总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络构建方法和系统

摘要

一种总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络构建方法和系统。该总线拓扑结构的传感网络是三端子光纤环形器、四端子光纤环形器和两个反射谱互补的啁啾光纤光栅组成的网络节点上下载波分复用器，将基于频域反射技术的光纤光栅分布式传感网络分支与网络主干线连接起来，构成总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络。该网络容量大、空间分辨率高，测量距离提高数十倍；该网络没有使用光纤分路器，插入损耗低，信号传输主干线可以使用铠装光缆，传感测量的支路可以使用柔性光纤或光缆连接，保证了光纤光栅传感器安装的灵活性和便利性，分支光纤光栅传感器的损坏，不会影响其它分支传感器信号的正常传输，网络传感器存活率和网络运行可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感网络，特别是涉及一种大容量、高灵活度、远距离密集 测量的光纤光栅传感网络的构建方法和系统，属于光纤光栅传感技术领域。

技术背景

光纤光栅传感的技术优势之一就是采用波分复用(美国专利4806012)、时分复用 (美国专利4996419，6212306B1，6571027B2)和频域反射(美国专利5798521，6566648 B1)技术将多个光纤光栅串接起来组成光纤光栅传感网络，在大型工程和重大装备的 安全监测系统中具有广泛的应用前景。在波分复用的光纤光栅传感网络系统中，光纤 光栅传感器的定位采用波长编码，而光纤光栅传感器的测量量也是使用波长信号，传 感器的测量范围占用一定的波长带宽，在光源总带宽资源有限的情况下，网络容量受 到很大限制。在采用时分复用的光纤光栅传感网络系统中，虽然网络容量得到很大提 高，但是，传感测量的空间分辨率有限(参见文献[1])。采用频域反射技术的光纤光 栅传感网络可以解决网络容量和空间分辨率问题(参见文献[2]和文献[3])，但是，因 为频域反射技术是一种相干检测技术，由于受到光源相干性的限制，所以网络的测量 距离非常有限。

在这些采用“波分复用”、“时分复用”、“频域反射”光纤光栅传感网络系统中， 不仅存在网络容量有限、空间分辨率低、测量距离近等这样或那样的缺点和不足，而 且由于这些传感网络的构建都是采用光纤光栅传感器的直接串联方式，当其中一个光 纤光栅传感器发生故障或损坏时，后面的光纤光栅传感器的所有信号都会中断，所以 传感网络存在严峻的可靠性问题。中国专利201010250519.7给出的“频域反射”与 “波分复用”混合的光纤光栅传感网络系统，将频域反射的光纤光栅传感网络的测量 距离提高数十倍，但是网络构建仍然采用串接方式，网络可靠性问题没有解决。文献 [4]和文献[5]给出了一种光纤光栅波分复用传感网络的总线拓扑结构。在这种拓扑结构 的光纤光栅传感网络中，光纤光栅传感器之间不再直接串接，而是使用“光纤分路器” 将光纤光栅传感器从信号传输总线中分离出来，网络的可靠性得到了很大提高，但是， 其网络容量仍然和波分复用传感网络一样受到光源带宽的限制。同时，该网络使用光 纤分路器做为分光器件，它的分光功能是以支路的光强损失为代价的，大大的影响了 网络的复用数量和测量距离。为了弥补信号能量的损失，文献[4]和文献[5]都使用了拉 曼光纤放大器，这无疑增加了网络成本。专利号为200810157486.4的中国专利和文献 [6]给出了一种星形结构的网络构建方式，这是一种并联的网络连接方式，它在可靠性 和维护性方面都有所增强，但是，这种网络构建方式是以增加网络干线传输光纤或光 缆和信号接收处理设备的规模为代价的，同时，星形网络的链路中使用了大量的光纤 分路器作为分光器件，存在和文献[4]和文献[5]给出的传感网络相同的容量和成本问 题。

文献：

[1]Yunmiao Wang，Jianmin Gong，Dorothy Y.Wang，A Quasi-Distributed Sensing Network With  Time-Division-Multiplexed Fiber Bragg Gratings，IEEE Photonics Technology Letters，2011，23(2)：70～72。

[2]Brooks A.Childers，Mark E.Froggatt，Sidney G.Allison，et.al.，Use of 3000 Bragg grating strain  sensors distributed on four eight-meter optical fibers during static load tests of a composite structure，Proc. SPIE-Int.Soc.Opt.Eng.，Newport Beach，CA，2001，4332，133-142。.

[3]H.Murayama，K.Ohara，N.Kanata，et.al.，Strain Monotoring and Defect Detection in Welded Joints  by Using Fiber-Optic Distributed Sensors with High Spatial Resolution，E-Journal of Advanced Maintenance， 2010/2011，2，191-199。

[4]S.Diaz，G.Lasheras and M.Lopez-Amo，WDM bi-directional transmission over 35km amplified  fiber-optic bus network using Raman amplification for optical sensors，Optics Express，2005，13(24)：9666～ 9671。

[5]S.Diaz，B.Cerrolaza，G.Lasheras，et.al.，Double Raman Amplified Bus Networks for  Wavelength-Division Multiplexing of Fiber-Optic Sensors，J.of Lightwave Technology，2007，25(3)：733～ 739。

[6]Shu-Tsung Kuo，Peng-Chun Peng，Jen-Wei Sun，et.al.，A Delta-Star-Based Multipoint Fiber Bragg  Grating Sensor Network，IEEE SENSORS JOURNAL，2011，11(4)：875～881。

发明内容

本发明的目的在于针对光纤光栅传感工程应用中的实际需要和现有技术的不足， 提出一种总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络构建方法和系统。采用频域反射 和波分复用技术相结合的网络构建方法和原理，提高传感网络容量、空间分辨率和测 量距离，增强网络的存活率和可靠性。

本发明的目的是通过如下措施达到的：

本发明的一种总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络构建方法，采用频域反射和 波分复用技术相结合的网络构建方法，传感网络中各支路光纤光栅通过各个节点上下载波 分复用功能器件连接到网络主干光纤或光缆上，组成总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传 感网络；各个节点的上下载波分复用功能器件由一个三端子光纤环形器、一个四端子光纤 环形器及两个反射谱互补的啁啾光纤光栅组成。

本发明的总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络系统，它包括：可调谐窄线宽激 光光源，光纤环形器，节点上下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n，信号传输光纤或光 缆，波长相同的弱反射光纤光栅传感器阵列FBG1、FBG2、…FBGn，光信号采集器，计算 机和可调谐窄线宽激光控制器；所述的节点上下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n有 三个端口，分别为端口I、端口II和端口III；所述的可调谐窄线宽激光光源与所述的光纤环 形器的第1端子连接，光纤环形器的第2端子与所述的信号传输光纤或光缆连接，节点上 下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n的端口I和端口II分别与所述的信号传输光纤或 光缆连接，波长相同的弱反射光纤光栅传感器阵列FBG1、FBG2、…FBGn分别与相应的节 点上下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n的端口III相连；所述的光纤环形器的第3端 子与所述的光信号采集器连接，其光信号采集器通过数据端口与所述的计算机连接，同时 该计算机通过所述的可调谐窄线宽激光控制器控制所述的可调谐窄线宽激光光源。

本发明的总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络系统中，所述的节点上下载波分 复用功能器件N-1、N-2、…N-n的每一个由一个三端子光纤环形器、一个四端子光纤环形 器、两个反射谱互补的第1啁啾光纤光栅和第2啁啾光纤光栅组成；其连接方式为：三端 子光纤环形器的第1端子和四端子光纤环形器的第4端子连接，三端子光纤环形器的端子 和四端子光纤环形器的第1端子连接，三端子光纤环形器的第2端子做为节点上下载波分复 用功能器件的端口I，四端子光纤环形器的第2端子和第1啁啾光纤光栅的一端连接，第 1啁啾光纤光栅的另一端做为节点上下载波分复用功能器件的端口II；四端子光纤环形器 的第3端子和第2啁啾光纤光栅的一端连接，第2啁啾光纤光栅的另一端做为节点上下载 波分复用功能器件的端口III。

本发明的总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络系统中，所述的波长相同的弱反 射光纤光栅传感器阵列FBG1、FBG2、…FBGn为支路；从节点上下载波分复用功能器件内 部的第1啁啾光纤光栅到与该节点上下载波分复用功能器件端口III连接的第一个光纤光栅 的距离应大于该支路所有弱反射光纤光栅传感器阵列的长度。

本发明的总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络系统的应用特征在于：所述的可 调谐窄线宽激光光源发出的激光经过由三端子光纤环形器、四端子光纤环形器、两个反射 谱互补的第1啁啾光纤光栅和第2啁啾光纤光栅构成的网络节点上下载波分复用功能器件， 将某一波段的光下载给相应光纤光栅传感网络分支，剩余的光波继续向下个节点传输；下 载的光信号经过各支路串接的弱反射光纤光栅传感器阵列反射后再经过节点上下载波分复 用功能器件沿原光路返回到发射端，经过光纤环形器传递给所述的光信号采集器，其光信 号采集器进行光电转换变成数字信号后输入计算机进行数字信息处理；同时，计算机通过 可调谐窄线宽激光控制器对可调谐窄线宽激光光源进行波长扫描控制。

本发明的总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络系统主要由可调谐窄线宽激 光光源、三端子和四端子光纤环形器、啁啾光纤光栅、传输光纤或光缆、弱反射光纤 光栅传感器阵列、光信号采集器、计算机和可调谐窄线宽激光光源控制器组成；可调 谐窄线宽激光光源发出的激光经过由三端子、四端子光纤环形器和啁啾光纤光栅构成 的网络节点上下载波分复用功能器件，将某一波段的光下载给相应光纤光栅传感网络 分支，剩余的光波继续向下个节点传输；下载的光信号经过各支路串接的弱反射光纤 光栅传感器阵列反射后再经过节点上下载波分复用功能器件沿原光路返回到发射端， 经过光纤环形器传递给光信号采集器，光信号采集器进行光电转换变成数字信号后输 入计算机进行数字信息处理；同时，计算机通过可调谐窄线宽激光控制器对可调谐激 光光源进行波长扫描控制。

本发明构建的光纤光栅传感网络没有使用光纤分路器那种高能量损失的光纤分光 器件，而是使用了低损耗的三端子、四端子光纤环形器和啁啾光纤光栅实现网络节点 上下载波分复用的功能，既达到了光纤光栅传感网络所要求的窄带滤波下载和链路的 双向可逆传输功能，又降低了信号的传输损耗。这种总线拓扑结构的频域反射光纤光 栅传感网络可以在那些大规模的、测量点数密集的、远程监测的输油管道和电力传输 线路安全、隧道和油罐火灾报警以及边界异物侵限报警等监测系统中得到广泛应用。

本发明与现有技术相比具有如下突出的优点：

1、本发明涉及的总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络将总线型拓扑结构和 频域反射传感技术相结合，不仅保留了频域反射的容量大、空间分辨率高的优点，而 且，还可将传感网络的测量距离提高数十倍；

2、本发明涉及的总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络的主干线可以使用铠 装光缆进行特别保护，传感测量的支路可以使用柔性光纤或光缆连接，既保证了光纤 光栅传感器安装的灵活性和便利性，同时由于分支光纤光栅传感器的损坏，不会影响 其它分支传感器信号的正常传输，所以网络传感器的存活率大大提高；

3、本发明涉及的总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络的主干线和各条支路 是通过三端子光纤环形器、四端子光纤环形器和两个反射谱互补的啁啾光纤光栅组成 的网络节点上下载波分复用功能器件连接的，除了少许的插入损耗，几乎没有其它的 光能量损失，整个传感网络运行的可靠性得到增强。

附图说明

图1为啁啾光纤光栅CFBG1反射光谱

图2为啁啾光纤光栅CFBG1透射光谱

图3为啁啾光纤光栅CFBG2的反射光谱

图4为啁啾光纤光栅的透射光谱

图5为宽带光谱

图6为本发明总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络系统

图6中，1-可调谐窄线宽激光光源，2-光纤环形器，3-信号传输光纤或光缆，4- 波长相同的弱反射光纤光栅传感器阵列(其中FBG1、FBG2、…FBG n的序号表示不 同波长的弱反射光纤光栅)，5-光信号采集器，6-计算机，7-可调谐窄线宽激光控制器， 8-三端子光纤环形器，9-四端子光纤环形器，10-第1啁啾光纤光栅(CFBG1)，11-第2 啁啾光纤光栅CFBG2，N-1、N-2、…、N-n-节点上下载波分复用功能器件(图中虚线 框内)。

注：因为图6中N-2、…、N-n(虚线框)的内部结构与N-1的内部结构完全相同， 所以N-2、…、N-n内部结构细节没有画出，仅用矩形来表示。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案和实现原理作进一步描述。

本发明的总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络的结构如图6所示，它包括：可 调谐窄线宽激光光源1，光纤环形器2，节点上下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n， 信号传输光纤或光缆3，波长相同的弱反射光纤光栅传感器阵列(FBG1、FBG2、…FBGn) 4，光信号采集器5，计算机6，可调谐窄线宽激光控制器7。

节点上下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n有三个端口，分别为端口I、端口II 和端口III。节点上下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n由三端子光纤环形器8、四端 子光纤环形器9、第1啁啾光纤光栅(CFBG1)10和第2啁啾光纤光栅(CFBG2)11组成。 具体连接方式为：三端子光纤环形器8的第1端子8-1和四端子光纤环形器9的第4端子 9-4连接，三端子光纤环形器8的第3端子8-3和四端子光纤环形器9的第1端子9-1连接。 三端子光纤环形器8的第2端子8-2做为节点上下载波分复用功能器件的端口I，四端子 光纤环形器9的第2端子9-2和第1啁啾光纤光栅(CFBG1)10的一端连接，第1啁啾光 纤光栅(CFBG1)10的另一端做为节点上下载波分复用功能器件的端口II。四端子光纤环 形器9的第3端子9-3和第啁啾光纤光栅(CFBG2)11的一端连接，第2啁啾光纤光栅 (CFBG2)11的另一端做为节点上下载波分复用功能器件的端口III。

波长可调谐脉冲激光光源1与光纤环形器2的第1端口2-1连接，光纤环形器2的第 2端口2-2与信号传输光纤或光缆3连接，节点上下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n 的端口I和端口II分别与信号传输光纤或光缆3连接，波长相同的弱反射光纤光栅传感器 阵列FBG1、FBG2、…FBGn分别与相应的节点上下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n 的端口III相连。光纤环形器2的第3端口2-3与光信号采集器5连接，光信号采集器5通 过数据端口与计算机6连接。同时计算机6通过可调谐窄线宽激光控制器7控制可调谐窄 线宽激光光源。

节点上下载波分复用功能器件N-1内部的光传输路径是：光谱如图5的宽带光入射到 -→三端子光纤环形器8的第2端子8-2-→三端子光纤环形器8的第3端子8-3-→四端 子环形器9的第1端子9-1-→四端子环形器9的第2端子9-2-→第1啁啾光纤光栅CFBG1， 第1啁啾光纤光栅CFBG1将某一波长带宽的窄带光(光谱如图1)反射，未被反射的光(光 谱如图2)从节点上下载波分复用功能器件N-1输出端口II输出；被第1啁啾光纤光栅CFBG1 反射的窄带光(光谱如图1)，再次进入四端子环形器9的第2端子9-2，从四端子环形器 9的第3端子9-3出射，该波段光正好可以通过第2啁啾光纤光栅CFBG2，从第2啁啾光 纤光栅CFBG2的另一端即节点上下载波分复用功能器件N-1输出端口III输出，输出光谱(如 图4)。由于光纤环形器除少许插入损耗外，基本没有其他的光强损耗，所以光通过节点上 下载波分复用功能器件N-1的损耗很小。

各个节点上下载波分复用功能器件N-2、…、N-n内部光的传输路径与N-1相同，只 是从N-1、N-2、…N-n端口II、III输出的波长范围各不相同。

总线拓扑结构的频域反射光纤光栅传感网络系统的工作原理是：可调谐窄线宽激光光 源1发出激光通过光纤环形器2进入信号传输光纤或光缆3，传输光纤或光缆3通过节点 上下载波分复用功能器件N-1的端口III下载与FBG1中心波长相同的一部分窄带光，另一 部分光从节点上下载波分复用功能器件N-1的端口II输出，并继续沿光纤或光缆3传输， 在经过节点上下载波分复用功能器件N-2又有一中心波长与FBG2相同的窄带光从端口III 下载，其余部分光又继续沿光纤或光缆4传输，…。入射到弱反射光纤光栅传感器阵列上 的激光经过光纤光栅阵列反射后，再从节点上下载波分复用功能器件N-1、N-2、…N-n的 端口III上载，并从端口I输出，沿原路返回到光纤环形器2的第2端口2-2上，经过光纤 环形器2第3端口2-3输出后入射到弱光信号采集器5进行光电转换。

某一支路的光纤光栅为相同波长的弱反射光纤光栅，其定位和波长识别方法采用频域 反射原理：各支路波长相同的弱反射光纤光栅阵列与相应的节点上下载波分复用功能器件 内部的第1啁啾光纤光栅CFBG1组成一系列“法布里-珀罗”反射滤波器，这些滤波器的 频谱是一系列不同频率的正弦或余弦函数的叠加，这些正弦或余弦函数的周期与组成这些 “法布里-珀罗”滤波器的光纤光栅之间的间距有关，通过对这些叠加在一起的频谱函数进 行傅立叶变换和逆傅立叶变换等一系列信号处理就可以实现光纤光栅传感测量和定位。