專利名稱：采用弱反射fbg的分布式傳感網(wǎng)絡及其各fbg的精確定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光纖傳感領域，具體涉及采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡及其各 FBG的精確定位方法。
背景技術：
FBG(Fiber Bragg Grating，光纖布拉格光柵)是目前分布式光纖傳感網(wǎng)絡中最主要的傳感器件。由于FBG具有反射波長隨溫度、拉力等外界因素呈線性變化的特性，因此， 監(jiān)測FBG反射波長的偏移即可測量獲得外界參數(shù)的變化，并且其探測能力不受光源功率波動、光纖彎曲損耗以及探測器老化等因素的影響，且具有自校準特性，所以，非常適合長期的安全監(jiān)測。傳感器定位尋址及波長解調(diào)是基于FBG的分布式光纖傳感網(wǎng)絡的難點。目前通常有兩種方式對FBG進行定位尋址第一種是波分方式，分別對不同位置處布放的FBG具有不重疊的反射波長窗口，根據(jù)反射波長所處的波長窗口即可確定發(fā)生反射的FBG;第二種是時分方式，適用于布放的FBG的波長窗口可能存在重疊的情況，當一個單波長光脈沖在多個弱反射FBG處先后發(fā)生反射，通過反射波長先確定FBG的波長窗口，同時通過返回光脈沖的時間間隔確定各FBG的布放距離，從而唯一地定位該FBG。目前已實用化的分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡多采用波分尋址方式，但這種方法探測光的前向傳輸損耗大，單根光纖上可復用的FBG個數(shù)也受限。為提高測量點布放的密度，實現(xiàn)大容量長距離的分布式傳感網(wǎng)絡，采用時分尋址方式結(jié)合弱反射FBG是一條有效途徑。 弱反射FBG具有窄帶寬、弱反射的周期結(jié)構(gòu)，僅對中心波長附近極小的范圍有很低的反射率。當信號光入射光纖纖芯，僅較微弱的一部分光被中心波長與信號光波長一致的FBG反射，剩下的大部分光繼續(xù)向前傳輸。典型的基于時分波分混合尋址方式的FBG分布式傳感網(wǎng)絡如圖1所示。其中發(fā)射端為波長可調(diào)光源，波長可調(diào)光源發(fā)送波長和開關的時間可調(diào)諧，可發(fā)出矩形光脈沖。光環(huán)形器將探測光送入FBG陣列，并將反射光送入探測器。FBG陣列是由不同波長窗口的多個弱反射FBG按波長不同串連起來構(gòu)成，相同反射窗口的弱反射FBG間隔一定距離后重復布放。 光探測器則處理返回的光脈沖序列，確定弱反射FBG的反射波長和反射位置。但上述基于波分時分混合方式尋址的方案存在一定局限分布式傳感網(wǎng)絡的空間分辨率有限，存在測量盲區(qū)，使用弱反射FBG時會因多次反射帶來串擾。為克服上述問題， 提高系統(tǒng)的容量的同時改善系統(tǒng)性能，必須對現(xiàn)有的分布式傳感網(wǎng)絡和信號處理方式進行改進。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡及其FBG的精確定位方法，在弱反射FBG陣列的末端設置全反射面，在弱反射FBG陣列的始端通過分析時域反射信息，獲得每一個弱反射FBG的精確位置，從而提高了分布式光纖傳感網(wǎng)絡的空間分辨率，沒有測量盲區(qū)，避免多次反射帶來串擾。為達到以上目的，本發(fā)明提供了一種采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡，包括弱反射FBG陣列和定位系統(tǒng)，所述弱反射FBG陣列由串聯(lián)在光路中的N組弱反射FBG組成，每個所述FBG組中包括M個依次順序設置的弱反射FBG，且每個FBG組中的M個所述弱反射 FBG的中心反射波長均不相同，N^ 2, M^ 2，所述定位系統(tǒng)包括設置在弱反射FBG陣列始端的可調(diào)諧激光光源、探測器和計算單元，以及設置在弱反射FBG陣列末端的全反射面，所述光路上設有參考反射點，所述可調(diào)諧激光光源依次發(fā)射與所述參考反射點及待掃描弱反射FBG中心波長相同的光脈沖，所述探測器探測所述參考反射點的直接反射時間、和間接反射時間t' n，以及每個所述弱反射FBG的直接反射時間tmi和間接反射時間t' mi，所述間接反射時間為相應波長的光脈沖透過所述參考反射點或相應的所述弱反射FBG并經(jīng)全反射面、參考反射點或弱反射FBG、全反射面再次反射回探測器的時間；所述計算單元根據(jù)
計算公-《 = cx扎得到第i個反射波長為λm的弱反射TOG與參考反
射點之間的距離dmi-dn，i = 1、……、N;式中，dmi為第i個反射波長為弱反射FBG至IJ 所述弱反射FBG陣列始端的距離，dn為所述參考反射點到所述弱反射FBG陣列始端的距離， c為光速。上述分布式傳感網(wǎng)絡中，所述參考反射點為所述弱反射FBG陣列中的任意一個弱反射FBG或光路上的光纖接續(xù)點。上述分布式傳感網(wǎng)絡中，所述探測器根據(jù)某一波長的光脈沖被N個FBG組中相應弱反射FBG反射的強度以及先后到達時間，獲得N個FBG組中各相應弱反射FBG的直接反射時間和間接反射時間。本發(fā)明還提供了一種采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡中各弱反射FBG的精確定位方法，包括以下步驟A10、在弱反射FBG陣列的末端設置全反射面，并選取參考反射點；A20、在所述弱反射FBG陣列的始端依次發(fā)射波長等于參考反射點以及每組所述 FBG組中各弱反射FBG中心波長λ m的光脈沖，并記錄所述參考反射點的直接反射時間&和間接反射時間t' n，以及第i個反射波長為λ m的相應所述弱反射FBG的直接反射時間tmi 和間接反射時間t' mi，i = l、……、N，所述間接反射時間為相應波長的光脈沖透過所述參考反射點或所述FBG并經(jīng)全反射面、參考反射點或弱反射FBG、全反射面再次反射回探測器的時間；A30、利用公_《 = CX扎得到第i個反射波長為λ m的相應弱
反射FBG與參考反射點之間的距離dmi-dn ；式中，dmi為第i個反射波長為λ m的弱反射FBG 到所述弱反射FBG陣列始端的距離，dn為所述參考反射點到所述弱反射FBG陣列始端的距離，c為光速。在上述方法中，所述參考反射點為所述弱反射FBG陣列中的任意一個弱反射FBG 或光路上的光纖接續(xù)點。在上述方法中在步驟A20中，利用探測器根據(jù)波長為λω的光脈沖被所述弱反射FBG組中相應弱反射FBG反射的強度以及先后到達時間，獲得中心反射波長為λ m的各弱反射FBG的直接反射時間和間接反射時間。本發(fā)明能大幅增加傳感器布放的數(shù)量和距離。從理論上測算，中心反射波長一致， 反射率為1 %的弱反射FBG能串聯(lián)210次后仍強度大于瑞利散射，仍能檢測和區(qū)分出在不同弱反射FBG處的反射，具體優(yōu)點如下(1)將各弱反射FBG之間的距離與反射脈沖時間差的關系放大了 4倍，精度更高。 由于只測量弱反射FBG的相對距離，適合在近距離內(nèi)識別和分辨不同的反射信息。(2)根據(jù)公-dn = CX{t"+ ^4 ‘Κ~、)計算出各弱反射FBG之間的相對距離，
從原理上完全消除了因為光路不等長或處理器延時等原因帶來的測量誤差。因此光路上可以將可調(diào)諧激光光源與探測器分離，將可調(diào)諧激光光源復用于多路測量，也可忽略電路上固定的處理延時。(3)由于被全反射回的光脈沖集中了主要的光功率，監(jiān)測的反射功率會對應一個特別突出的尖峰，光脈沖從發(fā)射到被探測經(jīng)歷時間tD，tD時刻的反射脈沖可作為參考標記， 任意一個弱反射FBG的兩個反射信號tmi和t' mi總滿足t' mi_tD = tD-tmi，以此可作為識別反射信號的可靠依據(jù)，各接續(xù)點在不同探測波長下都有相對位置固定的反射，因此也可用作參考。(4)相對于采用 OTDR(Optical Time Domain Reflectometer，光時域反射儀)的測距方式，無測量盲區(qū)。


圖1為背景技術中基于時分波分混合尋址方式的FBG分布式傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)原理圖；圖2本發(fā)明提供的采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡的一種實施例示意圖；圖3為本發(fā)明提供的分布式傳感網(wǎng)絡中各弱反射FBG的精確定位方法中各反射點的反射光強度隨時間的分布圖；圖4為本發(fā)明提供的分布式傳感網(wǎng)絡中弱反射FBG的精確定位方法流程圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖2和圖3所示，采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡包括弱反射FBG陣列和定位系統(tǒng)，F(xiàn)BG陣列由串聯(lián)在光路中的N組弱反射FBG組成(N >幻，每組弱反射FBG組均包括M個依次順序布置的弱反射FBG(M彡2)，且M個弱反射FBG的中心波長不相同(m =1、......、M)。定位系統(tǒng)包括設置在FBG陣列始端的可調(diào)諧激光光源、探測器和計算單元，以及設置在FBG陣列末端的全反射面。分布式傳感網(wǎng)絡的光路中設有參考反射點，參考反射點可以選擇FBG陣列中的任一個弱反射FBG，由于光纖線路上的任一個接續(xù)點在不同波長下都有相對位置固定的反射， 因此，參考反射點也可以選擇光纖線路上的任一個接續(xù)點。
可調(diào)諧激光光源依次向弱反射FBG陣列發(fā)射與參考反射點及每個FBG組中各弱反射FBG中心波長λω波長相同的光脈沖，波長λ m決定了每個FBG組只在中心反射波長為λω 的單個弱反射FBG處發(fā)生反射，這樣N個FBG組就共有N個弱反射FBG發(fā)生反射。再參見圖2，這N個弱反射FBG由于到發(fā)射端的距離不同，因此，反射光脈沖的到達時間也有先后， 這樣，探測器接收到反射光脈沖時，可以根據(jù)到達時間和光強度區(qū)分識別出參考反射點的直接反射時間&和間接反射時間t' n，以及第i個反射波長為λω的相應弱反射FBG的直接反射時間tmi以及間接反射時間t' mi，i = l、……、M。直接反射時間是指由可調(diào)諧激光光源發(fā)出的光脈沖由參考反射點或弱反射FBG直接反射回探測器所經(jīng)歷的時間， 間接反射時間t' 或1 mi是指由可調(diào)諧激光光源發(fā)出的光脈沖透過相應的參考反射點或弱反射FBG并依次經(jīng)全反射面、參考反射點或弱反射FBG、全反射面再次反射回探測器的時間。計算單元根據(jù)公式^na-dn = CX{tn+ ^4 ‘Κ~、)得到任意一個弱反射FBG與參考
反射點之間的距離dmi-dn ；式中，dmi為第i個反射波長為λ m的相應弱反射FBG到弱反射 FBG陣列始端的距離，dn為參考反射點到弱反射FBG陣列始端的距離，c為光速。通過改變可調(diào)諧激光光源發(fā)射光脈沖的λ m，就可以獲得FBG陣列中每一個弱反射 FBG的精確位置。如圖4所示，本發(fā)明提供的分布式傳感網(wǎng)絡中各弱反射FBG的精確定位方法包括以下步驟A10、在弱反射FBG陣列的末端設置全反射面，并在FBG陣列中選取參考反射點，參考反射點可以為FBG陣列中的任一個弱反射TOG，也可以為光纖線路上的任一個接續(xù)點。A20、在弱反射FBG陣列的始端發(fā)射波長為λ m的探測光脈沖，λ m與參考反射點及每個FBG組中的各弱反射FBG的中心波長相同，通過探測器探測并記錄該反射光脈沖的強度以及反射時間；通過反射光脈沖的強度以及先后到達的時間，識別出參考反射點的直接反射時間 、和間接反射時間t' n，以及第i個反射波長為λω的相應弱反射FBG的直接反射時間tmi 和間接反射時間t' mi。由于被全反射回的光脈沖集中了主要的光功率，監(jiān)測的反射功率會對應一個特別突出的尖峰，光脈沖從發(fā)射到被探測經(jīng)歷時間tD，tD時刻的反射脈沖可作為參考標記，第i個反射波長為λ m的相應弱反射FBG的兩個反射信號tmi和t' mi總滿足 t' mi_tD = tD-tmi，以此可作為識別反射信號的可靠依據(jù)。根據(jù)反射光脈沖的到達的時間以及反射光脈沖的強度，識別出各反射點的直接反射光脈沖及到達時間，以及經(jīng)過可調(diào)諧激光光源_全反射面_弱反射FBG-全反射面-探測器的反射光脈沖及其到達時間。A30、利用dmi -dn:tmi^H)計算得到任意弱反射FBG之間的距離上述計算公式的計算原理如下當可調(diào)諧激光光源工作在單一波長下時，由于各弱反射FBG的中心反射波長不同，只在中心反射波長等于入射波長的弱反射FBG處發(fā)生部分反射，而其余不同發(fā)射波長的弱反射FBG處均透射，所以此時可忽略其他不發(fā)生反射的弱反射FBG。假設入射光和反射波長都為λ m，光入射點到末端全反射面的距離為D，光入射點到第η個弱反射FBG的距離為 dn(參見圖3)。探測器接收反射光脈沖后轉(zhuǎn)換成探測電流，可粗略認為探測電流的大小正比于反射光強度的大小，而光電流產(chǎn)生的先后時間對應于光脈沖到達的時間。忽略被弱反射 FBG反射兩次及以上的情形，有兩類能量集中的光脈沖從入射到被弱反射FBG直接反射回光探測器，其間耗時為tn ；經(jīng)過可調(diào)諧激光光源_全反射面_弱反射FBG-全反射面-探測器路線的反射脈沖，其間耗時為t' n。假設光脈沖從返回入射點到被接收機探測經(jīng)歷的線路延時為tx，定義光速為c，則有 2*d
權(quán)利要求
1.采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡，包括弱反射FBG陣列和定位系統(tǒng)，所述弱反射 FBG陣列由串聯(lián)在光路中的N個弱反射FBG組組成，每個所述FBG組中包括M個依次順序布置的弱反射FBG，且每個FBG組中的M個所述弱反射FBG的中心反射波長均不相同，N ^ 2， M ^ 2，其特征在于所述定位系統(tǒng)包括可調(diào)諧激光光源，設置在所述弱反射FBG陣列的始端，所述光路上設有參考反射點，所述可調(diào)諧激光光源依次發(fā)射與所述參考反射點及待掃描弱反射FBG中心波長相同的光脈沖；全反射面，設置在所述弱反射FBG陣列的末端；探測器，設置在所述弱反射FBG陣列的始端，探測所述參考反射點的直接反射時間、 和間接反射時間t' n，以及每個所述弱反射FBG的直接反射時間tmi以及間接反射時間 t' mi，所述間接反射時間為相應波長的光脈沖透過所述參考反射點或相應的所述弱反射 FBG并經(jīng)全反射面、參考反射點或弱反射FBG、全反射面再次反射回探測器的時間；計算單元，設置在所述FBG陣列的始端，根據(jù)計算公式^^.-< = "+、；-。得到第i組中反射波長為λ m的弱反射FBG與參考反射點之間的距離dmi-dn，i = 1、……、N ； 式中，dmi為第i組中反射波長為λ m的弱反射FBG到所述弱反射FBG陣列始端的距離，dn為所述參考反射點到所述弱反射FBG陣列始端的距離，c為光速。
2.如權(quán)利要求1所述的采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡，其特征在于所述參考反射點為所述弱反射FBG陣列中的任意一個弱反射FBG或光路上的光纖接續(xù)點。
3.如權(quán)利要求1所述的采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡，其特征在于所述探測器根據(jù)某一波長的光脈沖被N個FBG組中相應弱反射FBG反射的強度以及先后到達時間，獲得N個FBG組中各相應弱反射FBG的直接反射時間和間接反射時間。
4.采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡中各弱反射FBG的精確定位方法，其特征在于，包括以下步驟A10、在弱反射FBG陣列的末端設置全反射面，并選取參考反射點；A20、在弱反射FBG陣列的始端依次發(fā)射與參考反射點以及每組所述弱反射FBG組中各弱反射FBG中心波長相同的光脈沖λ m，并記錄所述參考反射點的直接反射時間tn和間接反射時間t' n，以及第i個反射波長為λ m的所述弱反射FBG的直接反射時間tmi和間接反射時間t' mi，所述間接反射時間為相應波長的光脈沖透過相應所述參考反射點或所述弱反射FBG并經(jīng)全反射面、參考反射點或弱反射FBG、全反射面再次反射回探測器的時間；A30、利用公式^^.-dn = CX(t"+ tm4 — 、)得到任意第i個反射波長為λω的所述弱反射FBG與參考反射點之間的距離Clmi-Cln, i = 1、……、N ；式中，dmi為第i個反射波長為 λ m的弱反射FBG到所述弱反射FBG陣列始端的距離，dn為所述參考反射點到所述弱反射 FBG陣列始端的距離，c為光速。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述參考反射點為所述弱反射FBG陣列中的任意一個弱反射FBG或光路上的光纖接續(xù)點。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在步驟A20中，探測器根據(jù)波長λω的光脈沖被所述弱反射FBG陣列中相應弱反射FBG反射的強度以及先后到達時間，獲得中心反射波長為λ m的各弱反射FBG的直接反射時間和間接反射時間。
全文摘要
采用弱反射FBG的分布式傳感網(wǎng)絡及其各FBG的精確定位方法，該傳感網(wǎng)絡包括弱反射FBG陣列和定位系統(tǒng)，弱反射FBG陣列由串聯(lián)在光路中的N組弱反射FBG組成，每個弱反射FBG組中包括M個依次順序設置的弱反射FBG，且每個FBG組中的各弱反射FBG的中心波長均不相同，定位系統(tǒng)包括設置在弱反射FBG陣列始端的可調(diào)諧激光光源、探測器和計算單元，以及設置在末端的全反射面，傳感網(wǎng)絡中設有參考反射點，可調(diào)諧激光光源依次發(fā)送相應波長的光脈沖，通過探測器獲得參考反射點以及第i個反射波長為λm的弱反射FBG的直接反射時間和間接反射時間tn、t′n、tmi、t′mi，根據(jù)得到任意弱反射FBG與參考反射點之間的距離。本發(fā)明能提高分布式光纖傳感網(wǎng)絡中的空間分辨率，增加傳感器布放的數(shù)量和距離。
文檔編號G01D5/38GK102506916SQ201110373500
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者劉武, 楊奇, 陳幫 申請人:武漢郵電科學研究院