專利名稱：超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)及其查詢方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)及其查詢方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感器具有防火防爆、耐腐蝕、抗電磁干擾等特性，具有比其它傳感器更加廣闊的應(yīng)用范圍。近年來，隨著半導(dǎo)體光電子技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感器的研究和應(yīng)用備受關(guān)注?，F(xiàn)存的大容量分布式光纖傳感技術(shù)主要采用光時(shí)域反射技術(shù)(0TDR)，包括利用拉曼散射(專利號01124438. O “分布式光纖溫度傳感 器系統(tǒng)”)、布里淵散射、瑞利散射等不同的方法?；贠TDR技術(shù)的光纖傳感系統(tǒng)雖然適合分布式測量，但是光纖散射光信號十分微弱，例如拉曼散射的光信號約為入射光的億分之一，這樣弱的光信號使得信號的檢測和處理變得很困難，需要對測量數(shù)據(jù)多次平均來提高測量精度，信號處理非常復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差，系統(tǒng)造價(jià)昂貴，在很多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。光纖光柵傳感技術(shù)采用數(shù)字式測量技術(shù)，除了具備光纖傳感器的一般有優(yōu)點(diǎn)外，還具有精確度高、穩(wěn)定性好、不易受外界各種因素的干擾等特點(diǎn)。常規(guī)的光柵傳感系統(tǒng)多采用波分復(fù)用方式，不同的光柵之間，其布拉格中心波長必須留有足夠的間隔，不同點(diǎn)的光纖光柵布拉格波長間隔一般為2nm ；由于光源帶寬通常只有40nm左右，因此,該系統(tǒng)中能夠復(fù)用的探頭數(shù)量非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的要求。編碼光纖光柵(專利號200310111529. 2 “大容量編碼式光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)”)、分組光纖光柵等技術(shù)被用于擴(kuò)大傳感系統(tǒng)的容量，由于需要在同一位置刻寫多組光柵，或?qū)鈻挪ㄩL及位置有嚴(yán)格要求，采用上述方法構(gòu)建的傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對系統(tǒng)容量的擴(kuò)展有限，且易受環(huán)境影響，在應(yīng)用中受到諸多限制。近年來，基于時(shí)分復(fù)用的查詢技術(shù)重新進(jìn)入人們的研究視野，傳統(tǒng)方法中大多米用直接調(diào)制光源(專利號201110031508.4 “基于時(shí)分復(fù)用和匹配光纖光柵技術(shù)的準(zhǔn)分布式傳感網(wǎng)絡(luò)”)來獲取光脈沖，但大多數(shù)光源自身的結(jié)電容大，直接調(diào)制特性差(例如SLED直接調(diào)制脈寬50ns以上)，加上用電延時(shí)技術(shù)來控制和選擇ns級的光脈沖(專利號201110326745. 3 “基于波分復(fù)用多通道輸出時(shí)域地址查詢技術(shù)的光纖光柵傳感方法及系統(tǒng)”)，并同時(shí)檢測多個(gè)光柵反射的光脈沖串，時(shí)域分辨能力差，脈沖之間串?dāng)_嚴(yán)重。高速電路在ns級時(shí)間內(nèi)既要完成反射信號分離，又要進(jìn)行信息處理，現(xiàn)有電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難，系統(tǒng)復(fù)雜且實(shí)時(shí)性能差，造價(jià)昂貴，未見相關(guān)應(yīng)用的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)及其查詢方法。該發(fā)明的系統(tǒng)顯著擴(kuò)展光纖光柵傳感系統(tǒng)的容量，提升查詢速度和系統(tǒng)的靈活性，穩(wěn)定性好。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所米用的方案如下一種超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)，由寬帶光源、調(diào)制模塊、環(huán)形器、布拉格光纖光柵傳感陣列、取樣模塊、波長解調(diào)儀和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)組成；所述的寬帶光源提供寬譜的連續(xù)光功率信號；寬帶光源連接調(diào)制模塊，調(diào)制模塊輸出的光信號通過環(huán)形器耦合進(jìn)布拉格光纖光柵傳感陣列；所述的環(huán)形器的另一個(gè)端口接取樣模塊；取樣模塊連接波長解調(diào)儀，波長解調(diào)儀用導(dǎo)線與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)連接；其中，所述的調(diào)制模塊由第一 SOA高速光電開關(guān)和信號發(fā)生器構(gòu)成,對光源信號進(jìn)行調(diào)制并放大，調(diào)制輸出的光脈沖寬度小于20ns ；所述的取樣模塊由第二 SOA高速光電開光和信號發(fā)生器構(gòu)成，以ns級開關(guān)速度對反射回來的光脈沖在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行選擇，并對允許通過的光信號進(jìn)行放大；所述的布拉格光纖光柵傳感陣列由多個(gè)低反射率(如小于1%)的光纖光柵構(gòu)成，其中心波長相同或者不同。所述的信號發(fā)生器的兩個(gè)輸出端口分別與第一 SOA高速光電開光、第二 SOA高速 光電開光連接；信號發(fā)生器的控制端口和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)之間用導(dǎo)線連接。所述的信號發(fā)生器產(chǎn)生兩路稱合的脈沖信號,第一路輸出給第一 SOA高速光電開關(guān)，第二路輸出給第二 SOA高速光電開關(guān)，通過調(diào)節(jié)第二路脈沖信號對第一路脈沖信號的相位差，使取樣模塊分段采集光纖上不同位置的光強(qiáng)反射信號。所述的通過調(diào)節(jié)第二路脈沖信號高電平的寬度，控制第二 SOA高速光電開關(guān)打開的時(shí)間，調(diào)節(jié)取樣模塊采集光纖上反射區(qū)域的長度。本發(fā)明的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)的查詢方法，通過在光纖的不同位置布置全同光柵構(gòu)建時(shí)分光纖光柵傳感系統(tǒng)；通過在光纖的不同位置分組布置不同反射波長的光柵構(gòu)建時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)，擴(kuò)大傳感系統(tǒng)容量。本發(fā)明的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)的查詢方法，通過調(diào)節(jié)第一 SOA高速光電開關(guān)或第二 SOA高速光電開關(guān))的開關(guān)增益，減小對光纖光柵反射率的要求，增加光纖光柵傳感陣列的個(gè)數(shù)，擴(kuò)大傳感系統(tǒng)的容量。本系統(tǒng)的工作過程如下寬帶光源輸出的連續(xù)光經(jīng)過調(diào)制模塊調(diào)制后，形成放大的寬譜光脈沖信號，經(jīng)過環(huán)形器耦合進(jìn)入布拉格光纖光柵傳感陣列，反射回來的光脈沖信號進(jìn)入取樣模塊，取樣模塊根據(jù)設(shè)定的相位差，以ns級速度控制第二 SOA高速光電開關(guān)打開和關(guān)斷，以及保持打開狀態(tài)的時(shí)間長度。當(dāng)SOA打開時(shí)，經(jīng)過的反射光脈沖被允許通過并獲得放大；反之，對反射脈沖阻止光信號通過。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)根據(jù)反射光信號的強(qiáng)度判定是否存在布拉格反射，確定布拉格反射后再根據(jù)脈沖之間的相位差計(jì)算光纖光柵的位置；波長解調(diào)儀對取樣信號進(jìn)行波長解調(diào)，檢測對應(yīng)光柵的波長偏移量，解調(diào)當(dāng)前光柵所在位置的被測物理量。光纖光柵位置檢測的原理如下假定信號發(fā)生器2路信號的相位差Φ，此時(shí)檢測到滿足要求的布拉格反射光信號，則對應(yīng)的反射光柵距離第一 SOA高速光開關(guān)端口的距離為
_7] L = -^—其中k為相位常數(shù)，與脈沖的周期相關(guān)。光柵之間的間隔距離由調(diào)制脈沖和取樣脈沖的寬度決定，脈沖的寬度越寬，要求光柵之間的間隔距離越大，假定光傳播速度c，光纖纖芯的折射率n=l. 5，調(diào)制脈沖寬度tl，取樣脈沖寬度t2，當(dāng)則實(shí)際取樣長度L = 0+6) C
In例如，采用單激光脈沖照射，調(diào)制脈沖寬度30ns，取樣脈沖寬度20ns，則實(shí)際取樣長度為5m，即光柵之間的理論間隔距離需大于5m，否則兩個(gè)相鄰光柵之間的反射光將會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_。由于單脈沖在行進(jìn)過程中，非相鄰光柵之間的反射存在較大的時(shí)延，不會(huì)在取樣期間產(chǎn)生串?dāng)_，因此，只要設(shè)計(jì)的光柵間隔大于實(shí)際取樣長度，即可完全避免多光柵反射的串?dāng)_。由于SOA具有極高的響應(yīng)速度，能產(chǎn)生IOns以下的光脈沖，光柵之間的理論間隔距離只需大于2m，系統(tǒng)便能實(shí)現(xiàn)無串?dāng)_查詢，這與目前OTDR的距離定位能力相當(dāng)，能滿足各種光纖光柵傳感系統(tǒng)的要求。在不考慮光柵之間反射串?dāng)_的情況下，同一光纖上串聯(lián)光柵個(gè)數(shù)由反射率決定。假定i個(gè)全同光柵串聯(lián)，每個(gè)光柵的反射率為R(X )，則.第i個(gè)光柵反射的光強(qiáng)為·Iriaj=(I-R(A))2a^R(A)I0(A)反射率降低，可串聯(lián)的全同光柵個(gè)數(shù)將急劇上升。當(dāng)R(X)=1%時(shí)，光強(qiáng)下降當(dāng)原來的O. 001%時(shí)，光柵的最大個(gè)數(shù)為344個(gè)；當(dāng)R( λ )=0. 1%，光強(qiáng)下降當(dāng)原來的O. 001%時(shí)，光柵的最大個(gè)數(shù)為2302個(gè)，聯(lián)合波分復(fù)用技術(shù)(假定單光纖上復(fù)用20個(gè)波長)，同一根光纖上可以刻寫46040個(gè)光柵。分析相位與時(shí)延的映射關(guān)系，對現(xiàn)有數(shù)字移相技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)移相器產(chǎn)生的相位差Φ，來實(shí)現(xiàn)脈沖上升沿之間的任意時(shí)延，延時(shí)長度調(diào)節(jié)靈活，精度高，可以達(dá)到ns級精確延時(shí)，能很好滿足高速光電系統(tǒng)的要求，擺脫了傳統(tǒng)時(shí)延思想的束縛，克服了因延時(shí)誤差大導(dǎo)致系統(tǒng)精度低的障礙，真正實(shí)現(xiàn)光時(shí)域信號的實(shí)時(shí)采集。光信號在該系統(tǒng)中傳播時(shí)，最大的背景噪聲是全同光柵的反射串?dāng)_、瑞利散射(散射率約為百萬分之一)和SOA的增益噪聲。由于第二 SOA高速光開關(guān)是窄脈沖采樣，對經(jīng)過第一 SOA高速光開關(guān)后入射的單脈沖信號，采樣時(shí)間點(diǎn)嚴(yán)格光纖上空間某點(diǎn)的位置，其它點(diǎn)反射的光信號因?yàn)榭臻g距離的傳輸時(shí)延，不在采樣脈沖范圍內(nèi)，不構(gòu)成串?dāng)_。瑞利散射是可以在采樣點(diǎn)產(chǎn)生干擾，相對于弱光柵的反射而言，但其幅度非常小，可以忽略。此外，SOA對信號放大時(shí)具備較好的模式競爭特性，這對具有波長選擇性反射的光柵非常有利，第二 SOA高速光開關(guān)能對布拉格反射信號有效增益，改善信噪比，方便后續(xù)的光電探測，故該系統(tǒng)對布拉格光柵的反射率要求不高。本發(fā)明可以完全取代傳統(tǒng)的光纖光柵傳感系統(tǒng)，在油罐、輸油管道、高壓變電站的溫度和公路、大橋、大型建筑等的應(yīng)力、應(yīng)變情況、健康狀況等進(jìn)行超大容量準(zhǔn)分布式測量。本發(fā)明的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)及其查詢方法的優(yōu)點(diǎn)如下I、采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，可以在一個(gè)光纖上刻寫幾千個(gè)個(gè)全同光柵，結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)(如20個(gè)波長復(fù)用)，分組布置不同波長的光柵，同一根光纖上可以刻寫幾萬個(gè)光柵，滿足新興物聯(lián)網(wǎng)對容量的需求。2、通過讀取脈沖延時(shí)量，經(jīng)過簡單計(jì)算即可獲取光柵位置，實(shí)現(xiàn)對檢測光柵和被測物理量的實(shí)時(shí)精確定位。系統(tǒng)率定時(shí)，系統(tǒng)即可“學(xué)習(xí)”到各個(gè)光柵對應(yīng)的相位信息。當(dāng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)時(shí)，可通過直接設(shè)定相位差，查詢對應(yīng)的光柵，無需查詢非光柵點(diǎn)的信息，查詢速度相比較傳統(tǒng)手段提高數(shù)十倍(BOTDR等)，適合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)同時(shí)測量。
3、可以單獨(dú)組建時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)，也可以根據(jù)需求采用波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，無需增加其它設(shè)備，系統(tǒng)擴(kuò)容簡單。適用于弱反射光柵和現(xiàn)有的普通光柵，對光柵的波長一致性無要求，有利于光柵的制作，兼容已有的光纖光柵傳感系統(tǒng)。4、時(shí)域反射定位技術(shù)成熟，光柵之間無相互串?dāng)_，高速SOA光電開關(guān)性能穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定性好；對于因環(huán)境溫度變化引起的光纖長度變化，導(dǎo)致光柵位置的改變，系統(tǒng)能自動(dòng)檢測，不受環(huán)境因素的干擾。5、硬件結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的光纖光柵傳感系統(tǒng)中增加了調(diào)制和取樣模塊，對軟件算法要求低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。SOA既作為光電開關(guān)，又對光信號進(jìn)行增益，性價(jià)比高。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明



圖I為本發(fā)明的超大容量時(shí)分波分光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的超大容量時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明的超大容量時(shí)分波分復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1-3，本發(fā)明的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)，由寬帶光源I、調(diào)制模塊2、環(huán)形器3、光纖光柵傳感器陣列4、取樣模塊5、波長解調(diào)儀6、和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)7組成；寬帶光源I提供寬譜的連續(xù)光功率信號；寬帶光源I連接調(diào)制模塊2 ;調(diào)制模塊2輸出的光信號通過環(huán)形器3耦合進(jìn)布拉格光纖光柵傳感陣列4 ;環(huán)形器3的另一個(gè)端口接取樣模塊5;取樣模塊5連接波長解調(diào)儀6;波長解調(diào)儀6用導(dǎo)線與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)7連接。其中，調(diào)制模塊由第一 SOA高速光電開關(guān)8和信號發(fā)生器9構(gòu)成,對光源信號進(jìn)行調(diào)制并放大，調(diào)制輸出的光脈沖寬度小于20ns。取樣模塊由第二 SOA高速光電開光10和信號發(fā)生器9構(gòu)成,對反射的光脈沖在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行選擇，并對允許通過的光信號進(jìn)行放大。光纖光柵傳感器陣列4由多個(gè)低反射率(如小于1%)的光纖光柵構(gòu)成，其中心波長可以相同，也可以不同。信號發(fā)生器9的兩個(gè)輸出端口分別與第一 SOA高速光電開光8、第二 SOA高速光電開光10連接；信號發(fā)生器9的控制端口和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)7用導(dǎo)線連接。系統(tǒng)的工作過程如下寬帶光源I輸出的連續(xù)光經(jīng)過調(diào)制模塊2調(diào)制后，形成放大的寬譜光脈沖信號，經(jīng)過環(huán)形器3耦合進(jìn)入布拉格光纖光柵傳感陣列4，反射回來的光脈沖信號進(jìn)入取樣模塊5，取樣模塊根據(jù)設(shè)定的相位差，以ns級速度控制第二 SOA高速光電開關(guān)打開和關(guān)斷，以及保持打開狀態(tài)的時(shí)間長度。當(dāng)SOA打開時(shí)，經(jīng)過的反射光脈沖被允許通過并獲得放大；反之，對反射脈沖阻止光信號通過。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)7根據(jù)反射光信號的強(qiáng)度判定是否存在布拉格反射，確定布拉格反射后再根據(jù)脈沖之間的相位差計(jì)算光纖光柵的位置；波長解調(diào)儀6對取樣信號進(jìn)行波長解調(diào)，檢測對應(yīng)光柵的波長偏移量，解調(diào)當(dāng)前光柵所在位置的被測物理量。實(shí)施例I對溫度進(jìn)行檢測，以N個(gè)全同布拉格光纖光柵(假定為N為100,光柵的布拉格波長1303. 3nm,反射率0. 25%，光柵相互之間間隔5m)構(gòu)成的時(shí)分復(fù)用傳感系統(tǒng)為例加以詳細(xì)說明。本發(fā)明中的超大容量時(shí)分光纖光柵傳感監(jiān)測方法是采用“準(zhǔn)分布式的光纖光柵傳感”技術(shù)來對100個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度進(jìn)行長期、穩(wěn)定的監(jiān)測，根據(jù)圖2中系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其具體實(shí)施步驟是I、確定溫度監(jiān)測點(diǎn)的位置及分布根據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場的具體情況，確定100個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位置，初步估計(jì)溫度值及其變化的趨勢，推算整個(gè)現(xiàn)場溫度分布的概況。2、選用武漢理工大學(xué)光纖中心在線刻寫的O. 25%反射率光纖光柵，光柵間距5m，布拉格中心波長1303. 3nm，在選定的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行依次布設(shè)。3、確定調(diào)制脈沖和采樣脈沖寬度，掃描速度，選擇匹配的波長解調(diào)儀。光柵 間距5m，為了防止相鄰光柵反射信號的串?dāng)_，依據(jù)上面的計(jì)算公式，調(diào)制脈沖和采樣脈沖寬度設(shè)定為20ns ;計(jì)算出傳感光纖長度5*100=500m，查詢最末端的光柵所需時(shí)間是500*4*2=4000ns，即單個(gè)光柵查詢時(shí)間最大為4us，目前F-P波長解調(diào)儀的速度約為1000Hz/s,可見查詢速度遠(yuǎn)高于解調(diào)速度，故整個(gè)傳感系統(tǒng)的速度取決于波長解調(diào)儀的工作速度。選擇掃描速度lOOOHz/s的F-P波長解調(diào)儀，100個(gè)光柵解調(diào)時(shí)間約為10ms，完全滿足一般系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。4、確定光纖光柵傳感溫度的系數(shù)K。依據(jù)光纖光柵在現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的固定方式(粘貼)、分布方式(外置、內(nèi)嵌)，選定系數(shù)K值，并在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置，以保證在數(shù)據(jù)處理中換算出各點(diǎn)溫度值的大小。5、現(xiàn)場整體狀態(tài)的確定系統(tǒng)初始化率定，上電后由計(jì)算機(jī)控制信號源按相位差間隔0. 1°進(jìn)行掃描，查詢“學(xué)習(xí)”100個(gè)光柵對應(yīng)的相位值并保存；依據(jù)監(jiān)測點(diǎn)溫度變化的大小，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行程序的運(yùn)算，確定現(xiàn)場整體分布的狀態(tài)，并對極限狀態(tài)產(chǎn)生報(bào)警信號和自動(dòng)調(diào)整控制信號。實(shí)施例2對應(yīng)變進(jìn)行檢測，以N組、每組包括M個(gè)不同波長(假定N=50，M=5,每組中波長分別為1296nm、1299nm、1302nm、1305nm、1308nm，反射率0. 25%，光柵相互之間間隔2m)的波分時(shí)分復(fù)用傳感系統(tǒng)為例加以詳細(xì)說明。本發(fā)明中的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感監(jiān)測方法是采用“準(zhǔn)分布式的光纖光柵傳感”技術(shù)來對250個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行長期、穩(wěn)定的監(jiān)測，根據(jù)圖3中系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其具體實(shí)施步驟如下I、確定應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)的位置及分布根據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場的具體情況，確定250個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位置，初步估計(jì)溫度值及其變化的趨勢，推算整個(gè)現(xiàn)場溫度分布的概況。2、選用武漢理工大學(xué)光纖中心刻寫的0. 25%反射率光纖光柵，光柵間距2m，布拉格中心波長依次為1296nm、1299nm、1302nm、1305nm、1308nm，在選定的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行依次布設(shè)。3、確定調(diào)制脈沖和采樣脈沖寬度，掃描速度，選擇匹配的波長解調(diào)儀。同波長光柵間距10m，為了防止相鄰光柵反射信號的串?dāng)_，且一次采集一組光柵的反射信號(即空間距離為8m)，依據(jù)上面的計(jì)算公式，調(diào)制脈沖20ns，采樣脈沖寬度設(shè)定為40ns ;傳感光纖長度5*250=1250m，查詢最末端的光柵所需時(shí)間是1250*4*2=10000ns，即單個(gè)光柵查詢時(shí)間最大為lOus，目前F-P波長解調(diào)儀的速度約為lOOOHz/s，可見查詢速度遠(yuǎn)高于解調(diào)速度，故整個(gè)傳感系統(tǒng)的速度取決于波長解調(diào)儀的工作速度。選擇掃描速度lOOOHz/s的F-P波長解調(diào)儀，采樣脈沖寬度為50ns，一次采樣5個(gè)不同波長的光柵反射信號，50組光柵解調(diào)時(shí)間約為5ms,完全滿足一般系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。4、確定光纖光柵傳感應(yīng)變的系數(shù)K。依據(jù)光纖光柵在現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的固定方式(粘貼)、分布方式(外置、內(nèi)嵌)，選定系數(shù)K值，并在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置，以保證在數(shù)據(jù)處理中換算出各點(diǎn)溫度值的大小。
5、現(xiàn)場整體狀態(tài)的確定系統(tǒng)初始化率定，上電后由計(jì)算機(jī)控制信號源按相位差間隔0. 1°進(jìn)行掃描，查詢“學(xué)習(xí)”50組光柵對應(yīng)的相位值并保存；依據(jù)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變變化的大小，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行程序的運(yùn)算，確定現(xiàn)場整體分布的狀態(tài)，并對極限狀態(tài)產(chǎn)生報(bào)警信號和自動(dòng)調(diào)整控制信號。
權(quán)利要求
1.一種超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的傳感系統(tǒng)由寬帶光源(I)、調(diào)制模塊(2)、環(huán)形器(3)、布拉格光纖光柵傳感陣列(4)、取樣模塊(5)、波長解調(diào)儀(6)和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(7)組成；寬帶光源(I)提供寬譜的連續(xù)光功率信號；寬帶光源(I)連接調(diào)制模塊(2 )，調(diào)制模塊(2 )輸出的光信號通過環(huán)形器(3 )耦合進(jìn)布拉格光纖光柵傳感陣列(4);環(huán)形器(3)的另一個(gè)端口接取樣模塊(5);取樣模塊(5)連接波長解調(diào)儀(6)，波長解調(diào)儀(6)用導(dǎo)線與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(7)連接； 其中，所述的調(diào)制模塊由第一 SOA高速光電開關(guān)(8)和信號發(fā)生器(9)構(gòu)成,對光源信號進(jìn)行調(diào)制并放大，調(diào)制輸出的光脈沖寬度小于20ns ； 所述的取樣模塊由第二 SOA高速光電開光(10)和信號發(fā)生器(9)構(gòu)成，以ns級開關(guān)速度對反射回來的光脈沖在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行選擇，并對允許通過的光信號進(jìn)行放大； 所述的布拉格光纖光柵傳感陣列(4)由多個(gè)低反射率的光纖光柵構(gòu)成，其中心波長相同或者不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于信號發(fā)生器(9)的兩個(gè)輸出端口分別與第一 SOA高速光電開光(8)、第二 SOA高速光電開光(10)連接；信號發(fā)生器(9)的控制端口和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(7)之間用導(dǎo)線連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)的查詢方法，其特征在于信號發(fā)生器(9)產(chǎn)生兩路稱合的脈沖信號,第一路輸出給第一 SOA高速光電開關(guān)(8)，第二路輸出給第二 SOA高速光電開關(guān)(10)，通過調(diào)節(jié)第二路脈沖信號對第一路脈沖信號的相位差，使取樣模塊分段采集光纖上不同位置的光強(qiáng)反射信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)的查詢方法，其特征在于通過調(diào)節(jié)第二路脈沖信號高電平的寬度，控制第二 SOA高速光電開關(guān)打開的時(shí)間，調(diào)節(jié)取樣模塊采集光纖上反射區(qū)域的長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)的查詢方法，其特征在于通過在光纖的不同位置布置全同光柵構(gòu)建時(shí)分光纖光柵傳感系統(tǒng)；通過在光纖的不同位置分組布置不同反射波長的光柵構(gòu)建時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)，擴(kuò)大傳感系統(tǒng)容量。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)的查詢方法，其特征在于通過調(diào)節(jié)第一 SOA高速光電開關(guān)(8)或第二 SOA高速光電開關(guān)(10)的開關(guān)增益，減小對光纖光柵反射率的要求，增加光纖光柵傳感陣列的個(gè)數(shù)，擴(kuò)大傳感系統(tǒng)的容量。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)的查詢方法，其特征在于系統(tǒng)根據(jù)預(yù)掃描獲得光柵對應(yīng)的相位信息，跳過無光柵區(qū)域，直接快速查詢對應(yīng)光柵，獲取各個(gè)光柵的反射信號，波長解調(diào)儀(6 )對取樣信號進(jìn)行波長解調(diào)，檢測對應(yīng)光柵的波長偏移量，實(shí)現(xiàn)快速測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超大容量時(shí)分波分光纖光柵傳感系統(tǒng)及其查詢方法。該系統(tǒng)，由寬帶光源、調(diào)制模塊、環(huán)形器、布拉格光纖光柵傳感陣列、取樣模塊、波長解調(diào)儀和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)組成；調(diào)制模塊和取樣模塊各包括一個(gè)SOA高速光電開關(guān)，并受同一信號發(fā)生器的不同通道驅(qū)動(dòng)，兩路驅(qū)動(dòng)脈沖之間存在相位差。布拉格光纖光柵傳感陣列可以由全同光纖光柵或多波長光纖光柵構(gòu)成。本發(fā)明通過采用時(shí)分復(fù)用和波分復(fù)用相結(jié)合的技術(shù)可以在一根光纖上刻寫幾萬個(gè)光柵，具備系統(tǒng)容量大、響應(yīng)速度快、擴(kuò)展性好、靈活性高、穩(wěn)定性好、成本低等特點(diǎn)，并可進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)同時(shí)測量，能很好的滿足物聯(lián)網(wǎng)對信息容量的需求。
文檔編號G01D5/36GK102901525SQ201210390000
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者姜德生, 羅志會(huì), 文泓橋, 郭會(huì)勇 申請人:武漢理工大學(xué)