分组，理想情况下，波分复用方式的复用个数NWDM，NWDM＝B/Δλ。
利用上述时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的网络规划方法规划得到的光纤光栅分布式传感系统的总网络复用数量N＝NTDMNWDM。
由于本发明实施例提供的时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的网络规划方法适用于本发明实施例提供任意一种光纤光栅分布式传感系统，因此该网络规划方法具有其所适用的光纤光栅分布式传感系统相同或相应的有益效果，此处不再赘述。
可选地，在S16之后，还包括对中心波长不同的光栅在光纤中的具体位置进行规划。
由于时分复用方式存在反射最小间隔，但是波分复用方式下没有反射最小间隔，如果需要小于dmin的光栅间隔，只需要将不同组别(中心波长不一样)的光栅交叉使用，但要保证同组光栅(中心波长相同)间隔距离大于dmin。根据以上要点，合理的规划光栅网络分布。
下面以传感系统范围为10km为例，结合图6，对时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的网络规划方法进行具体阐释。该网络规划方法包括：
1)由于预设传感系统范围为10km，为了尽可能的提高传感器的布点精度和测量精度，采用反射率为-32dB超弱光纤光栅，探测信号光脉冲宽度为30ns，光源输入光功率为5dBm，采样频率为50MHz，光源子系统带宽为140MHz；
2)根据公式，可以计算得出时分复用下最小光栅间隔dmin为12m；
3)根据R＝-32dB的标准确定受返回功率的影响最大复用个数Nrp＝1361；
4)求得探测信号光的信噪比曲线(即SNR曲线)，选用最佳数量Nop＝1259；
5)得到R＝-32dB时分复用方法下的阴影效应导致的频谱失真反射谱，发现Nshadow＝800时可以无误差的识别中心波长；
6)由于Nshadow＜Nop＜Nrp，选取NTDM＝800；
7)如果光源带宽为40nm，光栅波长间隔为2nm，那么MWDM＝40/2＝20；
此示例中时分复用下的光栅间隔为10km/800＝12.5m，满足设计要求，采用时分-波分复用方式的光栅间距可以缩小到0.625m，此时总网络的复用数量为N＝NTDMNWDM＝16000。
本发明实施例还提供了一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的监控方法，该监控方法适用于本发明实施例提供的任一项的光纤光栅分布式传感系统。该监控方法包括：
S201、输入采集间隔和测量属性，测量属性包括扫描范围、波长扫描精度、探测信号光波形、输出功率、解调子系统的放大系数、采集数据量以及采集次数。
可选地，根据规划的待测光栅网络的特征，操作人员在中心控制子系统的操作界面上选定光栅网络的采集间隔和测量属性。
S202、中心控制子系统基于采集间隔和测量属性生成控制指令。
S203、中心控制子系统控制光源子系统输出波长为λi的探测信号光。
可选地，中心控制子系统控制波长调谐模块产生波长为λi的波长控制指令，控制信号发生器产生一个波形驱动信号，使得第i个分布式反馈激光管接受到指令后输出一个波长为λi的探测信号光；
S204、探测信号光通过定向耦合器进入到待测光栅网络中，并在待测光栅网络中光栅处反射形成反射光，反射光经定向耦合器进入到解调子系统。
S205、解调子系统对反射光进行采集、处理形成电信号，并对电信号进行采样。
解调子系统中的光电检测模块将光信号转换成电信号，并通过信号调理模块将电信号进行放大、整形、降噪等处理，调理成可以进行采集和信息提取的电信号。中心控制子系统设定数据采集模块的采样频率，控制数据采集模块对调理后的电信号进行采样。
S206、中心控制子系统5将采样信号进行存储以及进行第一次数据处理。
S207、若存储的采样信号达到预设的采集数据量，认定一次采集结束，采集次数加一。
S208、若采集次数未达到预设的采集次数，重复执行S203-S207，并对各第一次数据处理后的数据求平均值，作为第二次数据处理结果。
S209、若采集次数达到预设的采集次数，且扫描波长未超出设定的扫描范围时，记录该波长的第二次数据处理结果，中心控制子系统对光源子系统输出的探测信号光的波长进行调整，重复执行S204至S208。
其中，中心控制子系统对光源子系统输出的探测信号光的波长进行调整包括中心控制子系统设定λi＝λi+δλ(或λi＝λi-δλ)。
S210、若采集次数达到预设的采集次数，且扫描波长超出设定的扫描范围时，根据各个波长的第二次数据处理结果以及各个光栅的中心波长，计算所测物理量的变化量，形成监测结果。
S211、若监测结果达到告警限值时，输出告警信号以及告警信号涉及的传感器位置信息。
由于本发明实施例提供的时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的监控方法适用于本发明实施例提供的任意一种光纤光栅分布式传感系统，因此该监控方法具有其所适用的光纤光栅分布式传感系统相同或相应的有益效果，此处不再赘述。
下面结合图6示例性地给出一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的监控方法，该监控方法包括：
1)根据规划的待测光栅网络3的特征，操作人员在中心控制子系统5的操作界面上选定光栅网络3的采集数据范围为15km和测量属性为实时监测，采集间隔为30s。
2)中心控制子系统5根据被选择的测量属性选定光源子系统1输出波长的扫描范围为全波长40nm(1520nm～1560nm)、波长扫描精度0.25nm、探测信号光波形为脉冲信号、脉冲宽度为30ns，输出功率为5dBm、解调子系统4的放大系数为53dB、单次采集数据为32000byte(对应测量范围为15km)、采集次数为1000次以及其他参数，合成控制指令，中心控制子系统5根据控制指令开始实施采集；
3)中心控制子系统5控制波长调谐模块54产生输出波长为λi的波长控制指令，控制信号发生器产生一个波形驱动信号，光源子系统1接受到该波形驱动信号指令后在t0时刻输出一个波长为λi的探测信号光；
4)探测信号光通过定向耦合器2进入到待测光栅网络3中，并将返回的光信号通过定向耦合器2进入到解调子系统4中；
5)解调子系统4中的光电检测模块41(如雪崩二极管光电检测器)将光信号转换成电信号，并通过信号调理模块42将电信号进行放大、整形、降噪等处理，调理成可以采集和提取的电信号，根据采集时间ti识别不同物理位置的相同波长的光纤光栅；
6)中心控制子系统5设定数据采集模块43的采样频率为50MHz，对调理后的电信号进行采样，将采样信号进行存储，数据处理模块59对存储的采样信号进行数据处理；
7)存储数据达到设定的单次采集数据量32000byte后，认定一次采集结束，采集计数器加一；
8)采集计数器未达到设定的采集次数1000时，重复步骤3)至步骤7)，并按照多次测量取平均的原则进行数据处理；
9)采集计数器达到设定的采集次数1000时，且扫描波长未超出设定的扫描范围时(1520nm～1560nm)，记录该波长的测试结果，中心控制子系统设定λi＝λi+0.25nm(或λi＝λi-0.25nm)，重复步骤3)至步骤9)；
10)扫描波长超出设定的扫描范围(1520nm～1560nm)时，比较各个波长的测试结果，记录各个光栅的中心波长，计算所测物理量的变化量，显示监测结果；
11)监测结果达到告警限值时，显示告警信号，给出该位置的传感信息；
12)完成一次传感监测，按照设定的采集间隔30s后重复步骤2)至12)。
图7为本发明实施例提供的一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统在某一波长的测试曲线，待测光栅网络为30个相同中心波长时分复用方式下的光纤光栅，反射率为-30dB，光栅间隔为5m。如图7所示，由于光栅环境不同，每个光栅的中心波长略有不同，当输入某个波长的探测脉冲光后，返回的脉冲光强度不同。中心控制子系统记录每个光栅所处位置的最大反射光强。光源子系统在波长上连续扫描之后，中心控制子系统可以在波长上拟合出每个光栅的光谱，从而求出每个光栅的中心波长。并与初始中心波长做比较，求出监测物理量的变化量。
图8为本发明实施例提供的一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统监控某一个光栅的监控结果图。根据拟合曲线，可以识别出该光栅的中心波长为1533.4nm。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (17)
1.一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，包括光源子系统、定向耦合器、待测光栅网络、解调子系统以及中心控制子系统；
所述定向耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口；
所述光源子系统与所述定向耦合器的第一端口连接，所述定向耦合器的第二端口与所述待测光栅网络连接，所述解调子系统与所述定向耦合器的第三端口连接；所述中心控制子系统与所述光源子系统和所述解调子系统均连接；
所述光源子系统中包括至少一个分布式反馈激光管；
所述待测光栅网络为时分/波分复用的传感网络，包括至少一条光纤，所述光纤上集成有至少两个光栅，所述光栅的反射率小于-20dB；
在工作状态下，所述中心控制子系统控制所述光源子系统输出探测信号光，所述探测信号光经所述定向耦合器进入到所述待测光栅网络中，并在所述待测光栅网络中所述光栅处反射形成反射光，所述反射光经所述定向耦合器进入到所述解调子系统，所述解调子系统对所述反射光进行采集处理形成电信号，所述中心控制子系统对所述电信号进行数据处理，形成监测结果并输出。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，所述光源子系统中包括两个或两个以上分布式反馈激光管；各所述分布式反馈激光管可输出探测信号光的中心波长不同。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，所述光纤光栅分布式传感系统的工作方式包括时分复用方式；
在所述时分复用方式下，同一所述光纤中至少两个所述光栅中心波长相同，且任意相邻两个中心波长相同的光栅之间的间隔d满足，
其中，C为光传播速度，n为光纤折射率，w为探测信号光脉冲宽度，tr为上升时间响应，tf为下降时间响应，ts为采样周期。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，同一所述光纤中，中心波长相同的所述光栅的数量为反射光谱畸变零界点的光栅数量Nshadow、受所述探测信号光的信噪比影响的光栅数量Nzy以及受返回功率的影响的最大光栅数量Nrp三者中的最小值。
5.根据权利要求4所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，
所述监测结果包括时刻t所述解调子系统采集到的所述反射光对应的光栅位置L，L基于得到。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，所述光纤光栅分布式传感系统的工作方式包括波分复用方式；
在所述波分复用方式下，所述光纤中至少两个所述光栅的中心波长不同。
7.根据权利要求6所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，
所述监测结果包括所述解调子系统采集到的所述反射光对应的光栅位置L，L基于波长寻址得到。
8.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，所述光纤光栅分布式传感系统的工作方式包括时分-波分复用方式；
在所述时分-波分复用方式下，同一所述光纤中包括至少两个重复单元，各所述重复单元顺次排列；所述重复单元包括至少两个光栅，同一所述重复单元中，各所述光栅的中心波长不同；
任意相邻两个重复单元中，中心波长相同的两个所述光栅之间的间隔d1满足，
其中，C为光传播速度，n为光纤折射率，w为探测脉冲宽度，tr为上升时间响应，tf为下降时间响应，ts为采样周期。
9.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，所述光纤光栅分布式传感系统的工作方式包括时分-波分复用方式；
在所述时分-波分复用方式下，同一所述光纤中包括顺次排列的至少两组光栅；同一组所述光栅的中心波长相同；不同组所述光栅的中心波长不同；
同一组所述光栅中，相邻两个光所述栅之间的间隔d2满足，
其中，C为光传播速度，n为光纤折射率，w为探测脉冲宽度，tr为上升时间响应，tf为下降时间响应，ts为采样周期。
10.根据权利要求8或9所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，所述监测结果包括时刻tij所述解调子系统采集到的所述反射光对应的光栅位置Lij，Lij基于功率最大值时对应的波长得到。
11.根据权利要求1所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，所述光源子系统还包括激光温度调谐器、光波导以及功率补偿放大器；
所述激光温度调谐器包括第一温度可控区；
所述分布式反馈激光管、所述光波导和所述功率补偿放大器均位于所述第一温度可控区内，且沿所述探测信号光传播方向依次设置。
12.根据权利要求11所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，所述中心控制子系统包括激光管偏置组件、信号发生器、激光管选择组件、波长调谐模块、激光温度调谐器控制器、功率控制模块以及功率补偿控制器；
所述信号发生器通过所述激光管偏置组件与各所述分布式反馈激光管均连接；
所述波长调谐模块与所述激光温度调谐器控制器和所述激光管选择组件连接，所述激光温度调谐器控制器还与所述激光温度调谐器连接；
所述功率控制模块通过所述功率补偿控制器与所述功率补偿放大器连接。
13.根据权利要求12所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，
所述光源子系统还包括功率监测用光探测器、波长监控用光探测器、第一分光镜、第二分光镜、标准具以及标准具用温度调谐器；
所述中心控制子系统还包括标准具用温度调谐器控制器；
所述第一分光镜和所述第二分光镜顺次位于所述探测信号光在所述功率补偿放大器和所述待测光栅网络之间的光学路径上；
所述功率监测用光探测器位于所述探测信号光在所述第一分光镜反射形成的第一子光束的光学路径上，且所述功率监测用光探测器与所述功率补偿控制器连接；
所述波长监控用光探测器位于所述探测信号光在所述第二分光镜反射形成的第二子光束的光学路径上，且所述波长监控用光探测器与所述波长调谐模块连接；
所述标准具用温度调谐器包括第二温度可控区；所述标准具位于所述第二温度可控区内，且位于所述第二子光束在所述波长监控用光探测器和所述第二分光镜之间的光学路径上；
所述标准具用温度调谐器通过所述标准具用温度调谐器控制器与所述波长调谐模块连接。
14.根据权利要求13所述的光纤光栅分布式传感系统，其特征在于，所述解调子系统包括光电检测模块、信号调理模块以及数据采集模块；
所述中心控制子系统还包括数据处理模块；
所述光电检测模块与所述定向耦合器的第三端口连接，用于将反射光转换成电信号；
所述信号调理模块与所述光电检测模块连接，用于对所述电信号进行放大、整形以及降噪处理；
所述数据采集模块与所述信号调理模块连接，用于对处理后的所述电信号进行采集；
所述数据处理模块与所述数据采集模块连接，用于对所述采集的电信号进行处理，形成监测结果。
15.一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的网络规划方法，其特征在于，所述时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统为权利要求1-14中任一项所述的光纤光栅分布式传感系统；
所述网络规划方法包括：
S11、根据待测环境，确定待测光栅网络所需的传感点数量和传输距离以及探测脉冲宽度w和光栅反射率R；
S12、根据探测脉冲宽度w，确定时分复用工作方式下最小光栅间隔dmin；
S13、确定受返回功率的影响的最大光栅数量Nrp，并根据返回功率的大小确定解调子系统的动态范围，选定探测信号光的放大系数；
S14、根据探测信号光的信噪比曲线，确定光栅最佳复用数Nop和最大可识别的光栅数Nid，根据监测需要，选择Nop和Nid中的一个作为受探测信号的信噪比影响的光栅数量Nzy；
S15、计算时分复用方法下的阴影效应导致的频谱失真反射谱，确定反射光谱畸变零界点的光栅数量Nshadow；
S16、将Nrp、Nzy、Nshadow中的最小值作为时分复用下的光栅复用个数NTDM，并基于NTDM和dmin，对中心波长相同的光栅在光纤中的具体位置进行规划；
S17、确定波长随待测传感量的变化范围Δλ，并根据光源的带宽B，确定波分复用方式下的复用个数NWDM，并基于NWDM对分布式反馈激光管进行规划。
16.根据权利要求15所述的网络规划方法，其特征在于，在S16之后，对中心波长不同的光栅在光纤中的具体位置进行规划。
17.一种时分/波分复用的光纤光栅分布式传感系统的监控方法，其特征在于，所述监控方法适用于权利要求1-14中任一项所述的光纤光栅分布式传感系统；
所述监控方法包括：
S201、输入采集间隔和测量属性，所述测量属性包括扫描范围、波长扫描精度、探测信号光波形、输出功率、解调子系统的放大系数、采集数据量以及采集次数；
S202、所述中心控制子系统基于所述采集间隔和测量属性生成控制指令；
S203、所述中心控制子系统控制所述光源子系统输出波长为λi的探测信号光；
S204、所述探测信号光通过所述定向耦合器进入到待测光栅网络中，并在所述待测光栅网络中所述光栅处反射形成反射光，所述反射光经所述定向耦合器进入到所述解调子系统；
S205、所述解调子系统对所述反射光进行采集、处理形成电信号，并对所述电信号进行采样；
S206、所述中心控制子系统将采样信号进行存储以及进行第一次数据处理；
S207、若存储的采样信号达到预设的采集数据量，认定一次采集结束，采集次数加一；
S208、若采集次数未达到预设的采集次数，重复执行S203-S207，并对各所述第一次数据处理后的数据求平均值，作为第二次数据处理结果；
S209、若采集次数达到预设的采集次数，且扫描波长未超出设定的扫描范围时，记录该波长的所述第二次数据处理结果，所述中心控制子系统对所述光源子系统输出的探测信号光的波长进行调整，重复执行S204至S208；
S210、若采集次数达到预设的采集次数，且扫描波长超出设定的扫描范围时，根据各个波长的所述第二次数据处理结果以及各个光栅的中心波长，计算所测物理量的变化量，形成监测结果；
S211、若监测结果达到告警限值时，输出告警信号以及告警信号涉及的传感器位置信息。
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