一種光纖光柵定位系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種光纖光柵定位系統，基本原理是基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置，由于可調諧光源具有波長勻速線性掃描特性，通過設置可調諧光源的波長掃描順序，即分別從短波為起點和以長波為起點，往返掃描一次，便可計算出光柵實際的中心波長以及波長掃描帶來的計算波長和實際波長的偏差，繼而可以得到待測光柵距離波長解調裝置的位置。將光纖光柵鋪設在待測溫度或應力點的裝置上，采用本實用新型，在波長解調的同時，便可同時得出定位信息、準確的波長信息以及對應的溫度信息和應變信息等參數，本新型大大簡化了光纖光柵解調系統的結構，由于不需要OTDR技術，從而降低了系統成本。
【專利說明】一種光纖光柵定位系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于光纖傳感、光學測量【技術領域】，具體涉及一種光纖光柵的定位方法與系統。
【背景技術】
[0002]FBG(Fiber Bragg Grating,光纖布拉格光柵)具有反射波長隨溫度、應力等外界因素呈線性變化的特性，因此監測FBG反射波長的偏移即可測量獲得外界參數的變化，并且其探測能力不受光源功率波動、光纖彎曲損耗以及探測器老化等因素的影響，所以非常適合長期的安全監測，尤其是其波長編碼特性以及能在單根光纖上實現準分布式測量的優點更是其它傳感器所無法比擬的，具有廣闊的應用前景。
[0003]在一些測溫報警場合，比如長距離電力電纜接頭的測溫報警，用戶不僅需要得知溫度信息，而且需要得知具體哪個電纜接頭發出的溫度報警，以便維護人員在最短時間內對問題進行排查。因此，采用FBG準分布式光纖傳感系統，將不同中心波長的光纖光柵鋪設在待測電纜接頭上，利用光纖光柵波長解調技術及傳感器定位尋址技術便即得出待測節點的溫度信息和位置信息。
[0004]目前，光纖光柵波長解調和傳感器定位尋址一直是基于FBG光纖傳感網絡的技術難點。國內專利(CN102102998A)報道了一種“基于弱布拉格反射結構光纖的分布式傳感系統”，其特征是融合了波長調制傳感技術和OTDR定位技術的光波長時域反射OWTDR型定位。據調研，國內應用于分布式光纖傳感系統中實現定位功能一般都采用OTDR技術，將波長解調技術和OTDR技術結合在一起，從而實現待測點的溫度、應力、振動和位置信息。
[0005]OTDR技術的實現，需要復雜并且昂貴的電光調制器、函數發生器等組成的控制電路支撐，價格昂貴，適用于定位精度非常高的場合(比如定位精度〈I米);但在大多數分布式傳感系統領域，定位精度要求不是很高，增加OTDR功能，則整個系統成本很高，大大限制了分布式傳感系統的普及和應用。
[0006]另在工程施工中，由于光纖光柵傳感頭與解調裝置之間的距離很長，短則幾米，長則幾十公里，甚至幾百、幾千公里，光纖的長度直接導致了解調光纖光柵波長時，勢必會與出廠定標的光纖光柵波長不一致，因此，在工程施工時，很多情況下需要到工程現場進行現場定標。
[0007]因此，如何實現一種既能解析光纖光柵波長，從而解析出相應的溫度、應力等信息，又能簡便有效地實現定位，解決工程施工和工程維護等問題，是本【技術領域】開發人員需要面臨解決的問題。
【發明內容】
[0008]針對現有技術中存在的缺陷，本實用新型的目的在于提供一種簡便，不增加任何硬件成本的前提下，便可實現上述功能的方法，即在波長解調的同時，利用本方法，便可同時得出定位信息、溫度信息和應變信息等參數，本方法大大簡化了光纖光柵解調系統的結構，由于不需要OTDR技術，從而降低了系統成本。采用本方法的光纖光柵解調設備同時具備了解析光柵和實現傳感頭定位的功能。
[0009]為實現上述目的，本實用新型提供了以下技術方案:
[0010]一種光纖光柵定位系統，其不同在于，其包括至少一臺基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置和至少一路刻有光纖光柵傳感器的光纖；光纖光柵波長解調裝置的光路輸出端口與刻有光纖光柵傳感器的光纖連接，經光柵傳感器返回的數據經波長解調裝置解調后得到定位信息和/或溫度信息和/或應變信息，光纖光柵波長解調裝置的光源為可進行勻速線性掃描的可調諧光源，其波長分辨率可達到lpm，波長掃描速度大于10pm/2uS。
[0011]按以上方案，基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置包括一個可調諧光源模塊、一個光耦合器或環形器、一個光電轉換模塊、一個數據采集單元、一個計算控制單元；可調諧光源的輸出端接光耦合器或環形器的輸入端，光耦合器或環形器的一輸出端以光纖端口的形式留出，外接待測的至少一個布拉格光纖光柵，另一輸出端經光電轉換模塊后接入數據采集單元，最終進入計算控制單元。
[0012]按以上方案，基 于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置為多通道光纖光柵波長解調裝置，用至少一個IxN并且N≥I的分路器或光開關將可調諧光源的光分成N路，而后對每一路進行解調，基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置具體包括一個可調諧光源、至少I個IxN并且N≥I的分路器或光開關，至少一個光耦合器或環形器、一個單通道或多通道光電轉換模塊、一個數據采集單元、一個計算控制單元，可調諧光源經分路器或光開關將可調諧光源的光分成N路輸出到光耦合器或環形器的輸入端，光耦合器或環形器的一輸出端以光纖端口的形式留出，外接待測的至少一個布拉格光纖光柵，另一輸出端經單通道或多通道光電轉換模塊后接入數據采集單元，最終進入計算控制單元。
[0013]按以上方案，所述多通道光電轉換模塊由N個探測器PIN、光電轉換、濾波、放大、整形電路構成，N≥I。
[0014]定位信息及溫度信息和應變信息可以獨立顯示，也可由該裝置的通信端口(包括網口、RS485、RS232、USB等)發送到其它終端或服務器。
[0015]詳細計算原理如下:若光柵中心波長為λ，光柵與解調設備的距離為L，則從解調設備發出信號到接收到光柵的返回信號，需要經歷時間Λ t=2*L/ (c/n) (c為真空中光速，η纖芯折射率)。又因光柵解調設備的波長掃描速度為V=cU/d t，經過dt的時間波長改變量為dt*V。所以，設置可調諧激光器的掃描波長順序，假設當從短波到長波掃描時，經歷時間Λ t，得到光柵波長λ i，比光柵實際中心波長往長波方向偏移Λ t*V。反之，從長波到短波掃描時，同樣經歷時間At，得到光柵波長λ 2，比光柵實際中心波長往短波偏移Λ t*V。因此可以得出光柵實際的中心波長λ = ( λ 1+λ 2)/2，兩次掃描的波長偏差Λ λ= (λ「λ)=(λ - λ 2) =dt*Vo因為X1和λ 2可以測試得到，從而可以得出Λ λ,如圖1所示。又光柵解調設備波長掃描速度為V=cU/d t已知，所以可以計算得出偏差Λ λ所經歷的時間At=A λ/V，從而可得到光纖光柵距離解調設備的位置L=(c/n)* Λ t/2=(c/n)* Λ λ/2V(c為真空中光速，η纖芯折射率，V為可調諧光源的波長掃描速度)，實現光纖光柵的定位。
[0016]本實用新型還提供了一種光纖光柵定位系統，包括至少一臺基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置和至少一路帶有光纖光柵傳感器的光纖。具體連接關系為:從波長解調裝置的光路輸出端口與刻有光纖光柵傳感器的光纖連接，經光柵傳感器返回的數據經波長解調裝置解調后，定位信息及溫度信息和應變信息可以獨立顯示，也可由該裝置的通信端口(包括網口、RS485、RS232、USB等)發送到其它終端或服務器。光纖光柵波長解調裝置的光源為可調諧光源，可勻速線性掃描，其波長分辨率可達到lpm，波長掃描速度大于10pm/2uso
[0017]對比現有技術，本實用新型的原理及有益效果如下:利用本實用新型，在不增加任何硬件成本的前提下，便可實現光纖光柵的定位功能，即在波長解調的同時，利用本方法，便可同時得出定位信息、溫度信息和應變信息等參數；而且利用本方法，可計算出實際光柵的反射中心波長，從而可以解決工程施工中因出廠光纖和施工現場光纖的長度不同而導致的測量波長與校準波長不一致的問題；由于給出定位信息，因此可以大大方便工程施工人員和維護人員排查問題，大大縮短解決問題的時間。
[0018]本方法大大簡化了光纖光柵解調系統的結構，從而降低了系統成本。采用本方法的光纖光柵解調設備沒有采用OTDR技術便可同時具備了解析光柵波長和定位的功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型實施例的方法示意圖；
[0020]圖2為本實用新型實施例的系統框圖示意圖；
[0021]圖3為本實用新型實施例中的多通道光纖光柵波長解調裝置利用分路器實現方案示意圖；
[0022]圖4為本實用新型實施例中的多通道光纖光柵波長解調裝置利用光開關實現方案示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本實用新型的主要思想是提出一種簡便有效、性價比高的光纖光柵定位系統，本實用新型在不增加任何硬件成本的前提下，便可實現光纖光柵的定位功能，即在波長解調的同時，利用本方法，便可同時得出定位信息、溫度信息和應變信息等參數。而且利用本方法，可計算出實際光柵的反射中心波長，從而可以解決工程施工中因出廠光纖和施工現場光纖的長度不同而導致的測量波長與校準波長不一致的問題；由于給出定位信息，因此可以大大方便工程施工人員和維護人員排查問題，大大縮短解決問題的時間。
[0024]本方法大大簡化了光纖光柵解調系統的結構，從而降低了系統成本。采用本方法的光纖光柵解調設備沒有采用OTDR技術便可同時具備了解析光柵波長和定位的功能。
[0025]現結合附圖對本實用新型做進一步描述:參見圖1-圖4，本實用新型一種光纖光柵定位系統，配置一臺基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置，其可調諧光源具有波長勻速線性掃描特性，通過設置可調諧光源的波長掃描順序，分別從短波為起點和以長波為起點，往返掃描一次，便可計算出光柵實際的中心波長以及波長掃描帶來的計算波長和實際波長的偏差，繼而可以得到待測光柵距離波長解調裝置的位置。
[0026]參閱附圖1與附圖2，假設光纖光柵中心波長為λ，光柵與解調設備的距離為L，則從解調設備發出信號到接收到光柵的返回信號，需要經歷時間Λ t=2*L/ (c/n) (c為真空中光速，η纖芯折射率)。又因光柵解調設備的波長掃描速度為V=cU /d t，經過dt的時間波長改變量為dt*V。所以，設置可調諧激光器的掃描波長順序，假設當從短波到長波掃描時，經歷時間At，得到光柵波長X1，比光柵實際中心波長往長波方向偏移Λ t*V。反之，從長波到短波掃描時，同樣經歷時間Λ t，得到光柵波長λ 2，比光柵實際中心波長往短波偏移At*V。因此可以得出光柵實際的中心波長λ= (λ1+λ2)/2，在兩次掃描時間內，其它環境參數還未來得及變化時，便可得出由于光柵與解調設備之間的距離L導致的波長偏差Δ λ = (A1-A) = (λ - λ 2) =dt*V。因為λ i和λ 2可以測試得到，從而可以得出Λ λ，又因光柵解調設備波長掃描速度為V=dλ/d t已知，所以可以計算得出偏差Λ λ所經歷的時間At= Λ λ/V，從而可得到光纖光柵距離解調設備的位置L= (c/n)* At/2= (c/n)* Δ λ/2ν (c為真空中光速,η纖芯折射率,V為可調諧光源的波長掃描速度),實現光纖光柵的定位。
[0027]舉例說明，假設光柵解調設備的波長掃描速度為10pm/2us，掃描波長范圍1520nm~1570nm，共掃描50nm帶寬，則掃描一次需要IOms時間，往返兩次掃描時間僅為20ms;而目前光纖光柵解調設備應用于溫度監測和靜應力監測場合中，溫度報警和應力監測的相應速度均在秒(s)量級以上，因此，在溫度或應力監測的時間內，利用本實用新型，可以方便快捷地測試出光柵的定位信息。按照本實用新型中解調設備的波長分辨率為Ipm計算，利用公式:L= (c/n)* Λ A/2V (c為真空中光速，η纖芯折射率，V為可調諧光源的波長掃描速度)，此處，取η=1.5，Δ λ =Ipm, c=3X 108m/s, V=10pm/2us,可計算得出定位精度為20米。如果將光柵解調設備的波長掃描速度提升到10pm/0.2us，則定位精度可達2米。
[0028]附圖2是本實用新型的一種光纖光柵定位系統，包括至少一臺基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置和至少一路帶有光纖光柵傳感器的光纖。具體連接關系為:從波長解調裝置的光路輸出端口與刻有光纖光柵傳感器的光纖連接，經光柵傳感器返回的數據經波長解調裝置解調后，定位信息及溫度信息和應變信息可以獨立顯示，也可由該裝置的通信端口(包括網口、RS485、RS232、USB等)發送到其它終端或服務器。
[0029]參閱附圖3， 為本實用新型的多通道光纖光柵波長解調裝置利用分路器實現方案示意圖。具體包括一個可調諧光源模塊、I個IxN(NS I)的分路器，至少一個光耦合器或環形器、一個多通道光電轉換模塊、一個數據采集單元、一個計算控制單元。光路實現原理為，首先光由可調諧光源模塊輸出，經由至少一個IxN(NS I)的分路器同時將可調諧光源的光分成N (N ≥ I)路，然后每一路通過一個1x2的光耦合器或環形器后接入光纖，并由光纖上帶有的N (N≥ I)串不同波長的光纖光柵反射，攜帶被測信息的光反向通過耦合器或者環行器后，入射到多通道光電轉換模塊上，經數據采集單元和計算控制單元，可計算出光纖光柵反射的波長信息。本方案中采用光分路器進行分光，各通道的光同時接入不同通道的待測光纖光柵中，并行處理。
[0030]參閱附圖4，為本實用新型的多通道光纖光柵波長解調裝置利用光開關實現方案不意圖。具體包括一個可調諧光源模塊，I個1x2的光稱合器或環形器，一個IxN(N≥I)的光開關，一個單通道光電轉換模塊、一個數據采集單元、一個計算控制單元。光路實現原理為，首先光由可調諧光源模塊輸出，經由一個1x2的光耦合器或環形器后，經I個IxN(N≥I)的光開關分時切換到不同通道的待測光纖，經光纖上帶有的N (N≥I)串不同波長的光纖光柵反射，攜帶被測信息的光反向通道光開關，經1x2耦合器或環形器的另一端輸出給單通道光電轉換模塊，經數據采集單元和計算控制單元，可計算出光纖光柵反射的波長信息。本方案中采用光開關進行分光，各通道的光分時接入不同通道的待測光纖光柵中，分時進行數據處理。
[0031]本領域技術人員可知，本實用新型計算控制單元及其它模塊均可以采用市面上常規的模塊或單元。
[0032]以上實施例僅供說明本實用新型之用，而非對本實用新型的限制，有關【技術領域】的技術人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術方案，都落入本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種光纖光柵定位系統，其特征在于，其包括至少一臺基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置和至少一路刻有光纖光柵傳感器的光纖；光纖光柵波長解調裝置的光路輸出端口與刻有光纖光柵傳感器的光纖連接，經光柵傳感器返回的數據經波長解調裝置解調后得到定位信息和/或溫度信息和/或應變信息，光纖光柵波長解調裝置的光源為可進行勻速線性掃描的可調諧光源，其波長分辨率可達到1pm，波長掃描速度大于10pm/2uS。
2.如權利要求1所述的一種光纖光柵定位系統:其特征在于，基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置包括一個可調諧光源模塊、一個光稱合器或環形器、一個光電轉換模塊、一個數據采集單元、一個計算控制單元；可調諧光源的輸出端接光耦合器或環形器的輸入端，光I禹合器或環形器的一輸出端以光纖端口的形式留出，外接待測的至少一個布拉格光纖光柵，另一輸出端經光電轉換模塊后接入數據采集單元，最終進入計算控制單元。
3.如權利要求1所述的一種光纖光柵定位系統:其特征在于，基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置為多通道光纖光柵波長解調裝置，用至少一個IxN并且N > I的分路器或光開關將可調諧光源的光分成N路，而后對每一路進行解調，基于可調諧光源的光纖光柵波長解調裝置具體包括一個可調諧光源、至少I個IxN并且N≥I的分路器或光開關，至少一個光耦合器或環形器、一個單通道或多通道光電轉換模塊、一個數據采集單元、一個計算控制單元，可調諧光源經分路器或光開關將可調諧光源的光分成N路輸出到光耦合器或環形器的輸入端，光耦合器或環形器的一輸出端以光纖端口的形式留出，外接待測的至少一個布拉格光纖光柵，另一輸出端經單通道或多通道光電轉換模塊后接入數據采集單元，最終進入計算控制單元。
4.如權利要求1或2或3所述的一種光纖光柵定位系統:其特征在于:所述多通道光電轉換模塊由N個探測器P IN、光電轉換、濾波、放大、整形電路構成，N ^ 10
【文檔編號】G01D5/26GK203587125SQ201320749214
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】張麗, 劉清輝, 劉翠青 申請人:武漢朗睿科技有限公司