基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统

摘要

本发明公开了一种基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统，该系统包括依次相连的可调谐激光器（T）、调制器（E）、光隔离器（I）、光环形器（C）和波长解调装置（D），光环形器（C）还接至带有多个光纤布拉格光栅的传感光纤。本发明能避免光纤光栅之间多次反射引起的干涉效应，可以大大提高系统的复用容量，实现了长距离高密度大容量的分布式检测。

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其是指一种基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用方法。

背景技术

FBG（光纤布拉格光栅）传感表现为中心波长编码，通过对FBG中心波长移动的监测即可测量外界参量的变化，探测信号不受光源功率波动的影响。但基于FBG的分布式传感面临的一大难题是系统复用容量受到光源和滤波器带宽的限制。

目前已见有多种复用方法的报道，如空分复用、时分复用、波分复用、副载波复用、频率调制连续波复用等以及这些复用方法的组合，这些方法各有特点，但都不能很好解决复用度、成本、实用化等因素，对于长距离高密度的分布式检测是远远不够的。

曾有均匀间隔的全同低反射率光纤光栅单纤复用方法的报道，该方法需要考虑多次反射引起的干涉效应，导致由光纤光栅间的多次反射限制的光栅复用数与全同光栅的反射率的平方根成反比。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的分布式光纤传感技术存在的问题，提供一种基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统，其大大提高传感系统的复用容量，使其在温度、应力和振动等参量的长距离密集传感中获得广泛应用。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统，包括依次相连的可调谐激光器、调制器、光隔离器、光环形器和波长解调装置，光环形器还接至带有多个光纤布拉格光栅的传感光纤。

所述各个光纤布拉格光栅之间的间隔两两不相等。

所有的光纤布拉格光栅采用全同的的弱布拉格反射光纤光栅。

所述光纤布拉格光栅的最大数目j满足下式：

，

其中t为光纤布拉格光栅的透射率，r为光纤布拉格光栅的反射率。

本发明与现有技术相比，主要具有以下优点：

其一，本发明采用弱布拉格反射光纤光栅作为传感单元，反射率比后向散射技术要高出数个数量级,探测更为容易且测量精度更高，反射率可根据应用要求灵活设计。

其二，本发明采用弱布拉格反射光纤光栅作为传感单元，各个位置的后向反射率极低，可以满足长距离检测而不会遗漏任何位置的测量信息。因此，传感距离和检测密集度将得到质的提高。

其三，本发明采用光时域反射技术（OTDR），同时实现探测与定位，无需波长解调，实时性高，成本低。

其四，理论分析表面，光纤光栅直接的多次反射是限制系统复用容量的主要因素，本发明采用非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列结构，通过这种非等间隔的复用方法，避免了多次反射回来的干涉效应，大大提高了传感系统中光纤光栅的复用度。

本发明能够突破现行光纤传感技术的困境，大幅度提高传感系统容量以及传感距离，可广泛应用于桥梁安全控制、输变电线路监控、区域周界安全警戒、核电站安全监测和海底监视等监控领域。

附图说明

图1是基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用方法示意图：其中，I为隔离器；C为光环形器；F₁，F₂，F₃，……F_j为光纤布拉格光栅，相邻FBG之间的间隔L₁≠L₂≠…≠L_（j-1）。

图2是基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统的系统复用数与全同光纤光栅的反射率的分析结果图：其中，横坐标为全同光纤光栅的反射率（Reflective（0.01%—1%）），纵坐标为系统的复用度（Total FBG number），入射功率-10dB，光电探测器极限为-70dB。

图3是等间隔和非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统的系统复用数的对比图，其中，横坐标为全同光纤光栅的反射率（Reflective（0.01%—1%）），纵坐标为系统的复用度（Total FBG number），入射功率-10dB，光电探测器极限为-70dB。

图4是基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统的构成示意图：其中， T为可调谐激光器， E为调制器，I为隔离器（图4中无I）； C为光环形器， D为波长解调装置， F₁，F₂，F₃，…F_j为光纤布拉格光栅， 相邻FBG之间的间隔L₁≠L₂≠…≠L_（j-1）。

图5：光纤光栅自身反射和光纤光栅之间的一级多反射示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用方法，光纤光栅之间间隔不均匀，可以有效避免多次反射引起的干涉效应，由光纤光栅间的多次反射限制的光栅复用数与全同光栅的反射率成反比。

本发明提出的基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用方法相对于均匀间隔的全同低反射率光纤光栅单纤复用方法大大提高了系统的复用容量，可以更有效的实现长距离高密度大容量的分布式检测。

本发明使用的光纤光栅阵列的特征是：全同的光纤光栅，使用的光纤光栅具有相同的中心波长、反射率和反射谱，所述结构对中心波长表现出弱反射特性。

本发明中光纤光栅阵列中的光纤光栅之间间隔不均匀，避免多次反射引起的干涉效应，可以大大提高系统复用容量。

本发明提供一种分布式光纤传感定位方法，实际应用中要考虑光纤损耗、瑞利散射，光纤光栅之间多次反射以及光电探测器的探测极限等因素。在基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统中，光纤光栅之间的多次反射限制的光纤光栅复用数目与全同光纤光栅反射率成反比。

本发明采用光时域反射技术（OTDR），实现非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列结构中的光纤光栅定位。

本发明提供一种传感复用方法，其特征是基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用方法，通过采用波长可调谐的单脉冲注入基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统，如图1所示，波长可调的单脉冲经过光隔离器和光环形器入射到非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列，光纤光栅产生的后向散射脉冲光通过光环形器进入波长解调装置，如果某一个光纤光栅的中心波长因为外界参量作用影响发生漂移，导致其与入射激光波长不一致，则输入光脉冲在此光纤光栅位置的后向散射会减小，对应时域上的反射信号会变弱。通过检测时域上的反射信号强弱，确定光纤光栅中心波长的位置，通过检测脉冲返回的时间先后，对各个光纤光栅实现精确定位。

下面进一步详述本发明。

首先考虑瑞利散射的影响，为区分反射信号光与瑞利散射光，应该使光纤光栅反射的光功率大于相应激励光脉冲产生的后向瑞利散射光的功率。考虑最后一个光栅（最差情况），应该使：

其中，P_FBG（j）表示FBG（j）的反射功率，P_rayleigh表示相应激励光脉冲产生的后向瑞利散射光的功率。

但是实际应用中，为了保证能准确的提取信号光，可以设定：

由以上关系可推导得出，由瑞利散射因素限制的光纤光栅复用数目为：

                          （1）

其中，r为光纤光栅反射率，t为光纤光栅的透射率，ΔL为激励光脉冲在光纤中的长度，表示瑞利散射系数，S表示背向散射功率与瑞利散射总功率之比。

其次，考虑光纤光栅之间的多次反射，由于采用的FBG反射率较低，各级多反射光的强度相差较大，比如1%的反射率，各级多反射光的强度相差10⁴量级，因此只考虑一级多反射情况的影响。

由于本发明中光纤光栅采用非等间隔分布，与最后一个光纤光栅反射光同时到达（光程差在±ΔL范围内认为同时到达，对FBG（j）的反射功率有影响）光电探测器的一级多反射路径数满足：

,而    （j≥3）

N为光纤光栅等间隔分布时与最后一个光纤光栅反射光同时到达光电探测器的一级多反射路径数。因此：

   （j≥3）                 （2）

使用可调谐激光器作为光源，最后达到光电探测器的光谱很窄，但由于本发明中光纤光栅采用非等间隔分布，可以有效防止多次反射在光纤光栅等间隔情况下产生的干涉效应。

为了保证能准确的提取信号光，可以设定信号光强是一级多反射光强的10倍。考虑最坏的情况下：

①与FBG(j)同时到达的一次多反射路径数N’=N

②光纤损耗按照与FBG(j)自身反射同时达到距离计算）：

按照限定条件，经过推导，可以得到光纤光栅非等间隔分布时，所能取得的最大复用数要满足：

                                （3）

由上式可以得出以下结论：

光纤光栅非等间隔分布时，由光纤光栅间多次反射限制的光纤光栅复用数与全同光纤光栅的反射率成反比。

由于基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用方法的复用数很大，因此光纤的损耗需要考虑，同时，由于光电探测器存在探测极限，所以在考虑一级多反射的前提下，要满足：

,为光电探测器的探测极限

图4是本发明提供的基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统的构成示意图。可调谐激光器T作为系统光源，产生波长可调谐的单脉冲，经过由脉冲函数发生器驱动的电光调制器E变成调制信号，再经过光隔离器I和光环形器C入射到非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列，光纤光栅产生的后向散射脉冲光通过光环形器C进入波长解调装置D，通过检测时域上的反射信号强弱，确定光纤光栅中心波长的位置，通过检测脉冲返回的时间先后，对各个光纤光栅实现精确定位。

假设该系统采用反射率r=1%的光纤光栅，激励光脉冲宽度为ΔL=20m，光源相干长度为15cm，光纤光栅之间的间距依次递增呈等差数列，第j-1和第j个光纤光栅间距为20m+7.5（j-1）cm,入射功率为-10dB，光电探测器极限-70dB，应综合考虑光纤损耗、瑞利散射，光纤光栅之间多次反射以及光电探测器的探测极限等因素的影响。

由（1）式可知，由瑞利散射因素限制的光纤光栅复用数可以达到三百多个，因此瑞利散射对复用数目的影响很小。

当反射率为1%时，瑞利散射系数以10^-7/m计算，由公式（3）可得，多次反射限制的光纤光栅复用数为46个。

在实际应用中应综合考虑光纤损耗、瑞利散射，光纤光栅之间多次反射以及光电探测器的探测极限等因素的影响，在最大程度上优化系统的结果，充分发挥基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用方法的优势。

（下述补充文字是为了确保专利的充分公开）

本发明的弱布拉格反射光纤光栅是基于涂覆层对355nm波长紫外光透明的载体光纤设计，其上间隔一定延迟光纤、连续分布着一系列物理结构和光学特性完全相同的弱布拉格反射周期结构。

根据耦合波理论和传输矩阵分析方法，光纤布拉格光栅的中心波长反射率和带宽由折射率调制强度和光栅长度决定，即

                               （4）

                        （5）

其中，为耦合系数，为栅区长度，为光纤光栅中纤芯的折射率调制幅度，为光栅的周期，为光纤中传播模式的有效折射率，为Bragg（布拉格）中心波长。

根据公式（4）、（5），可以通过改变折射率调制强度和调制区长度设计不同中心波长和反射率的弱布拉格反射周期结构。采用弱光敏性光纤和长相位模板制作特定反射率、带宽的布拉格反射周期结构是完全可行的。通过理论分析计算可以得到紫外光照的强度和扫描刻写的长度，并制作出反射率弱于1%的弱布拉格反射周期结构。