一種光柵陣列的相位-強度定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及傳感器技術領域，具體而言涉及一種光柵陣列的相位-強度定位方 法，該定位方法適用于高反射率的波分復用（WDM)光柵陣列和低反射率的時分復用（TDM) 陣列。
【背景技術】
[0002] 基于光纖光柵陣列的傳感網絡具有復用能力強、響應速度快、抗電磁干擾、可靠性 高等特點，廣泛應用于火災報警、周界圍欄等的安全監測。在大多數工程應用中，除了需要 對溫度、應變、振動等物理量進行監測外，還需要對事件發生點進行快速定位。傳統光柵傳 感網絡多采用高反射率光柵WDM復用構建，但這種網絡只能復用幾十個光柵，很難滿足大 規模（如數百個監測點）的要求。2013年，武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室首次實 現光纖光柵陣列的在線制備，在普通低損耗光纖上大規模自動化刻寫弱光柵。這種在線制 備的光柵陣列機械性能好，傳輸損耗低，大大提升了陣列的復用數量和傳感距離，這為大規 模光纖光柵傳感網絡的推廣應用奠定了基礎。但光柵陣列規模的急劇擴大，也給光柵制備 及鋪設質量的檢測提出新的要求。例如，在光柵陣列制備時，需要檢測光柵的位置及間隔的 變化，而在裸光柵陣列成纜后，更需要對各光柵的絕對位置進行標定和編號，以方便針對敏 感區進行監測時，根據預先確定的光柵位置進行有效鋪設。因此，如何對陣列中的光柵進行 準確定位，是大規模光纖光柵傳感網絡技術發展的必然要求。
[0003] 光時域反射儀（OTDR)是OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反 射所產生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應用于光纜線路的維護、 施工之中，可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。傳統高反射 率光柵多采用OTDR進行定位，這種光柵能有效反射OTDR光源入射的光信號，各光柵的位置 可作為"事件"反映在衰減曲線上。但由于OTDR多采用法布里-泊羅型激光器（FP-LD)作 為光源，FP-LD光源光譜呈梳狀的高斯分布，即中心波長附近梳齒的功率高，邊緣波長附近 梳齒的功率很低，且齒縫之間波長的功率遠低于梳齒功率，使得光柵對FP-LD光源的反射 信號具有選擇性。對于反射率不高的光柵，光柵的反射波長與FP-LD的梳齒波長失配時，光 柵反射信號的功率會大大降低，甚至低于背向光散射信號的強度，此時檢測電路將無法識 別光柵的反射信號，從而導致光柵的定位困難。此外，由于OTDR的定位精度受脈沖寬度和 盲區的影響，其定位誤差一般在+/-lm左右，飽和盲區和衰減盲區均大于2m。因此，對于定 位精度要高、光柵間距小的陣列，OTDR檢測存在較大困難。中國專利"一種極弱光纖光柵傳 感系統及其查詢方法"（專利號：201210391578. 5)，探討了相位掃描查詢光柵的相關技術， 但這種技術仍然采用單一的時間維度來定位光柵，誤差甚至都大于傳統的OTDR定位技術， 因此很難應用于大規模光柵陣列制備及鋪設質量的檢測，定位精度也很難進一步優化。如 何進一步提升光柵定位的精度，探索準確定位光柵的新方法，具有重要的工程意義。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是提供一種光柵陣列的相位_強度定位方法，該方法 基于光柵反射信號的特征，從相位和強度兩個維度對光柵進行定位，從而獲得亞厘米級的 定位精度，實現方案監測，可適用于TDM陣列和WDM陣列中光柵的定位檢測，為大規模光纖 光柵陣列制備及質量檢測提供了優秀解決方案。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明提供一種光柵陣列的相位-強度定位方法，包括如 下步驟：
[0006] 步驟1 :寬帶的連續非相干光，經過電光調制后形成寬帶光脈沖，再經光環形器注 入串行光柵陣列，陣列中不同空間位置的光柵依次反射光脈沖。
[0007] 步驟2:以電光調制脈沖的上升沿為時間參考零點，調節選擇光開關控制脈沖的 時延來分離不同光柵的反射信號。當控制脈沖的時延與目標光柵反射信號的時延交疊時， 該光柵的反射信號可以通過，而其它光柵的反射信號被吸收。則目標光柵距離電光調制器 的距離1^為：
[0008] (tdi-tw)c/2ne^L(tdi+tw)c/2ne
[0009] 式中，tw光開關脈沖的寬度，tdi這兩路信號之間的時延差，ne為光纖的有效折射 率，c為真空中的光速。如說明書附圖中的圖4所示，是相位調節過程中，精調相位差（或 時延）與光度變化的示意圖。
[0010] 步驟3 :當捕捉到光柵的反射信號后，以電光調制脈沖的相位為參考，精確調節選 擇光開關控制脈沖與電光調制脈沖之間的相位差（或者時延，兩者量綱不同，但具有相同 的物理意義，相位可以通過脈沖的周期進行折算，獲得對應的時延值），并監測通過選擇光 開關后信號強度的變化。假定通過信號功率的歸一化面積為1，可以用相位差t的函數S(t) 來描述光功率隨延時變化，則：
[0011]
[0012] 步驟4:對不同相位差對應的光柵反射信號的強度進行逐次比較，查找信號的峰 值強度，并記錄峰值信號強度所對應的時延和相位差。
[0013] 步驟5 :根據下面的公式計算光柵的精確位置：
[0014]
[0015] 式中，ttotal為粗調時延與精調相位差（或時延）的和。在一般情況下，粗調時延 多用于光柵反射信號捕捉，步距越大，光柵查詢速度越快，但這意味著定位精度越低。精調 時延的步距較小，由于光柵反射信號的強度對相位敏感，微小時延的變化即可引起光強的 變化，精調步距越小，查找光強信號峰值的不確定度越小，定位精度越高。
[0016] 所述光柵的定位誤差還與光脈沖寬度、相位調節精度有關。在相位調節最小步距 一定的情況下，光脈沖寬度越窄，相位失配所引起的功率變化越明顯，信號強度的峰值點查 找越準確，從而有利于縮小尋峰誤差；而在光脈沖寬度一定的情況下，相位精確調節的步距 越小，查找峰值時的不確定誤差越小，從而改善定位精度。
[0017] 一種光柵陣列的相位-強度定位方法，應用于高反射率WDM陣列光柵的精確定位。 在WDM光柵陣列中，為了避免傳感波長之間的串擾，考慮光柵lnm的動態工作范圍，相鄰通 道光柵之間的波長間隔約為lnm。因此，對于WDM陣列，光源需選用譜寬較寬的寬帶自發發 射光源（如40nm)。當寬帶的連續經電光調制后，帶有多波長信息的光脈沖入射到WDM光柵 陣列，各光柵反射信號攜帶不同的波長和位置信息，經過選擇光開關后，通過對反射信號進 行相位-強度檢測，實現對光柵的精確定位。
[0018] -種光柵陣列的相位-強度定位方法，應用于光纜線路接續盒的定位和標識管 理。在光纜傳輸線路中，通常光纜的標準長度只有2km，需要逐段接續來構建長距離傳輸線 路，并設置接續盒保護每段的節點。但在線路建設完成后，眾多接續盒的標識管理存在一定 困難。通過在不同接續盒中接入不同波長的光柵，可以根據波長和位置對接續盒進行二維 編碼管理，對于光纜線路工程的管理十分有效。
[0019] 一種光柵陣列的相位_強度定位方法，采用光放大器對電光調制脈沖進行放大 后，可應用于低反射率TDM光柵陣列的精確定位。在TDM光柵陣列中，為了提高陣列的復 用能力，光柵多采用低反射率光柵。因此，對光源的譜寬要求不高，對系統的功率預算要求 較高。小帶寬光源經過電光調制后的光脈沖，經過光放大器提升光功率后入射到TDM光柵 陣列，各光柵反射信號經過選擇光開關后，通過對反射信號進行相位-強度檢測，實現對光 柵的精確定位。
[0020] 依據上述發明的方法，可實現對傳感光柵的準確定位，且技術實現方案簡單，無需 設計復雜的軟硬件結構及算法，可滿足目前主流WDM光柵陣列的定位要求，也能對大規模 弱光柵陣列進行定位，為弱光柵陣列制備及敷設質量的檢測提供了較好的解決方案。
[0021] 綜上所述，與現有技術相比，本發明的有益效果在于：
[0022] 1)、定位精度大幅提高。比較傳統的OTDR定位，該方法從兩個維度進行定位，定位 精度從米級提升到〇. 1米以下。
[0023] 2)、解決了弱光柵的制備及敷設質量檢測的問題。由于OTDR無法檢測到弱光柵的 反射信號，目前弱光柵檢測存在較大困難。該方法能有效檢測到