CN102914321B - 一种极弱光纤光栅传感***及其查询方法 - Google Patents

Abstract

一种极弱光纤光栅传感***及其查询方法。该***主要由窄带可调谐激光器、调制模块、环形器、布拉格光纤光栅阵列、取样模块、光电探测器和数据处理计算机组成；调制模块和取样模块各包括一个SOA高速光电开关，并受同一信号发生器的不同通道驱动，两路驱动脉冲之间存在相位差。布拉格光纤光栅阵列由极弱反射率的全同光纤光栅构成。采用扫描激光器作为光源，结合精确的时分技术隔离多光栅之间的串扰，实现对极弱反射率光纤光栅的有效查询。本发明的传感***具有容量大、响应速度快、灵活性高、成本低的特点，一根光纤上串接极弱反射率光栅的数量可以达到数万个以上，具有广阔的应用价值。

Description

一种极弱光纤光栅传感***及其查询方法

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种极弱光纤光栅传感***及其查询方法。

背景技术

光纤传感器具有防火防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等特性，具有比其它传感器更加广阔的应用范围。随着光栅刻写技术的快速发展，通过在光纤拉丝过程中刻写光栅，克服了传统工艺中在一根光纤上逐一熔接多个光栅的复杂操作，避免了熔接损耗对光栅数量的限制，实现了在一根光纤上刻写任意数量的光栅，为超大容量光纤光栅传感监测提供了物质基础。

普通光栅反射率较高，光功率在传输过程中受多个光栅反射后衰减快，一根光纤上串联的光栅个数一般不能超过数十个。为了增加串联光栅的数量，诸如波分复用、频分复用、码分复用等技术被引入，***复杂且成本代价高，但扩容的效果并不理想，应用十分有限。近年来，随着光栅在线刻写技术被提出，通过降低光栅反射率来增加光栅数量的方法受到人们的青睐，使弱光栅查询技术成为研究的热点。采用反射率低的弱光栅（如0.1%反射率），理论上一根光纤上基于时分复用技术可以串联数百个光栅；进一步降低光栅的反射率，采用极弱光栅（如反射率0.01%）构建传感***，其容量将获得大幅提升。极弱光栅传感***不仅能实现一根光纤上复用数千乃至数万个光栅，而且能通过在普通光纤上刻写获得，极大的简化光栅刻写工艺。然而极弱光栅对查询光源的功率有较高的要求，目前典型SLED在某个波长点的输出功率小于-35dBm，经过弱光栅（如0.1%的反射率光栅）反射后，其反射信号的功率低于-65dBm，和光纤中瑞利散射的背景噪声相当，再考虑传输过程中的损耗，信号将完全被噪声淹没。此外，数百个弱光栅串联，采用连续光照射或周期性脉冲串照射，多光栅反射产生的相互串扰和“阴影效应”也非常严重，这将极大的劣化了信噪比，限制了***的容量。如何避免全同光栅反射信号之间的串扰是弱光栅串联查询的一大技术难题。采用传统时域检测技术无法完全避免多光栅反射（专利号201010590361.8“基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用***”；专利号201110373500.6“采用弱反射FBG的分布式传感网络及其各FBG的精确定位方法”）的串扰，信号处理设备复杂，光栅的最低反射率和最大复用数量受到严重限制；光栅反射率较高时，全同的多光栅串联，前段光栅的反射会较快的降低布拉格波长对应的光功率，使后续光栅反射的峰值功率明显降低，反射脉冲出现“平顶”现象，即所谓“阴影效应”，这将造成判决困难，限制最大复用的光栅数量。此外，全同的多光栅串联查询要求精确的时分复用，对反射脉冲的实时检测速度达到ns级，现有高速信号处理电路或模拟电子开关电路自身时延明显，无法精确检测并处理反射的脉冲信号，公开的相关技术（专利号201110326745.3“基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及***”；专利号200610009939.X“基于CPLD的时分复用光纤光栅传感测试***”）需保持光栅之间的间隔距离在数十米，存在明显的缺陷，也没有隔离脉冲之间的串扰，***复杂且性能差，造价昂贵，未见相关应用的报道。如何进一步降低光栅的反射率来提升***容量，克服多光栅之间串扰和“阴影效应”的影响，成为下一代光纤光栅传感网络技术需要解决的首要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述光纤光栅传感技术的局限性，提出一种极弱光纤光栅传感***及其查询方法。本***具备***容量大、响应速度快、灵活性高、成本低等特点。

本发明解决上述技术问题所采用的方案如下：

一种极弱光纤光栅传感***，由窄带调谐光源、调制模块、环形器、布拉格光纤光栅阵列、取样模块、光电探测器和数据处理计算机组成；所述的窄带调谐光源连接调制模块，调制模块输出的光信号通过环形器耦合进布拉格光纤光栅阵列；所述的环形器的另一个端口接取样模块；取样模块连接光电探测器，光电探测器用导线与数据处理计算机连接。

所述的窄带调谐光源输出连续激光，光源功率大于0dBm，通过数据处理计算机控制实现pm级波长扫描。

所述的调制模块由第一SOA高速光电开关和信号发生器构成，对光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns。

所述的取样模块由第二SOA高速光电开光和信号发生器构成，对反射的光脉冲在时域内进行选择，并对允许通过的光信号进行放大。

所述的布拉格光纤光栅阵列由多个极弱反射率>0.0001%全同光纤光栅或多波长光纤光栅构成。

所述的信号发生器的两个输出端口分别与第一SOA高速光电开光、第二SOA高速光电开光连接；窄谱调谐光源和信号发生器的控制端口和数据处理计算机之间用导线连接。

本***的工作过程如下：窄带调谐光源输出的连续激光经过调制模块调制后，形成放大的激光脉冲信号，脉冲中心波长功率在0dBm左右，经过环形器耦合进入存在一定间隔距离的布拉格光纤光栅阵列，各个光栅依次产生反射，反射回来的光脉冲信号进入取样模块，取样模块根据设定的相位差，控制第二SOA高速光电开关打开和关断。当SOA打开时，经过的反射光脉冲被允许通过并获得放大；反之，对反射脉冲进行大幅衰减，阻止光信号通过。数据处理计算机根据反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射，确定布拉格反射后再根据脉冲之间的相位差计算光纤光栅的位置；光电探测器对取样信号进行高速光电转换，根据设定的阈值判定各对应光栅是否存在布拉格反射。标记反射光强小于限定阈值的光栅，然后对标记光栅固定查询的相位差，利用窄带调谐光源对标记光栅进行波长扫描，检测对应光栅的波长偏移量，快速解调当前光栅所在点的被测物理量。

光纤光栅位置检测的原理如下：

假定信号发生器2路信号的相位差Φ，此时检测到满足要求的布拉格反射光信号，则对应的反射光栅距离第一SOA高速光开关端口的距离为：

$L=\frac{c*k*\mathrm{\Φ}}{2*n}$

其中k为相位常数，与脉冲的周期相关。

分析相位与时延的映射关系，对现有数字移相技术进行改进，可实现通过调节移相器产生的相位差Φ，来实现脉冲上升沿之间的任意时延，延时长度调节灵活，精度高，可以很好满足高速光电***的要求，摆脱了传统时延思想的束缚，克服了因延时误差大导致***精度低的障碍，真正实现光时域信号的实时采集。

光栅之间的间隔距离由调制脉冲和取样脉冲的宽度共同决定，脉冲的宽度越宽，要求光栅之间的间隔距离越大，假定光传播速度c，光纤纤芯的折射率n=1.5，调制脉冲宽度t1，取样脉冲宽度t2，则实际取样长度：

$L=\frac{(t_1+t_2)*c}{2n}$

例如，采用单激光脉冲照射，调制脉冲宽度20ns，取样脉冲宽度20ns，则实际取样长度为4m，即光栅之间的理论间隔距离需大于4m，否则两个相邻光栅之间的反射光将会出现串扰。由于单脉冲在行进过程中，非相邻光栅之间的反射存在较大的时延，不会在取样期间产生串扰，因此，只要设计的光栅间隔大于实际取样长度，即可完全避免多光栅反射的串扰。由于SOA具有极高的响应速度，能产生10ns以下的光脉冲，光栅之间的理论间隔距离只需大于2m，***便能实现无串扰查询，这与目前OTDR的距离定位能力相当，能满足各种光纤光栅传感***的要求。

在不考虑光栅之间反射串扰的情况下，同一光纤上串联光栅个数由反射率决定。假定i个全同光栅串联，每个光栅的反射率为R(λ)，则.第i个光栅反射的光强为：

I_ri(λ)=(1-R(λ))^2(i-1)R(λ)I₀(λ)

反射率降低，可串联的全同光栅个数将急剧上升。当调制后光脉冲功率在0dBm时，对于弱光栅，当R(λ)=0.1%，光强下降当原来的0.001%时（-50dBm），理论上光栅串联的最大个数为2302个；当R(λ)=0.01%，光强下降当原来的0.001%时（-50dBm），理论上光栅串联的最大个数为11513个；由于背景噪声约在-65dBm以下，在无串扰情况下，检测-60dBm信号的技术也非常成熟，进一步降低光栅的反射率，理论上光栅串联的最大个数将突破数十万个，完全满足物联网对传感容量的需求。

SLED具有良好的宽谱特性，适合于波分复用技术，但输出功率低，目前典型SLED单波长的输出功率小于-35dBm，经过极弱光栅（如0.1%反射率，约-30dBm）反射后，其反射信号的功率低于-65dBm，完全被噪声淹没。LD具有较高的输出功率，能够使极弱光栅产生远高于背景噪声的反射光信号，但谱宽很窄。选用具有波长扫描功能的LD，既克服了极弱光栅反射光强度低的问题，也可以用于检测波长漂移，从而取消传统的波长解调仪，简化***。

光信号在该***中传播时，最大的背景噪声是全同光栅的反射串扰、瑞利散射（散射率约为百万分之一）和SOA的增益噪声。由于第二SOA高速光开关是窄脉冲采样，对经过第一SOA高速光开关后入射的单脉冲信号，采样时间点严格光纤上空间某点的位置，其它点反射的光信号因为空间距离的传输时延，不在采样脉冲范围内，不构成串扰，从而真正实现对光栅之间串扰的完全隔离。瑞利散射是可以在采样点产生干扰，当光栅反射率大于瑞利散射数倍以上时，可以忽略其影响。此外，SOA对信号放大时具备较好的模式竞争特性，这对具有波长选择性反射的光栅非常有利，理论上只要布拉格光栅的反射率高于瑞利散射，第二SOA高速光开关能对布拉格反射信号有效增益，改善信噪比，方便后续的光电探测，故该发明对布拉格光栅的反射率要求不高。本发明可以完全取代传统的光纤光栅传感***，在油罐、输油管道、高压变电站的温度和公路、大桥、大型建筑等的应力、应变情况、健康状况等进行超大容量准分布式测量。

本发明极弱光纤光栅传感***及其查询方法的有益效果如下：

1、采用精确地时分复用技术，选择极弱反射率光纤光栅，只需要光栅反射率高于瑞利散射（约为0.0001%），即可采用传统探测手段检测反射信号。由于光栅反射率极低，可以在一个光纤上刻写数万个乃至数十万个以上的全同光栅，构建超大容量的光纤光栅传感***，满足新兴物联网对容量的需求。

2、通过读取脉冲延时量，经过简单计算即可获取光栅位置，实现对检测光栅和被测物理量的实时定位。采用先固定波长高速查询，再对标记光栅进行波长扫描的特定查询方法，降低扫描光源对查询速度的影响，实现快速查询.

3、时域反射定位技术成熟，光栅之间无相互串扰，高速SOA光电开关性能稳定，***稳定性好；对于因环境温度变化引起的光纤长度变化，导致光栅位置的改变，***能自动检测，不受环境因素的干扰。

4、极弱反射率光纤光栅的刻写可以通过直接刻写普通光纤获得，无需对光纤进行载氢等特殊工艺处理，大大降低了光栅刻写成本。SOA既作为光电开关，又对光信号进行增益，性价比高，***对软件算法要求低，结构简单。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

附图说明

图1为本发明的极弱光纤光栅传感***结构示意图。

图2为基于时分复用的极弱光纤光栅传感***结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种极弱光纤光栅传感***如图1所示，由窄带调谐光源1、调制模块2、环形器3、布拉格光纤光栅阵列4、取样模块5、光电探测器6和数据处理计算机7组成；窄带调谐光源1连接调制模块2，调制模块2输出的光信号通过环形器3耦合进布拉格光纤光栅阵列4；环形器3的另一个端口接取样模块5；取样模块5连接光电探测器6，光电探测器6用导线与数据处理计算机7连接。

其中窄带调谐光源1输出连续激光，光源功率大于0dBm，通过数据处理计算机7控制实现pm级波长扫描。

调制模块由第一SOA高速光电开关8和信号发生器9构成，对光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns。

取样模块由第二SOA高速光电开光10和信号发生器9构成，对反射的光脉冲在时域内进行选择，并对允许通过的光信号进行放大。

布拉格光纤光栅阵列4由多个极弱反射率（>0.0001%）全同光纤光栅或多波长光纤光栅构成。

信号发生器9的两个输出端口分别与第一SOA高速光电开光8、第二SOA高速光电开光10连接；窄谱调谐光源1、信号发生器9的控制端口和数据处理计算机7之间用导线连接。

***的工作过程如下：窄带调谐光源1输出的连续激光经过调制模块2调制后，形成放大的激光脉冲信号，脉冲中心波长功率在0dBm左右，经过环形器3耦合进入存在一定间隔距离的布拉格光纤光栅阵列4，各个光栅依次产生反射，反射回来的光脉冲信号进入取样模块5，取样模块根据设定的相位差，控制第二SOA高速光电开关打开和关断。当SOA打开时，经过的反射光脉冲被允许通过并获得放大；反之，对反射脉冲进行大幅衰减，阻止光信号通过。数据处理计算机7根据反射光信号的强度判定是否存在布拉格反射，确定布拉格反射后再根据脉冲之间的相位差计算光纤光栅的位置；光电探测器6对取样信号进行高速光电转换，根据设定的阈值判定各对应光栅是否存在布拉格反射。标记反射光强小于限定阈值的光栅，然后对标记光栅固定查询的相位差，利用窄带调谐光源1对标记光栅进行波长扫描，检测对应光栅的波长偏移量，快速解调当前光栅所在点的被测物理量。

实施例1

下面对温度进行检测，以N个全同布拉格光纤光栅（假定N=500，布拉格波长1303.3nm，反射率0.01%，光栅相互之间间隔5m）构成的时分复用传感***为例加以详细说明。

本发明中的时分光纤光栅传感监测方法是采用“准分布式的光纤光栅传感”技术来对500个监测点的温度进行长期、稳定的监测。

根据图2中***的结构示意图，其具体实施步骤是：

1、确定温度监测点的位置及分布：根据监测现场的具体情况，确定500个监测点的位置，初步估计温度值及其变化的趋势，推算整个现场温度分布的概况。

2、选用武汉理工大学光纤中心在线刻写的0.01%反射率光纤光栅，光栅间距5m，布拉格中心波长1303.3nm，在选定的监测点进行依次布设。

3、确定调制脉冲和采样脉冲宽度，扫描速度，选择匹配的波长解调仪。同波长光栅间距5m，依据上面的计算公式，调制脉冲20ns，采样脉冲宽度设定为20ns，光栅间隔大于实际采样间隔，可实现无串扰查询；计算出传感光纤长度5*500=2500m，采样脉光冲宽度设定为小于20ns，查询最末端的光栅所需时间是2500*4*2=20000ns，即单个光栅查询时间最大为20us，500个光栅的最大查询时间是10ms。目前窄带调谐激光光源的速度约为100Hz/s，可见查询速度远高于调谐光源的扫描速度，故整个传感***的速度取决于扫描光源的工作速度。选择扫描速度100Hz/s的窄带扫描激光器（1303.3+/-1nm），先采用静态波长1303.3nm扫描500个光栅，发现并标记波长变化光栅的时间约为10ms。

4、确定光纤光栅传感温度的系数K。依据光纤光栅在现场监测点的固定方式（粘贴）、分布方式（外置、内嵌），选定系数K值，并在***中进行设置，以保证在数据处理中换算出各点温度值的大小。

5、现场整体状态的确定：***初始化率定，上电后由计算机控制信号源按相位差间隔0.1°进行扫描，查询“学习”500个光栅对应的相位值并保存；查询***默认扫描激光器的工作波长是1303.3nm，具体工作时：先依据“学习”获取的相位信息，采用静态波长1303.3nm对所有光栅定期扫描，并采样检测反射光强信号，对反射光强小于阈值的光栅进行标记。然后固定已标记光栅的检测相位，在1302.3nm~1304.3nm范围内进行波长扫描，解调波长偏移量的大小，从而监测点温度变化的大小，数据处理***进行程序的运算，确定现场整体分布的状态，并对极限状态产生报警信号和自动调整控制信号。

Claims (4)

1.一种极弱光纤光栅传感***，其特征在于：所述的传感***由窄带调谐光源（1）、调制模块（2）、环形器（3）、布拉格光纤光栅阵列（4）、取样模块（5）、光电探测器（6）和数据处理计算机（7）组成；窄带调谐光源（1）连接调制模块（2），调制模块（2）输出的光信号通过环形器（3）耦合进布拉格光纤光栅阵列(4)；环形器（3）的另一个端口接取样模块(5)；取样模块（5）连接光电探测器（6），光电探测器（6）用导线与数据处理计算机（7）连接；

其中，窄带调谐光源（1）输出连续激光，光源功率大于0dBm，通过数据处理计算机（7）控制实现pm级波长扫描；

调制模块由第一SOA高速光电开关（8）和信号发生器（9）构成，对光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns；

取样模块由第二SOA高速光电开光（10）和信号发生器（9）构成，对反射的光脉冲在时域内进行选择，并对允许通过的光信号进行放大，取样脉冲宽度小于20ns；

布拉格光纤光栅阵列(4)由多个极弱反射率>0.0001%的全同光纤光栅构成，在常规光纤上直接刻写制作；

信号发生器（9）的两个输出端口分别与第一SOA高速光电开光（8）、第二SOA高速光电开光（10）连接；窄谱调谐光源（1）及信号发生器（9）的控制端口和数据处理计算机（7）之间用导线连接。

2.如权利要求1所述的极弱光纤光栅传感***的查询方法，其特征在于：信号发生器（9）产生两路耦合的脉冲信号，第一路输出给第一SOA高速光电开关（8），第二路输出给第二SOA高速光电开关（10），通过调节第二路脉冲信号对第一路脉冲信号的相位差，取样模块在ns级时间段内采集光纤上不同位置的光强反射信号，隔离其它光栅反射信号的串扰。

3.根据权利要求2所述的极弱光纤光栅传感***的查询方法，其特征在于：通过调节窄带调谐光源（1）的输出功率，或第一SOA高速光电开关（8）的开关增益，或第二SOA高速光电开关（10）的开关增益，减小对极弱光纤光栅反射率的要求，增加光纤光栅阵列的个数，扩大传感***的容量。

4.根据权利要求2所述的极弱光纤光栅传感***的查询方法，其特征在于：在传感***率定时，数据处理计算机（7）控制信号发生器（9）对相位差以0.1度的间隔进行扫描，根据反射光信号的强度判定是否为布拉格反射，判定后再根据两路脉冲之间的相位差值计算光栅的位置并保存各个光栅的信息；当***处于工作状态时，根据已获得的光纤光栅对应的相位信息，采用光栅的静态波长直接扫描相位查询所有的全同光栅，快速探测每个光栅的反射信号，并标记反射光强小于限定阈值的光栅；然后对标记光栅固定查询的相位差，利用窄带调谐光源（1）对标记光栅进行波长扫描，检测对应光栅的波长偏移量，快速解调当前光栅所在点的被测物理量。