CN102607606A - 基于otdr方式和低反射率光纤光栅的超多点传感*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***，包括至少一个光信号产生装置，光信号产生装置与光耦合器相连接，光耦合器的两个输出端分别连接光环行器和触发光检测器，光环行器的一个输出端连接有光纤，该光纤上串联有多个低反射率光纤光栅，光环行器的另一个输出端依次连接有信号光检测器和电信号放大电路，触发光检测器和电信号放大电路的输出端均连接在数字示波器上，数字示波器的输出端通过信号处理电路连接有显示器。本发明能实现对大型机构的快速、超多点以及低成本检测。

Description

基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***

技术领域

本发明属于光纤传感器设备技术领域，具体涉及一种至少使用一个分布反馈激光器(DFB)的基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***。

背景技术

现代经济社会突飞猛进的发展为建筑业和大型工程带来了良好的发展契机，但随之而来的健康和安全的监测问题(如大坝、桥梁、航天器、高速铁路、船舶、核电站等大型结构)却日益明显。并且我国是一个灾害频发的国家，如2010年的舟曲泥石流，宝成铁路的桥梁垮塌等，如果能提前预警，就可以避免人民群众的生命财产损失。所有这些都可以通过大量的传感器进行监测。光纤光栅(FBG)传感器因其本质安全、不受电磁干扰、灵敏度高、质量轻、体积小、易于复用、可以组网等优点，在此领域得到了广泛的应用。

光纤光栅的反射或透射峰波长与光栅的折射率调制周期及纤芯折射率有关，而由于光纤的热膨胀效应、光纤的热光效应及光纤内部热应力引起的弹光效应，外界温度、应力的变化会影响折射率调制周期和纤芯折射率的变化，从而引起光纤光栅的反射或透射波长的变化。光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格反射波的中心波长的调制来获取传感信息的，属于一种波长调制型光纤传感器。

光纤光栅传感器最大技术经济优势在于分布式(多点)传感，可以组网。这样不仅可以减少传感器安装和信号传输线对施工及原结构性能的影响，而且可以增加传感点的密度，与同样传感数量的常规传感器及测量***相比整体价格低。实际上，大型和复杂结构的监控经常需要大量传感器，例如，飞机结构监控需要近5000个传感器才能有足够的覆盖。因此，在经济、实用的前提条件下，FBG传感网络所能复用的传感器数量就成了研究者追求的目标。光纤传感网也属于物联网范畴，物联网已确定为我国的战略新兴产业，其本质上是一个庞大的传感网络。

FBG传感网络的复用方式主要有波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)或它们之间的组合，目前国内外的成熟方案主要采用的是波分复用(WDM)。由于WDM复用方式受光源的带宽限制，其可复用的FBG数目大大受到限制(一般20～30个)。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***，能实现对大型机构的快速、超多点以及低成本检测。

本发明所采用的技术方案是，一种基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***，其特征在于，包括至少一个光信号产生装置，光信号产生装置与光耦合器相连接，光耦合器的两个输出端分别连接光环行器和触发光检测器，光环行器的一个输出端连接有光纤，该光纤上串联有多个低反射率光纤光栅，光环行器的另一个输出端依次连接有信号光检测器和电信号放大电路，触发光检测器和电信号放大电路的输出端均连接在数字示波器上，数字示波器的输出端通过信号处理电路连接有显示器。

光信号产生装置的数量为一个或两个。

光信号产生装置为分布反馈激光器。

多个低反射率光纤光栅的反射率均为1％～0.1％。

信号光检测器为PIN光电二极管或雪崩二极管。

本发明基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***的优点是：与传统的波分复用(WDM)相比，在一根光纤上能够复用的FBG数大大增加了。WDM复用方式受光源的带宽限制，其可复用的FBG数目大大受到限制(一般20～30个)。而本发明采用低反射率光纤光栅和OTDR方式，在一根光纤上能够复用的FBG数可达几百甚至上千；通过一个分布反馈激光器产生短脉冲光或两个分布反馈激光器精确地交替产生短脉冲及相应的信号检测与处理，可对串联在一根光纤上几百个的低反射率FBG进行高空间分辨、宽动态范围的应变测量。如果与其他复用方式相结合，可构成含有几千甚至上万个FBG的光纤传感网络。从而能用于如地面滑坡、高速铁路和建筑物裂缝等的监测，并为发展大型光纤物联网奠定基础，具有重大的科学意义及工程价值。

附图说明

图1是本发明第一种实施例的***框图；

图2是本发明第一种实施例的FBG应变测量原理图；

图3是本发明第一种实施例不同位置上设置的FBG的反射功率的示意图；

图4是使用两个DFB测量大动态范围应变的原理图；

图5是本发明第二种实施例的***框图；

图6是本发明用于理论仿真计算最大能复用的FBG个数的原理框图；

图7是本发明中的FBG反射谱和激光器波长的关系示意图；

图8是本发明中不同的反射率所对应串联的FBG数目，其中，(a)和(b)中分别对应的是输入功率P₀＝5mW和P₀＝10mW时的两种情况。

其中，1-1.第一分布反馈激光器，1-2.第二分布反馈激光器，2.光耦合器，3.光环行器，4.光纤，5.信号光检测器，6.电信号放大电路，7.信号处理电路，8.显示器，9.数字示波器，10.触发光检测器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***，包括作为光信号产生装置的第一分布反馈激光器1-1，第一分布反馈激光器1-1与光耦合器2相连接，光耦合器2的两个输出端分别连接光环行器3和触发光检测器10，光环行器3的一个输出端连接有光纤4，该光纤4上串联有多个低反射率光纤光栅FBG，多个低反射率光纤光栅FBG的位置按照待检测位置的需要而设置，光环行器3的另一个输出端依次连接有信号光检测器5和电信号放大电路6，触发光检测器10和电信号放大电路6的输出端均连接在数字示波器9上，数字示波器9的输出端通过信号处理电路7连接有显示器8。低反射率光纤光栅FBG的反射率均为1％～0.1％。信号光检测器5为PIN光电二极管或雪崩二极管APD，作为探测信号的检出器件。触发光检测器10选用PIN光电二极管作为触发信号的检出器件。

第一分布反馈激光器1-1产生短脉冲光进入光耦合器2，光耦合器2分光比为10∶90，90％的一路通过光环行器3最终进入光纤4，10％的一路到用于触发光检测器10。光纤4上串联的FBG采用反射率在1％～0.1％之间的低反射率光纤光栅，其反射率越低，***复用的光纤光栅个数就越多。光纤4上串联的FBG反射回来的光信号经光环行器到达信号光检测器5和电信号放大电路6，依次经光电变换和信号放大后，到达数字示波器9，再经信号处理电路7的信号处理，最终在显示器8上显示，以确定光纤4上某个低反射率光纤光栅FBG产生应变的大小。

当***中只有一个光信号产生装置DFB，假设在测量中激光器的谱是不变的，若在光纤光栅FBG上加以应变，光纤光栅FBG的反射谱的波长将移位，如图2所示，反射光强度P(ε)将是光纤光栅FBG的反射谱r(λ)和激光光谱φ(λ)的卷积。激光器的波长为λ0，未加应变时光纤光栅FBG的反射谱为图2中实线，反射光功率(强度)为P₁；加应变时光纤光栅FBG的反射谱由于移位Δλ而变为虚线，反射光功率P₂。应变引起光纤光栅FBG反射谱的波长移位可转化为光强度的变化，即由P₁变为P₂，由反射光强度的变化量就可以计算出应变。因此直接光纤光栅的反射光强度的变化量就可以确定该光栅的应变。

当串联多个光纤光栅FBG时，每个光纤光栅FBG的位置R可用光时域反射法OTDR确定：脉冲光入射时，由反射光和触发光的时间差即可确定传感器的位置，即R＝c·t_d/2n，其中，c为光速，t_d为反射光和触发光的时间差，n为光纤纤芯的折射率。距离(空间)分辨率，即两个相邻光纤光栅FBG的最短距离，由光脉冲的宽度决定，即ΔR＝c·τ/2n，其中，τ为激光脉冲宽度。

光纤光栅FBG中心波长偏移量的大小影响光纤光栅在探测激光波长处的反射率，从而引起对应光纤光栅FBG的反射功率的变化，图3为不同位置上设置的光纤光栅FBG的反射功率的示意图。因为在理想情况下，光电探测器接收到反射光信号后的参量变化(光电探测到电流转换到电压放大)都是线性关系。通过检测对应光纤光栅FBG的激光脉冲的反射光强度In变化，可以获得该处光纤光栅FBG的应变变化大小，通过测量对应功率反射信号的回波时间差，再获得应变发生的具***置(或者光纤光栅FBG的序号)。因此可以实现对应变大小及产生的具***置进行实时监测。

为了提高检测信号的信噪比，根据多次扫描求平均可以降低噪声的原理，一次测量时采用多个光脉冲求平均，例如一次测量使用了N个光脉冲，其噪声可降到

由于低反射率光纤光栅FBG反射回来的信号很弱，除了采用多个光脉冲求平均以提高信噪比外，还使用了雪崩二极管APD，因此，本发明***的各种光检测器件及数字示波器完全可以检测到纳秒级信号。

实施例2

如图5所示，本实施例与实施例1不同之处是，作为光信号产生装置的是第一分布反馈激光器1-1和第二分布反馈激光器1-2，第一分布反馈激光器1-1和第二分布反馈激光器1-2均与光耦合器2相连接。在工作工程中，两个分布反馈激光器精确地交替产生短脉冲。

当光纤光栅FBG遭受的应变较大时，光纤光栅FBG的反射谱势必移出第一分布反馈激光器1-1的范围，导致没有反射功率信号，无法测量，为此可以再增加一个第二分布反馈激光器1-2。如图4所示。因此，为了扩大应变的测量动态范围，我们提出使用两个分布反馈激光器DFB交替产生纳秒脉冲。当光纤光栅FBG的反射谱与第一分布反馈激光器1-1的谱有重合时，就用第一分布反馈激光器1-1来测量；如果光纤光栅FBG受到较大的应变，其反射谱移出第一分布反馈激光器1-1的测量范围时，就采用第二分布反馈激光器1-2来测量。两个分布反馈激光器DFB波长之间的间隔(2nm～4nm)与光纤光栅FBG反射谱之间要很好地匹配。

如图6所示，采用第一分布反馈激光器1-1、光耦合器2、光纤4以及信号光检测器5构成理论仿真计算模型，其中，第一分布反馈激光器1-1、光纤4以及信号光检测器5均与光耦合器2相连接。信号光检测器5为雪崩二极管。该模型参数如下表所示：

光纤4上采用低反射率和宽带宽(3dB带宽)的光纤光栅FBG，为了与窄带脉冲光源相匹配，将3dB带宽值选定为6nm。同时为保证激光波长在光纤光栅FBG处有最大的灵敏度，激光波长设定在光纤光栅FBG反射谱的半宽度处，因此所选用的光纤光栅FBG中心波长定为1547nm。另外，考虑到国内现有的生产工艺能够测试到的最低反射率为1％，所以将所仿真光纤光栅FBG的反射率定为-20dB(1％)。光纤光栅FBG的反射谱及激光波长如图7所示。另外耦合器选取3dB耦合器，其分光比是1∶1。

由于采用时分复用技术，对光电探测部分有很高的要求，其中重要的参数指标是光纤光栅FBG的反射光功率P_r。通过数学归纳法的推导，图6中的反射光功率P_r的计算公式为P_r＝P₀·R·{(1-R)×(1-L_s)}^2(n-1)(1-L_c)^2k，其中，k是连接点数(正整数)，n/10≤k＜(n+10)/10；P₀是入射光功率，R是光纤光栅FBG的反射率，L_s是光纤光栅FBG结构本身的损耗系数，取典型值为0.01dB，约为0.23％，L_c是光纤熔接点处的损耗系数，也取为0.01dB，约0.23％，并假设每10个光纤光栅FBG为一组进行熔接串联。经过进一步简化之后得到：P_r＝P₀·R·{1-(R+L_s)}^2(n-1)(1-L_c)^2k。

图8为不同的反射率所对应串联的光纤光栅FBG数目，三条线分别对应的是反射率为R＝-20dB(1×10^-2)，R＝-30dB(1×10^-3)，R＝-40dB(1×10^-4)时所对应的串联的光纤光栅FBG数目曲线。图8中(a)和(b)中分别对应的是输入功率P₀＝5mW和P₀＝10mW时的复用数目，虚线为雪崩二极管APD的最小可探测光功率P_rmin(取值0.1μW和0.01μW)。

由图8中(a)和(b)对比分析可知，相同的反射率下，随着入射功率P₀的增大，能够复用的光纤光栅FBG数目也逐渐增多；若采用反射率-20dB(1％)的光纤光栅FBG，由图(a)可以看到，在入射光功率为5mW时，当雪崩二极管APD的最小可探测光功率P_rmin为0.01μW，可以复用光纤光栅FBG350个。而采用反射率为-30dB(0.1％)的光纤光栅FBG，在入射光功率为10mW，P_rmin为0.01μW时，光纤光栅FBG的复用数目可以达到1000个以上。通过对仿真图的分析，可以看出光纤光栅FBG的复用数量随着反射率的减小而增加。

Claims (5)

1.一种基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***，其特征在于，包括至少一个光信号产生装置，所述光信号产生装置与光耦合器相连接，所述光耦合器的两个输出端分别连接光环行器和触发光检测器，所述光环行器的一个输出端连接有光纤，该光纤上串联有多个低反射率光纤光栅，所述光环行器的另一个输出端依次连接有信号光检测器和电信号放大电路，所述触发光检测器和电信号放大电路的输出端均连接在数字示波器上，所述数字示波器的输出端通过信号处理电路连接有显示器。

2.按照权利要求1所述的基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***，其特征在于，所述光信号产生装置的数量为一个或两个。

3.按照权利要求2所述的基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***，其特征在于，所述光信号产生装置为分布反馈激光器。

4.按照权利要求1所述的基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***，其特征在于，所述多个低反射率光纤光栅的反射率均为1％～0.1％。

5.按照权利要求1所述的基于OTDR方式和低反射率光纤光栅的超多点传感***，其特征在于，所述信号光检测器为PIN光电二极管或雪崩二极管。

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