專利名稱：基于時(shí)分復(fù)用的低反射率三角譜形光纖光柵傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及一種大容量光纖光柵傳感系統(tǒng)及其構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感是伴隨著光纖通信的發(fā)展而興起的一類新型傳感技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分。光纖傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、集傳感和傳輸為一體、尺寸小、重量輕等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，正在被廣泛應(yīng)用到土木、電力、石化、交通等多個(gè)領(lǐng)域。其中， 光纖光柵傳感是目前被研究和應(yīng)用最多的技術(shù)之一。除了具有一般光纖傳感的特點(diǎn)之外， 光纖光柵傳感系統(tǒng)還具有波長(zhǎng)編碼的特點(diǎn)，它采用監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)信號(hào)變化的測(cè)量方法，可以有效避免光源波動(dòng)等外界干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，具有極高的測(cè)量精度和抗干擾能力。典型光纖光柵傳感系統(tǒng)如圖1所示。它由寬帶光源1、光耦合器2、光纖光柵傳感器 3、波長(zhǎng)解調(diào)器4、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5組成，采用波分復(fù)用的復(fù)用方式。寬帶光由光源1發(fā)出，經(jīng)光耦合器2后被光纖光柵傳感器3反射，反射光被波長(zhǎng)解調(diào)器4接收并檢測(cè)，并將結(jié)構(gòu)傳輸給控制電腦。如果待測(cè)量(例如溫度、壓力等)發(fā)生變化，光纖光柵傳感器3的反射波長(zhǎng)也隨之發(fā)生變化，這個(gè)變化被波長(zhǎng)解調(diào)器4檢測(cè)出，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。為了分辨出每個(gè)光纖光柵傳感器反射回來(lái)的信號(hào)，該系統(tǒng)中每個(gè)光纖光柵傳感器的反射波長(zhǎng)都不相同，并且，為了給波長(zhǎng)變化留一定的空間，光纖光柵傳感器的反射波長(zhǎng)相差約2nm。由于光源帶寬的限制，這個(gè)系統(tǒng)能容納光纖光柵傳感器的數(shù)量只有數(shù)十個(gè)。 當(dāng)采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)橋梁、隧道、油庫(kù)等設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需要的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)往往有成百上千個(gè)，傳統(tǒng)的光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求。因此，大容量光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)提高系統(tǒng)效率有著巨大的意義和價(jià)值，國(guó)內(nèi)外對(duì)其開展了廣泛的研究。已有一些方法用來(lái)實(shí)現(xiàn)提高光纖光柵傳感系統(tǒng)的容量，例如余有龍等在“有源波、空分復(fù)用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)”(中國(guó)激光，2001J9⑵，pp. 131-134)文章， 提出使用1 X 3光開關(guān)進(jìn)行空分復(fù)用，可把系統(tǒng)容量提高到原來(lái)的3倍。Chan, P. K. C φ 人 ^"FMCff multiplexing of fiber bragg grating sensors，，(Selected topics in quantum electronics, IEEE Journal of,2000,6 (5) 756-763.) 一文中提出用連續(xù)波調(diào)頻的技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖光柵的波長(zhǎng)解調(diào)，使系統(tǒng)的容量可以達(dá)到數(shù)百個(gè)。余有龍等在“高分辨率單信道輸出的光纖光柵傳感系統(tǒng)時(shí)域地址查詢技術(shù)”(光學(xué)學(xué)報(bào).2001,21(7) =874-877)文章中提出時(shí)分復(fù)用的方式進(jìn)行復(fù)用。這些方法中，空分復(fù)用方法能提高的系統(tǒng)容量有限，而且受制于光開關(guān)器件的使用壽命，應(yīng)用受到限制；時(shí)分復(fù)用技術(shù)可以大幅提高系統(tǒng)容量，但是需要采用高功率的寬帶光源，價(jià)格昂貴，難以在實(shí)際工程中應(yīng)用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種大容量、低成本的光纖光柵傳感系統(tǒng)，即基于時(shí)分復(fù)用的低反射率三角譜形光纖光柵傳感系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用波分和時(shí)分結(jié)合的復(fù)用方法，用低反射率三角譜形光纖光柵作為傳感器件，使得單根光纖上能夠復(fù)用的光纖光柵傳感器數(shù)量可以達(dá)到上千個(gè)。本方法中沒有采用傳統(tǒng)光纖光柵傳感系統(tǒng)中的寬帶光源，而是用了普通的分布反饋(DFB)激光器作為系統(tǒng)光源，也沒有可調(diào)諧濾波器、非平衡馬赫-曾德干涉儀等波長(zhǎng)解調(diào)器件，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。本發(fā)明的技術(shù)方案基于時(shí)分復(fù)用的低反射率三角譜形光纖光柵傳感系統(tǒng)(參見圖2)，主要由分布反饋(DFB)激光器、電光調(diào)制器、環(huán)行器、光放大器、三角譜形光纖光柵傳感器、高速光探測(cè)器、脈沖信號(hào)發(fā)生器以及信號(hào)采集裝置組成；分布反饋激光器發(fā)出窄線寬激光，經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器后形成脈沖信號(hào)光，此脈沖光或由分布反饋激光器經(jīng)過(guò)內(nèi)調(diào)制產(chǎn)生； 脈沖光經(jīng)過(guò)環(huán)行器后被三角譜形光纖光柵傳感器反射，反射光經(jīng)過(guò)環(huán)行器到達(dá)光放大器， 經(jīng)過(guò)放大后到達(dá)高速光探測(cè)器，光信號(hào)被高速光探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并被信號(hào)采集裝置轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理。本發(fā)明的系統(tǒng)中，作為傳感器的三角譜形光纖光柵在制作過(guò)程中采用完全相同的工藝參數(shù)，因此具有相同的頻譜響應(yīng)，并且通過(guò)在制作過(guò)程中的曝光控制，使其反射率在 0. 左右或者更低，在使用時(shí)一般采用0. 05%的反射率。一個(gè)三角譜形光纖光柵實(shí)例的頻譜響應(yīng)圖如圖3所示，其反射波長(zhǎng)在1556nm附近，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇其它的波長(zhǎng)。本發(fā)明的系統(tǒng)中，分布反饋激光器發(fā)出窄線寬激光，其波長(zhǎng)在三角譜形光纖光柵傳感器的三角譜形的線性區(qū)域中間位置。經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器后，被調(diào)制成脈沖信號(hào)，脈沖寬度由脈沖信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)寬度決定，一般為10 50ns。在脈沖光被三角譜形光纖光柵反射的過(guò)程中，由于三角譜形光纖光柵的反射率很低，因此，即使單根光纖上串接成百上千個(gè)三角譜形光纖光柵傳感器，高速光探測(cè)器也能收到最末端的三角譜形光纖光柵傳感器反射信號(hào)。兩個(gè)相鄰三角譜形光纖光柵傳感器間隔10 米或者更遠(yuǎn)，這保證了從每個(gè)三角譜形光纖光柵傳感器上反射回去的脈沖光會(huì)由一個(gè)時(shí)延差，通過(guò)檢測(cè)反射回來(lái)的光脈沖的時(shí)間，可以知道該光脈沖是由哪個(gè)三角譜形光纖光柵反射的。當(dāng)待測(cè)物理量發(fā)生改變時(shí)，會(huì)影響到某個(gè)三角譜形光纖光柵傳感器的反射波長(zhǎng)， 當(dāng)其頻譜響應(yīng)向左或者向右移動(dòng)后，反射脈沖光的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)的變大或者變小，通過(guò)檢測(cè)該脈沖光的強(qiáng)度變化，就可以推算待測(cè)物理量的變化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)分布反饋(DFB)激光器和低反射率三角譜形光纖光柵傳感器的結(jié)合，可以通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式來(lái)構(gòu)建大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，單根光纖上復(fù)用的傳感器數(shù)量可達(dá)上千個(gè)，并大大降低了光源和波長(zhǎng)檢測(cè)裝置的成本。


圖1 典型光纖光柵傳感系統(tǒng)示意2 基于時(shí)分復(fù)用的低反射率三角譜形光纖光柵傳感系統(tǒng)示意3 —個(gè)三角譜形光纖光柵傳感器實(shí)例的頻譜響應(yīng)中1、寬帶光源2、光耦合器3、光纖光柵傳感器4、波長(zhǎng)解調(diào)器5、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)6、分布反饋(DFB)激光器7、電光調(diào)制器8、環(huán)行器9、光放大器10、三角譜形光纖光柵傳感器11、高速光探測(cè)器12、脈沖信號(hào)發(fā)生器13、信號(hào)采集裝置。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種實(shí)施例如圖2所示?；跁r(shí)分復(fù)用的低反射率三角譜形光纖光柵傳感系統(tǒng)，主要由分布反饋激光器6、電光調(diào)制器7、環(huán)行器8、光放大器9、三角譜形光纖光柵傳感器10、高速光探測(cè)器11、脈沖信號(hào)發(fā)生器12、信號(hào)采集裝置13等組成。光纖光柵傳感器是采用準(zhǔn)分子激光器通過(guò)紫外曝光的方法獲得，圖3所示的三角譜形光纖光柵傳感器的頻譜響應(yīng)圖中，該傳感器的頻譜形狀為三角形，是由于采用啁啾光纖光柵相位掩模板，并通過(guò)非均勻曝光的方法獲得。系統(tǒng)中的各個(gè)三角譜形光纖光柵傳感器在制作過(guò)程中采用完全相同的工藝參數(shù)，因此具有相同的頻譜響應(yīng)，并且通過(guò)在制作過(guò)程中的曝光控制，使其反射率在0. 左右或者更低，我們?cè)谑褂脮r(shí)一般采用0. 05%的反射率。圖3中的三角譜形光纖光柵傳感器的反射波長(zhǎng)在1556nm附近，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要選擇其它的波長(zhǎng)。兩個(gè)相鄰三角譜形光纖光柵傳感器之間的最小距離L由信號(hào)發(fā)生器的脈沖寬度決定。若信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的脈沖寬度為t，光纖的有效折射率為n，光在真空中的光速為c， 則它們之間必須滿足
權(quán)利要求
1.基于時(shí)分復(fù)用的低反射率三角譜形光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括分布反饋激光器(6)、電光調(diào)制器(7)、環(huán)行器(8)、光放大器(9)、三角譜形光纖光柵傳感器 (10)、高速光探測(cè)器(11)、脈沖信號(hào)發(fā)生器(1 和信號(hào)采集裝置(1 ；分布反饋激光器 (6)發(fā)出窄線寬激光，經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器(7)后形成脈沖信號(hào)光，此脈沖光或由分布反饋激光器(6)經(jīng)過(guò)內(nèi)調(diào)制產(chǎn)生；脈沖光經(jīng)過(guò)環(huán)行器(8)后被三角譜形光纖光柵傳感器(10)反射， 反射光經(jīng)過(guò)環(huán)行器(8)到達(dá)光放大器(9)，經(jīng)過(guò)放大后到達(dá)高速光探測(cè)器(11)，光信號(hào)被高速光探測(cè)器(11)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并被信號(hào)采集裝置(1 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)分復(fù)用的低反射率三角譜形光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于分布反饋激光器(6)的波長(zhǎng)在三角譜形光纖光柵傳感器(10)的三角譜形線性區(qū)域中間位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時(shí)分復(fù)用的低反射率三角譜形光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于兩個(gè)相鄰三角譜形光纖光柵傳感器(10)間隔10米或者更遠(yuǎn)。
全文摘要
一種基于時(shí)分復(fù)用的低反射率三角譜形光纖光柵傳感系統(tǒng)，主要由分布反饋激光器、電光調(diào)制器、環(huán)行器、光放大器、三角譜形光纖光柵傳感器、高速光探測(cè)器、脈沖信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)采集裝置組成。分布反饋激光器發(fā)出窄線寬激光，經(jīng)電光調(diào)制器形成脈沖信號(hào)光，此脈沖光或由分布反饋激光器經(jīng)內(nèi)調(diào)制產(chǎn)生。脈沖光經(jīng)環(huán)行器后被三角譜形光纖光柵反射，反射光經(jīng)環(huán)行器到光放大器，經(jīng)放大到高速光探測(cè)器，光信號(hào)被高速光探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并被信號(hào)采集裝置轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。本發(fā)明通過(guò)分布反饋激光器和低反射率三角譜形光纖光柵傳感器的結(jié)合，通過(guò)時(shí)分復(fù)用構(gòu)建大規(guī)模光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，單根光纖上復(fù)用的傳感器數(shù)上千，降低了光源和波長(zhǎng)檢測(cè)裝置的成本。
文檔編號(hào)G01D5/353GK102353394SQ20111016387
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者文泓橋 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)