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

摘要

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，该传感网络包括弱反射FBG阵列和定位系统，弱反射FBG阵列由串联在光路中的N组弱反射FBG组成，每个弱反射FBG组中包括M个依次顺序设置的弱反射FBG，且每个FBG组中的各弱反射FBG的中心波长均不相同，定位系统包括设置在弱反射FBG阵列始端的可调谐激光光源、探测器和计算单元，以及设置在末端的全反射面，传感网络中设有参考反射点，可调谐激光光源依次发送相应波长的光脉冲，通过探测器获得参考反射点以及第i个反射波长为λm的弱反射FBG的直接反射时间和间接反射时间tn、t′n、tmi、t′mi，根据得到任意弱反射FBG与参考反射点之间的距离。本发明能提高分布式光纤传感网络中的空间分辨率，增加传感器布放的数量和距离。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及采用弱反射FBG的分布式传 感网络及其各FBG的精确定位方法。

背景技术

FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)是目前分布式光 纤传感网络中最主要的传感器件。由于FBG具有反射波长随温度、拉 力等外界因素呈线性变化的特性，因此，监测FBG反射波长的偏移即 可测量获得外界参数的变化，并且其探测能力不受光源功率波动、光 纤弯曲损耗以及探测器老化等因素的影响，且具有自校准特性，所以， 非常适合长期的安全监测。

传感器定位寻址及波长解调是基于FBG的分布式光纤传感网络 的难点。目前通常有两种方式对FBG进行定位寻址：第一种是波分方 式，分别对不同位置处布放的FBG具有不重叠的反射波长窗口，根据 反射波长所处的波长窗口即可确定发生反射的FBG；第二种是时分方 式，适用于布放的FBG的波长窗口可能存在重叠的情况，当一个单波 长光脉冲在多个弱反射FBG处先后发生反射，通过反射波长先确定 FBG的波长窗口，同时通过返回光脉冲的时间间隔确定各FBG的布放 距离，从而唯一地定位该FBG。

目前已实用化的分布式光纤光栅传感网络多采用波分寻址方式， 但这种方法探测光的前向传输损耗大，单根光纤上可复用的FBG个数 也受限。为提高测量点布放的密度，实现大容量长距离的分布式传感 网络，采用时分寻址方式结合弱反射FBG是一条有效途径。弱反射 FBG具有窄带宽、弱反射的周期结构，仅对中心波长附近极小的范围 有很低的反射率。当信号光入射光纤纤芯，仅较微弱的一部分光被中 心波长与信号光波长一致的FBG反射，剩下的大部分光继续向前传 输。

典型的基于时分波分混合寻址方式的FBG分布式传感网络如图1 所示。其中发射端为波长可调光源，波长可调光源发送波长和开关的 时间可调谐，可发出矩形光脉冲。光环形器将探测光送入FBG阵列， 并将反射光送入探测器。FBG阵列是由不同波长窗口的多个弱反射 FBG按波长不同串连起来构成，相同反射窗口的弱反射FBG间隔一定 距离后重复布放。光探测器则处理返回的光脉冲序列，确定弱反射 FBG的反射波长和反射位置。

但上述基于波分时分混合方式寻址的方案存在一定局限：分布式 传感网络的空间分辨率有限，存在测量盲区，使用弱反射FBG时会因 多次反射带来串扰。为克服上述问题，提高系统的容量的同时改善系 统性能，必须对现有的分布式传感网络和信号处理方式进行改进。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种采用 弱反射FBG的分布式传感网络及其FBG的精确定位方法，在弱反射 FBG阵列的末端设置全反射面，在弱反射FBG阵列的始端通过分析时 域反射信息，获得每一个弱反射FBG的精确位置，从而提高了分布式 光纤传感网络的空间分辨率，没有测量盲区，避免多次反射带来串扰。

为达到以上目的，本发明提供了一种采用弱反射FBG的分布式传 感网络，包括弱反射FBG阵列和定位系统，所述弱反射FBG阵列由串 联在光路中的N组弱反射FBG组成，每个所述FBG组中包括M个依次 顺序设置的弱反射FBG，且每个FBG组中的M个所述弱反射FBG的中 心反射波长均不相同，N≥2，M≥2，所述定位系统包括设置在弱反射 FBG阵列始端的可调谐激光光源、探测器和计算单元，以及设置在弱 反射FBG阵列末端的全反射面，所述光路上设有参考反射点，所述可 调谐激光光源依次发射与所述参考反射点及待扫描弱反射FBG中心 波长相同的光脉冲，所述探测器探测所述参考反射点的直接反射时间 t_n和间接反射时间t′_n，以及每个所述弱反射FBG的直接反射时间t_mi和 间接反射时间t′_mi，所述间接反射时间为相应波长的光脉冲透过所述参 考反射点或相应的所述弱反射FBG并经全反射面、参考反射点或弱反 射FBG、全反射面再次反射回探测器的时间；所述计算单元根据计算 公式得到第i个反射波长为λ_m的弱反射FBG 与参考反射点之间的距离d_mi-d_n，i＝1、……、N；式中，d_mi为第i 个反射波长为λ_m的弱反射FBG到所述弱反射FBG阵列始端的距离，d_n为所述参考反射点到所述弱反射FBG阵列始端的距离，c为光速。

上述分布式传感网络中，所述参考反射点为所述弱反射FBG阵列 中的任意一个弱反射FBG或光路上的光纤接续点。

上述分布式传感网络中，所述探测器根据某一波长的光脉冲被N 个FBG组中相应弱反射FBG反射的强度以及先后到达时间，获得N个 FBG组中各相应弱反射FBG的直接反射时间和间接反射时间。

本发明还提供了一种采用弱反射FBG的分布式传感网络中各弱 反射FBG的精确定位方法，包括以下步骤：

A10、在弱反射FBG阵列的末端设置全反射面，并选取参考反射 点；

A20、在所述弱反射FBG阵列的始端依次发射波长等于参考反射 点以及每组所述FBG组中各弱反射FBG中心波长λ_m的光脉冲，并记录 所述参考反射点的直接反射时间t_n和间接反射时间t′_n，以及第i个反 射波长为λ_m的相应所述弱反射FBG的直接反射时间t_mi和间接反射时 间t′_mi，i＝1、……、N，所述间接反射时间为相应波长的光脉冲透过所 述参考反射点或所述FBG并经全反射面、参考反射点或弱反射FBG、 全反射面再次反射回探测器的时间；

A30、利用公式得到第i个反射波长为 λ_m的相应弱反射FBG与参考反射点之间的距离d_mi-d_n；式中，d_mi为 第i个反射波长为λ_m的弱反射FBG到所述弱反射FBG阵列始端的距 离，d_n为所述参考反射点到所述弱反射FBG阵列始端的距离，c为光 速。

在上述方法中，所述参考反射点为所述弱反射FBG阵列中的任意 一个弱反射FBG或光路上的光纤接续点。

在上述方法中在步骤A20中，利用探测器根据波长为λ_m的光脉冲 被所述弱反射FBG组中相应弱反射FBG反射的强度以及先后到达时 间，获得中心反射波长为λ_m的各弱反射FBG的直接反射时间和间接反 射时间。

本发明能大幅增加传感器布放的数量和距离。从理论上测算，中 心反射波长一致，反射率为1％的弱反射FBG能串联210次后仍强度 大于瑞利散射，仍能检测和区分出在不同弱反射FBG处的反射，具体 优点如下：

(1)将各弱反射FBG之间的距离与反射脉冲时间差的关系放大 了4倍，精度更高。由于只测量弱反射FBG的相对距离，适合在近距 离内识别和分辨不同的反射信息。

(2)根据公式计算出各弱反射FBG之 间的相对距离，从原理上完全消除了因为光路不等长或处理器延时等 原因带来的测量误差。因此光路上可以将可调谐激光光源与探测器分 离，将可调谐激光光源复用于多路测量，也可忽略电路上固定的处理 延时。

(3)由于被全反射回的光脉冲集中了主要的光功率，监测的反 射功率会对应一个特别突出的尖峰，光脉冲从发射到被探测经历时间 t_D，t_D时刻的反射脉冲可作为参考标记，任意一个弱反射FBG的两个 反射信号t_mi和t′_mi总满足t′_mi-t_D＝t_D-t_mi，以此可作为识别反射信号的可 靠依据，各接续点在不同探测波长下都有相对位置固定的反射，因此 也可用作参考。

(4)相对于采用OTDR(Optical Time Domain Reflectometer， 光时域反射仪)的测距方式，无测量盲区。

附图说明

图1为背景技术中基于时分波分混合寻址方式的FBG分布式传感 网络系统原理图；

图2本发明提供的采用弱反射FBG的分布式传感网络的一种实施 例示意图；

图3为本发明提供的分布式传感网络中各弱反射FBG的精确定位 方法中各反射点的反射光强度随时间的分布图；

图4为本发明提供的分布式传感网络中弱反射FBG的精确定位方 法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2和图3所示，采用弱反射FBG的分布式传感网络包括弱反 射FBG阵列和定位系统，FBG阵列由串联在光路中的N组弱反射FBG 组成(N≥2)，每组弱反射FBG组均包括M个依次顺序布置的弱反射 FBG(M≥2)，且M个弱反射FBG的中心波长λ_m均不相同(m＝1、……、 M)。

定位系统包括设置在FBG阵列始端的可调谐激光光源、探测器和 计算单元，以及设置在FBG阵列末端的全反射面。

分布式传感网络的光路中设有参考反射点，参考反射点可以选择 FBG阵列中的任一个弱反射FBG，由于光纤线路上的任一个接续点在 不同波长下都有相对位置固定的反射，因此，参考反射点也可以选择 光纤线路上的任一个接续点。

可调谐激光光源依次向弱反射FBG阵列发射与参考反射点及每 个FBG组中各弱反射FBG中心波长λ_m波长相同的光脉冲，波长λ_m决 定了每个FBG组只在中心反射波长为λ_m的单个弱反射FBG处发生反 射，这样N个FBG组就共有N个弱反射FBG发生反射。再参见图2， 这N个弱反射FBG由于到发射端的距离不同，因此，反射光脉冲的到 达时间也有先后，这样，探测器接收到反射光脉冲时，可以根据到达 时间和光强度区分识别出参考反射点的直接反射时间t_n和间接反射 时间t′_n，以及第i个反射波长为λ_m的相应弱反射FBG的直接反射时间 t_mi以及间接反射时间t′_mi，i＝1、……、M。直接反射时间t_n或t_mi是指 由可调谐激光光源发出的光脉冲由参考反射点或弱反射FBG直接反 射回探测器所经历的时间，间接反射时间t′_n或t′_mi是指由可调谐激光光 源发出的光脉冲透过相应的参考反射点或弱反射FBG并依次经全反 射面、参考反射点或弱反射FBG、全反射面再次反射回探测器的时间。

计算单元根据公式得到任意一个弱反 射FBG与参考反射点之间的距离d_mi-d_n；式中，d_mi为第i个反射波 长为λ_m的相应弱反射FBG到弱反射FBG阵列始端的距离，d_n为参考反 射点到弱反射FBG阵列始端的距离，c为光速。

通过改变可调谐激光光源发射光脉冲的λ_m，就可以获得FBG阵列 中每一个弱反射FBG的精确位置。

如图4所示，本发明提供的分布式传感网络中各弱反射FBG的精 确定位方法包括以下步骤：

A10、在弱反射FBG阵列的末端设置全反射面，并在FBG阵列中 选取参考反射点，参考反射点可以为FBG阵列中的任一个弱反射FBG， 也可以为光纤线路上的任一个接续点。

A20、在弱反射FBG阵列的始端发射波长为λ_m的探测光脉冲，λ_m与参考反射点及每个FBG组中的各弱反射FBG的中心波长相同，通过 探测器探测并记录该反射光脉冲的强度以及反射时间；

通过反射光脉冲的强度以及先后到达的时间，识别出参考反射点 的直接反射时间t_n和间接反射时间t′_n，以及第i个反射波长为λ_m的相 应弱反射FBG的直接反射时间t_mi和间接反射时间t′_mi。由于被全反射回 的光脉冲集中了主要的光功率，监测的反射功率会对应一个特别突出 的尖峰，光脉冲从发射到被探测经历时间t_D，t_D时刻的反射脉冲可作 为参考标记，第i个反射波长为λ_m的相应弱反射FBG的两个反射信号 t_mi和t′_mi总满足t′_mi-t_D＝t_D-t_mi，以此可作为识别反射信号的可靠依据。 根据反射光脉冲的到达的时间以及反射光脉冲的强度，识别出各反射 点的直接反射光脉冲及到达时间，以及经过可调谐激光光源-全反射 面-弱反射FBG-全反射面-探测器的反射光脉冲及其到达时间。

A30、利用计算得到任意弱反射FBG之 间的距离d_mi-d_n。

上述计算公式的计算原理如下：

当可调谐激光光源工作在单一波长下时，由于各弱反射FBG的中 心反射波长不同，只在中心反射波长等于入射波长的弱反射FBG处发 生部分反射，而其余不同发射波长的弱反射FBG处均透射，所以此时 可忽略其他不发生反射的弱反射FBG。假设入射光和反射波长都为 λ_m，光入射点到末端全反射面的距离为D，光入射点到第n个弱反射 FBG的距离为d_n(参见图3)。探测器接收反射光脉冲后转换成探测 电流，可粗略认为探测电流的大小正比于反射光强度的大小，而光电 流产生的先后时间对应于光脉冲到达的时间。忽略被弱反射FBG反射 两次及以上的情形，有两类能量集中的光脉冲：从入射到被弱反射 FBG直接反射回光探测器，其间耗时为t_n；经过可调谐激光光源-全 反射面-弱反射FBG-全反射面-探测器路线的反射脉冲，其间耗时 为t′_n。假设光脉冲从返回入射点到被接收机探测经历的线路延时为t_x， 定义光速为c，则有：

$t_n=\frac{2*d_n}{c}+t_x,$

$t_n^{\prime }=\frac{4*D-2*d_n}{c}+t_x,$

$t_n^{\prime }-t_n=\frac{4*D-4*d_n}{c}.$

同理，对于第m个弱反射FBG有：

$t_m^{\prime }-t_m=\frac{4*D-4*d_m}{c},$

$(t_n^{\prime }-t_n)-(t_m^{\prime }-t_m)=\frac{4*(d_m-d_n)}{c},$

则任意弱反射FBG之间的距离：

$d_m-d_n=\frac{c*(t_n^{\prime }+t_m-t_n-t_m^{\prime })}{4}.$

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细 描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。