一種極弱光纖光柵傳感系統及其查詢方法技術方案

一種極弱光纖光柵傳感系統及其查詢方法。該系統主要由窄帶可調諧激光器、調制模塊、環形器、布拉格光纖光柵陣列、取樣模塊、光電探測器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。布拉格光纖光柵陣列由極弱反射率的全同光纖光柵構成。采用掃描激光器作為光源，結合精確的時分技術隔離多光柵之間的串擾，實現對極弱反射率光纖光柵的有效查詢。本發明專利技術的傳感系統具有容量大、響應速度快、靈活性高、成本低的特點，一根光纖上串接極弱反射率光柵的數量可以達到數萬個以上，具有廣闊的應用價值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于傳感
，具體涉及。
技術介紹
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。隨著光柵刻寫技術的快速發展，通過在光纖拉絲過程中刻寫光柵，克服了傳統工藝中在一根光纖上逐一熔接多個光柵的復雜操作，避免了熔接損耗對光柵數量的限制，實現了在一根光纖上刻寫任意數量的光柵，為超大容量光纖光柵傳感監測提供了物質基礎。普通光柵反射率較高,光功率在傳輸過程中受多個光柵反射后衰減快,一根光纖上串聯的光柵個數一般不能超過數十個。為了增加串聯光柵的數量，諸如波分復用、頻分·復用、碼分復用等技術被引入，系統復雜且成本代價高，但擴容的效果并不理想，應用十分有限。近年來，隨著光柵在線刻寫技術被提出，通過降低光柵反射率來增加光柵數量的方法受到人們的青睞，使弱光柵查詢技術成為研究的熱點。采用反射率低的弱光柵(如O. 1%反射率)，理論上一根光纖上基于時分復用技術可以串聯數百個光柵；進一步降低光柵的反射率，采用極弱光柵(如反射率O. 01%)構建傳感系統，其容量將獲得大幅提升。極弱光柵傳感系統不僅能實現一根光纖上復用數千乃至數萬個光柵，而且能通過在普通光纖上刻寫獲得，極大的簡化光柵刻寫工藝。然而極弱光柵對查詢光源的功率有較高的要求，目前典型SLED在某個波長點的輸出功率小于_35dBm，經過弱光柵(如O. 1%的反射率光柵)反射后，其反射信號的功率低于_65dBm,和光纖中瑞利散射的背景噪聲相當，再考慮傳輸過程中的損耗，信號將完全被噪聲淹沒。此外，數百個弱光柵串聯，采用連續光照射或周期性脈沖串照射，多光柵反射產生的相互串擾和“陰影效應”也非常嚴重，這將極大的劣化了信噪比，限制了系統的容量。如何避免全同光柵反射信號之間的串擾是弱光柵串聯查詢的一大技術難題。采用傳統時域檢測技術無法完全避免多光柵反射(專利號201010590361. 8 “基于非等間隔弱布拉格反射光纖光柵陣列的傳感復用系統”；專利號201110373500. 6 “采用弱反射FBG的分布式傳感網絡及其各FBG的精確定位方法”)的串擾，信號處理設備復雜，光柵的最低反射率和最大復用數量受到嚴重限制；光柵反射率較高時，全同的多光柵串聯，前段光柵的反射會較快的降低布拉格波長對應的光功率，使后續光柵反射的峰值功率明顯降低，反射脈沖出現“平頂”現象，即所謂“陰影效應”，這將造成判決困難，限制最大復用的光柵數量。此外，全同的多光柵串聯查詢要求精確的時分復用，對反射脈沖的實時檢測速度達到ns級，現有高速信號處理電路或模擬電子開關電路自身時延明顯，無法精確檢測并處理反射的脈沖信號，公開的相關技術(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”;專利號200610009939. X “基于CPLD的時分復用光纖光柵傳感測試系統”)需保持光柵之間的間隔距離在數十米，存在明顯的缺陷，也沒有隔離脈沖之間的串擾，系統復雜且性能差，造價昂貴，未見相關應用的報道。如何進一步降低光柵的反射率來提升系統容量，克服多光柵之間串擾和“陰影效應”的影響，成為下一代光纖光柵傳感網絡技術需要解決的首要問題。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是針對上述光纖光柵傳感技術的局限性，提出。本系統具備系統容量大、響應速度快、靈活性高、成本低等特點。本專利技術解決上述技術問題所采用的方案如下—種極弱光纖光柵傳感系統，由窄帶調諧光源、調制模塊、環形器、布拉格光纖光柵陣列、取樣模塊、光電探測器和數據處理計算機組成；所述的窄帶調諧光源連接調制模塊，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；取樣模塊連接光電探測器，光電探測器用導線與數據處理計算機連接。所述的窄帶調諧光源輸出連續激光，光源功率大于OdBm，通過數據處理計算機控 制實現Pm級波長掃描。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,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。所述的布拉格光纖光柵陣列由多個極弱反射率>0. 0001%全同光纖光柵或多波長光纖光柵構成。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；窄譜調諧光源和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。本系統的工作過程如下窄帶調諧光源輸出的連續激光經過調制模塊調制后，形成放大的激光脈沖信號，脈沖中心波長功率在OdBm左右，經過環形器耦合進入存在一定間隔距離的布拉格光纖光柵陣列，各個光柵依次產生反射，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，控制第二 SOA高速光電開關打開和關斷。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，對反射脈沖進行大幅衰減，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；光電探測器對取樣信號進行高速光電轉換，根據設定的閾值判定各對應光柵是否存在布拉格反射。標記反射光強小于限定閾值的光柵，然后對標記光柵固定查詢的相位差，利用窄帶調諧光源對標記光柵進行波長掃描，檢測對應光柵的波長偏移量，快速解調當前光柵所在點的被測物理量。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「 n r cH~ 2 ^ η其中k為相位常數，與脈沖的周期相關。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。光柵之間的間隔距離由調制脈沖和取樣脈沖的寬度共同決定，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，則實際取樣長度L=U2、L In例如，采用單激光脈沖照射，調制脈沖寬度20ns，取樣脈沖寬度20ns，則實際取樣長度為4m，即光柵之間的理論間隔距離需大于4m，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。當調制后光脈沖功率在OdBm時，對于弱本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種極弱光纖光柵傳感系統，其特征在于：所述的傳感系統由窄帶調諧光源（1）、調制模塊（2）、環形器（3）、布拉格光纖光柵陣列（4）、取樣模塊（5）、光電探測器（6）和數據處理計算機（7）組成；窄帶調諧光源（1）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）連接光電探測器（6），光電探測器（6）用導線與數據處理計算機（7）連接；其中，窄帶調諧光源（1）輸出連續激光，光源功率大于0dBm，通過數據處理計算機（7）控制實現pm級波長掃描；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，取樣脈沖寬度小于20ns；布拉格光纖光柵陣列(4)由多個極弱反射率>0.0001%的全同光纖光柵構成，在常規光纖上直接刻寫制作。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：文泓橋，羅志會，姜德生，郭會勇，黎威，
申請(專利權)人：武漢理工大學，
類型：發明
國別省市：