專利名稱：超大容量時分波分光纖光柵傳感系統及其查詢方法
技術領域：
本發明屬于傳感技術領域，具體涉及一種超大容量時分波分光纖光柵傳感系統及其查詢方法。
背景技術：
光纖傳感器具有防火防爆、耐腐蝕、抗電磁干擾等特性，具有比其它傳感器更加廣闊的應用范圍。近年來，隨著半導體光電子技術的不斷發展，光纖傳感器的研究和應用備受關注。現存的大容量分布式光纖傳感技術主要采用光時域反射技術(0TDR)，包括利用拉曼散射(專利號01124438. O “分布式光纖溫度傳感 器系統”)、布里淵散射、瑞利散射等不同的方法。基于OTDR技術的光纖傳感系統雖然適合分布式測量，但是光纖散射光信號十分微弱，例如拉曼散射的光信號約為入射光的億分之一，這樣弱的光信號使得信號的檢測和處理變得很困難，需要對測量數據多次平均來提高測量精度，信號處理非常復雜，實時性差，系統造價昂貴，在很多領域的應用受到限制。光纖光柵傳感技術采用數字式測量技術，除了具備光纖傳感器的一般有優點外，還具有精確度高、穩定性好、不易受外界各種因素的干擾等特點。常規的光柵傳感系統多采用波分復用方式，不同的光柵之間，其布拉格中心波長必須留有足夠的間隔，不同點的光纖光柵布拉格波長間隔一般為2nm ；由于光源帶寬通常只有40nm左右，因此,該系統中能夠復用的探頭數量非常有限，遠遠不能滿足實際的要求。編碼光纖光柵(專利號200310111529. 2 “大容量編碼式光纖光柵傳感監測系統”)、分組光纖光柵等技術被用于擴大傳感系統的容量，由于需要在同一位置刻寫多組光柵，或對光柵波長及位置有嚴格要求，采用上述方法構建的傳感系統結構復雜，對系統容量的擴展有限，且易受環境影響，在應用中受到諸多限制。近年來，基于時分復用的查詢技術重新進入人們的研究視野，傳統方法中大多米用直接調制光源(專利號201110031508.4 “基于時分復用和匹配光纖光柵技術的準分布式傳感網絡”)來獲取光脈沖，但大多數光源自身的結電容大，直接調制特性差(例如SLED直接調制脈寬50ns以上)，加上用電延時技術來控制和選擇ns級的光脈沖(專利號201110326745. 3 “基于波分復用多通道輸出時域地址查詢技術的光纖光柵傳感方法及系統”)，并同時檢測多個光柵反射的光脈沖串，時域分辨能力差，脈沖之間串擾嚴重。高速電路在ns級時間內既要完成反射信號分離，又要進行信息處理，現有電路技術實現困難，系統復雜且實時性能差，造價昂貴，未見相關應用的報道。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種超大容量時分波分光纖光柵傳感系統及其查詢方法。該發明的系統顯著擴展光纖光柵傳感系統的容量，提升查詢速度和系統的靈活性，穩定性好。本發明解決上述技術問題所米用的方案如下一種超大容量時分波分光纖光柵傳感系統，由寬帶光源、調制模塊、環形器、布拉格光纖光柵傳感陣列、取樣模塊、波長解調儀和數據處理計算機組成；所述的寬帶光源提供寬譜的連續光功率信號；寬帶光源連接調制模塊，調制模塊輸出的光信號通過環形器耦合進布拉格光纖光柵傳感陣列；所述的環形器的另一個端口接取樣模塊；取樣模塊連接波長解調儀，波長解調儀用導線與數據處理計算機連接；其中，所述的調制模塊由第一 SOA高速光電開關和信號發生器構成,對光源信號進行調制并放大，調制輸出的光脈沖寬度小于20ns ；所述的取樣模塊由第二 SOA高速光電開光和信號發生器構成，以ns級開關速度對反射回來的光脈沖在時域內進行選擇，并對允許通過的光信號進行放大；所述的布拉格光纖光柵傳感陣列由多個低反射率(如小于1%)的光纖光柵構成，其中心波長相同或者不同。所述的信號發生器的兩個輸出端口分別與第一 SOA高速光電開光、第二 SOA高速 光電開光連接；信號發生器的控制端口和數據處理計算機之間用導線連接。所述的信號發生器產生兩路稱合的脈沖信號,第一路輸出給第一 SOA高速光電開關，第二路輸出給第二 SOA高速光電開關，通過調節第二路脈沖信號對第一路脈沖信號的相位差，使取樣模塊分段采集光纖上不同位置的光強反射信號。所述的通過調節第二路脈沖信號高電平的寬度，控制第二 SOA高速光電開關打開的時間，調節取樣模塊采集光纖上反射區域的長度。本發明的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統的查詢方法，通過在光纖的不同位置布置全同光柵構建時分光纖光柵傳感系統；通過在光纖的不同位置分組布置不同反射波長的光柵構建時分波分光纖光柵傳感系統，擴大傳感系統容量。本發明的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統的查詢方法，通過調節第一 SOA高速光電開關或第二 SOA高速光電開關)的開關增益，減小對光纖光柵反射率的要求，增加光纖光柵傳感陣列的個數，擴大傳感系統的容量。本系統的工作過程如下寬帶光源輸出的連續光經過調制模塊調制后，形成放大的寬譜光脈沖信號，經過環形器耦合進入布拉格光纖光柵傳感陣列，反射回來的光脈沖信號進入取樣模塊，取樣模塊根據設定的相位差，以ns級速度控制第二 SOA高速光電開關打開和關斷，以及保持打開狀態的時間長度。當SOA打開時，經過的反射光脈沖被允許通過并獲得放大；反之，對反射脈沖阻止光信號通過。數據處理計算機根據反射光信號的強度判定是否存在布拉格反射，確定布拉格反射后再根據脈沖之間的相位差計算光纖光柵的位置；波長解調儀對取樣信號進行波長解調，檢測對應光柵的波長偏移量，解調當前光柵所在位置的被測物理量。光纖光柵位置檢測的原理如下假定信號發生器2路信號的相位差Φ，此時檢測到滿足要求的布拉格反射光信號，則對應的反射光柵距離第一 SOA高速光開關端口的距離為
_7] L = -^—其中k為相位常數，與脈沖的周期相關。光柵之間的間隔距離由調制脈沖和取樣脈沖的寬度決定，脈沖的寬度越寬，要求光柵之間的間隔距離越大，假定光傳播速度c，光纖纖芯的折射率n=l. 5，調制脈沖寬度tl，取樣脈沖寬度t2，當則實際取樣長度L = 0+6) C
In例如，采用單激光脈沖照射，調制脈沖寬度30ns，取樣脈沖寬度20ns，則實際取樣長度為5m，即光柵之間的理論間隔距離需大于5m，否則兩個相鄰光柵之間的反射光將會出現串擾。由于單脈沖在行進過程中，非相鄰光柵之間的反射存在較大的時延，不會在取樣期間產生串擾，因此，只要設計的光柵間隔大于實際取樣長度，即可完全避免多光柵反射的串擾。由于SOA具有極高的響應速度，能產生IOns以下的光脈沖，光柵之間的理論間隔距離只需大于2m，系統便能實現無串擾查詢，這與目前OTDR的距離定位能力相當，能滿足各種光纖光柵傳感系統的要求。在不考慮光柵之間反射串擾的情況下，同一光纖上串聯光柵個數由反射率決定。假定i個全同光柵串聯，每個光柵的反射率為R(X )，則.第i個光柵反射的光強為·Iriaj=(I-R(A))2a^R(A)I0(A)反射率降低，可串聯的全同光柵個數將急劇上升。當R(X)=1%時，光強下降當原來的O. 001%時，光柵的最大個數為344個；當R( λ )=0. 1%，光強下降當原來的O. 001%時，光柵的最大個數為2302個，聯合波分復用技術(假定單光纖上復用20個波長)，同一根光纖上可以刻寫46040個光柵。分析相位與時延的映射關系，對現有數字移相技術進行改進，可實現通過調節移相器產生的相位差Φ，來實現脈沖上升沿之間的任意時延，延時長度調節靈活，精度高，可以達到ns級精確延時，能很好滿足高速光電系統的要求，擺脫了傳統時延思想的束縛，克服了因延時誤差大導致系統精度低的障礙，真正實現光時域信號的實時采集。光信號在該系統中傳播時，最大的背景噪聲是全同光柵的反射串擾、瑞利散射(散射率約為百萬分之一)和SOA的增益噪聲。由于第二 SOA高速光開關是窄脈沖采樣，對經過第一 SOA高速光開關后入射的單脈沖信號，采樣時間點嚴格光纖上空間某點的位置，其它點反射的光信號因為空間距離的傳輸時延，不在采樣脈沖范圍內，不構成串擾。瑞利散射是可以在采樣點產生干擾，相對于弱光柵的反射而言，但其幅度非常小，可以忽略。此外，SOA對信號放大時具備較好的模式競爭特性，這對具有波長選擇性反射的光柵非常有利，第二 SOA高速光開關能對布拉格反射信號有效增益，改善信噪比，方便后續的光電探測，故該系統對布拉格光柵的反射率要求不高。本發明可以完全取代傳統的光纖光柵傳感系統，在油罐、輸油管道、高壓變電站的溫度和公路、大橋、大型建筑等的應力、應變情況、健康狀況等進行超大容量準分布式測量。本發明的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統及其查詢方法的優點如下I、采用時分復用技術，可以在一個光纖上刻寫幾千個個全同光柵，結合波分復用技術(如20個波長復用)，分組布置不同波長的光柵，同一根光纖上可以刻寫幾萬個光柵，滿足新興物聯網對容量的需求。2、通過讀取脈沖延時量，經過簡單計算即可獲取光柵位置，實現對檢測光柵和被測物理量的實時精確定位。系統率定時，系統即可“學習”到各個光柵對應的相位信息。當系統在工作狀態時，可通過直接設定相位差，查詢對應的光柵，無需查詢非光柵點的信息，查詢速度相比較傳統手段提高數十倍(BOTDR等)，適合靜態和動態同時測量。
3、可以單獨組建時分復用系統，也可以根據需求采用波分復用技術進行擴展，無需增加其它設備，系統擴容簡單。適用于弱反射光柵和現有的普通光柵，對光柵的波長一致性無要求，有利于光柵的制作，兼容已有的光纖光柵傳感系統。4、時域反射定位技術成熟，光柵之間無相互串擾，高速SOA光電開關性能穩定，系統穩定性好；對于因環境溫度變化引起的光纖長度變化，導致光柵位置的改變，系統能自動檢測，不受環境因素的干擾。5、硬件結構在傳統的光纖光柵傳感系統中增加了調制和取樣模塊，對軟件算法要求低，系統結構簡單。SOA既作為光電開關，又對光信號進行增益，性價比高。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明
圖I為本發明的超大容量時分波分光纖傳感系統結構示意圖。圖2為本發明的超大容量時分復用系統結構圖。圖3為本發明的超大容量時分波分復用系統結構圖。
具體實施例方式參見圖1-3，本發明的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統，由寬帶光源I、調制模塊2、環形器3、光纖光柵傳感器陣列4、取樣模塊5、波長解調儀6、和數據處理計算機7組成；寬帶光源I提供寬譜的連續光功率信號；寬帶光源I連接調制模塊2 ;調制模塊2輸出的光信號通過環形器3耦合進布拉格光纖光柵傳感陣列4 ;環形器3的另一個端口接取樣模塊5;取樣模塊5連接波長解調儀6;波長解調儀6用導線與數據處理計算機7連接。其中，調制模塊由第一 SOA高速光電開關8和信號發生器9構成,對光源信號進行調制并放大，調制輸出的光脈沖寬度小于20ns。取樣模塊由第二 SOA高速光電開光10和信號發生器9構成,對反射的光脈沖在時域內進行選擇，并對允許通過的光信號進行放大。光纖光柵傳感器陣列4由多個低反射率(如小于1%)的光纖光柵構成，其中心波長可以相同，也可以不同。信號發生器9的兩個輸出端口分別與第一 SOA高速光電開光8、第二 SOA高速光電開光10連接；信號發生器9的控制端口和數據處理計算機7用導線連接。系統的工作過程如下寬帶光源I輸出的連續光經過調制模塊2調制后，形成放大的寬譜光脈沖信號，經過環形器3耦合進入布拉格光纖光柵傳感陣列4，反射回來的光脈沖信號進入取樣模塊5，取樣模塊根據設定的相位差，以ns級速度控制第二 SOA高速光電開關打開和關斷，以及保持打開狀態的時間長度。當SOA打開時，經過的反射光脈沖被允許通過并獲得放大；反之，對反射脈沖阻止光信號通過。數據處理計算機7根據反射光信號的強度判定是否存在布拉格反射，確定布拉格反射后再根據脈沖之間的相位差計算光纖光柵的位置；波長解調儀6對取樣信號進行波長解調，檢測對應光柵的波長偏移量，解調當前光柵所在位置的被測物理量。實施例I對溫度進行檢測，以N個全同布拉格光纖光柵(假定為N為100,光柵的布拉格波長1303. 3nm,反射率0. 25%，光柵相互之間間隔5m)構成的時分復用傳感系統為例加以詳細說明。本發明中的超大容量時分光纖光柵傳感監測方法是采用“準分布式的光纖光柵傳感”技術來對100個監測點的溫度進行長期、穩定的監測，根據圖2中系統的結構示意圖，其具體實施步驟是I、確定溫度監測點的位置及分布根據監測現場的具體情況，確定100個監測點的位置，初步估計溫度值及其變化的趨勢，推算整個現場溫度分布的概況。2、選用武漢理工大學光纖中心在線刻寫的O. 25%反射率光纖光柵，光柵間距5m，布拉格中心波長1303. 3nm，在選定的監測點進行依次布設。3、確定調制脈沖和采樣脈沖寬度，掃描速度，選擇匹配的波長解調儀。光柵 間距5m，為了防止相鄰光柵反射信號的串擾，依據上面的計算公式，調制脈沖和采樣脈沖寬度設定為20ns ;計算出傳感光纖長度5*100=500m，查詢最末端的光柵所需時間是500*4*2=4000ns，即單個光柵查詢時間最大為4us，目前F-P波長解調儀的速度約為1000Hz/s,可見查詢速度遠高于解調速度，故整個傳感系統的速度取決于波長解調儀的工作速度。選擇掃描速度lOOOHz/s的F-P波長解調儀，100個光柵解調時間約為10ms，完全滿足一般系統對實時性的要求。4、確定光纖光柵傳感溫度的系數K。依據光纖光柵在現場監測點的固定方式(粘貼)、分布方式(外置、內嵌)，選定系數K值，并在系統中進行設置，以保證在數據處理中換算出各點溫度值的大小。5、現場整體狀態的確定系統初始化率定，上電后由計算機控制信號源按相位差間隔0. 1°進行掃描，查詢“學習”100個光柵對應的相位值并保存；依據監測點溫度變化的大小，數據處理系統進行程序的運算，確定現場整體分布的狀態，并對極限狀態產生報警信號和自動調整控制信號。實施例2對應變進行檢測，以N組、每組包括M個不同波長(假定N=50，M=5,每組中波長分別為1296nm、1299nm、1302nm、1305nm、1308nm，反射率0. 25%，光柵相互之間間隔2m)的波分時分復用傳感系統為例加以詳細說明。本發明中的超大容量時分波分光纖光柵傳感監測方法是采用“準分布式的光纖光柵傳感”技術來對250個監測點的應變進行長期、穩定的監測，根據圖3中系統的結構示意圖，其具體實施步驟如下I、確定應變監測點的位置及分布根據監測現場的具體情況，確定250個監測點的位置，初步估計溫度值及其變化的趨勢，推算整個現場溫度分布的概況。2、選用武漢理工大學光纖中心刻寫的0. 25%反射率光纖光柵，光柵間距2m，布拉格中心波長依次為1296nm、1299nm、1302nm、1305nm、1308nm，在選定的監測點進行依次布設。3、確定調制脈沖和采樣脈沖寬度，掃描速度，選擇匹配的波長解調儀。同波長光柵間距10m，為了防止相鄰光柵反射信號的串擾，且一次采集一組光柵的反射信號(即空間距離為8m)，依據上面的計算公式，調制脈沖20ns，采樣脈沖寬度設定為40ns ;傳感光纖長度5*250=1250m，查詢最末端的光柵所需時間是1250*4*2=10000ns，即單個光柵查詢時間最大為lOus，目前F-P波長解調儀的速度約為lOOOHz/s，可見查詢速度遠高于解調速度，故整個傳感系統的速度取決于波長解調儀的工作速度。選擇掃描速度lOOOHz/s的F-P波長解調儀，采樣脈沖寬度為50ns，一次采樣5個不同波長的光柵反射信號，50組光柵解調時間約為5ms,完全滿足一般系統對實時性的要求。4、確定光纖光柵傳感應變的系數K。依據光纖光柵在現場監測點的固定方式(粘貼)、分布方式(外置、內嵌)，選定系數K值，并在系統中進行設置，以保證在數據處理中換算出各點溫度值的大小。
5、現場整體狀態的確定系統初始化率定，上電后由計算機控制信號源按相位差間隔0. 1°進行掃描，查詢“學習”50組光柵對應的相位值并保存；依據監測點應變變化的大小，數據處理系統進行程序的運算，確定現場整體分布的狀態，并對極限狀態產生報警信號和自動調整控制信號。
權利要求
1.一種超大容量時分波分光纖光柵傳感系統，其特征在于所述的傳感系統由寬帶光源(I)、調制模塊(2)、環形器(3)、布拉格光纖光柵傳感陣列(4)、取樣模塊(5)、波長解調儀(6)和數據處理計算機(7)組成；寬帶光源(I)提供寬譜的連續光功率信號；寬帶光源(I)連接調制模塊(2 )，調制模塊(2 )輸出的光信號通過環形器(3 )耦合進布拉格光纖光柵傳感陣列(4);環形器(3)的另一個端口接取樣模塊(5);取樣模塊(5)連接波長解調儀(6)，波長解調儀(6)用導線與數據處理計算機(7)連接； 其中，所述的調制模塊由第一 SOA高速光電開關(8)和信號發生器(9)構成,對光源信號進行調制并放大，調制輸出的光脈沖寬度小于20ns ； 所述的取樣模塊由第二 SOA高速光電開光(10)和信號發生器(9)構成，以ns級開關速度對反射回來的光脈沖在時域內進行選擇，并對允許通過的光信號進行放大； 所述的布拉格光纖光柵傳感陣列(4)由多個低反射率的光纖光柵構成，其中心波長相同或者不同。
2.根據權利要求書I所述的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統，其特征在于信號發生器(9)的兩個輸出端口分別與第一 SOA高速光電開光(8)、第二 SOA高速光電開光(10)連接；信號發生器(9)的控制端口和數據處理計算機(7)之間用導線連接。
3.根據權利要求I或2所述的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統的查詢方法，其特征在于信號發生器(9)產生兩路稱合的脈沖信號,第一路輸出給第一 SOA高速光電開關(8)，第二路輸出給第二 SOA高速光電開關(10)，通過調節第二路脈沖信號對第一路脈沖信號的相位差，使取樣模塊分段采集光纖上不同位置的光強反射信號。
4.根據權利要求3所述的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統的查詢方法，其特征在于通過調節第二路脈沖信號高電平的寬度，控制第二 SOA高速光電開關打開的時間，調節取樣模塊采集光纖上反射區域的長度。
5.根據權利要求3所述的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統的查詢方法，其特征在于通過在光纖的不同位置布置全同光柵構建時分光纖光柵傳感系統；通過在光纖的不同位置分組布置不同反射波長的光柵構建時分波分光纖光柵傳感系統，擴大傳感系統容量。
6.根據權利要求3所述的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統的查詢方法，其特征在于通過調節第一 SOA高速光電開關(8)或第二 SOA高速光電開關(10)的開關增益，減小對光纖光柵反射率的要求，增加光纖光柵傳感陣列的個數，擴大傳感系統的容量。
7.根據權利要求3所述的超大容量時分波分光纖光柵傳感系統的查詢方法，其特征在于系統根據預掃描獲得光柵對應的相位信息，跳過無光柵區域，直接快速查詢對應光柵，獲取各個光柵的反射信號，波長解調儀(6 )對取樣信號進行波長解調，檢測對應光柵的波長偏移量，實現快速測量。
全文摘要
本發明涉及一種超大容量時分波分光纖光柵傳感系統及其查詢方法。該系統，由寬帶光源、調制模塊、環形器、布拉格光纖光柵傳感陣列、取樣模塊、波長解調儀和數據處理計算機組成；調制模塊和取樣模塊各包括一個SOA高速光電開關，并受同一信號發生器的不同通道驅動，兩路驅動脈沖之間存在相位差。布拉格光纖光柵傳感陣列可以由全同光纖光柵或多波長光纖光柵構成。本發明通過采用時分復用和波分復用相結合的技術可以在一根光纖上刻寫幾萬個光柵，具備系統容量大、響應速度快、擴展性好、靈活性高、穩定性好、成本低等特點，并可進行動態、靜態同時測量，能很好的滿足物聯網對信息容量的需求。
文檔編號G01D5/36GK102901525SQ201210390000
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月15日 優先權日2012年10月15日
發明者姜德生, 羅志會, 文泓橋, 郭會勇 申請人:武漢理工大學