[發明專利]基于波分復用多通道輸出時域地址查詢技術的光纖光柵傳感方法及系統

有效

• 申請號: 201110326745.3
• 申請日: 2011-10-25
• 公開（公告）號: CN102519502A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 余有龍;劉春曉;王浩;王雪微;洪俊
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01D5/36
• 分類號: G01D5/36
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及光纖光柵傳感器網絡化技術，通過對傳感元地址的查詢和傳感信號的解調，實現準分布式傳感。可用于智能結構、工程結構健康監測以及災害預警等領域。

背景技術

利用某種手段使得光纖的物理結構沿軸向呈規律性分布，用來改變光在其中傳播的行徑，這樣的一種光子學器件被稱為光纖光柵(Fiber?Bragg?grating?(FBG))。它首先由Hill于1978年在摻鍺二氧化硅光纖中研制成功。常見的光纖光柵為紫外側寫而成的，對布喇格波長的光波呈帶阻濾波特性，即布喇格波長的光波由于衍射而沿原路返回(稱此現象為布喇格反射)，其它波長則無阻擋通過。觀測布喇格波長的變化，可以對直接引起波長漂移的物理量──溫度、應變以及徑向壓力進行監測，其它物理量可借助某種裝置轉化為作用于光柵的上述物理量，而被其感知，這便是光纖光柵傳感。

光纖光柵傳感器的信息對波長編碼，決定了該類傳感器的傳感結果不受系統整體光強和光路損耗的影響；介電性決定傳感結果免受電磁場干擾和潮濕環境的影響；本征性決定該器件不妨礙光纖間連接，即便在同一節點也可寫入不同規格的多個光柵。另外，傳感精度高、損耗低、可靠性強、易于復用構成網絡，既便弱信號也可長距離傳輸并進行處理；用在特殊場合(如煤氣旁、礦井、油田以及油罐周圍)可對待測量進行安全地監測；傳感回路易于植入或附著在結構表面，能夠實時提供應變、溫度以及結構完整性方面的信息。

光纖光柵傳感器雖有許多優點，但單一傳感元裝置因性能價格比不占優勢而難以推廣。在同一根光纖上級聯多個光柵，不同根光纖之間以適當方式連接起來，并結合適當的信號處理技術，形成光纖光柵傳感網絡，才能突顯優點，也是其它類傳感器無法取代的，所以在研究光纖光柵傳感器的同時總希望能在同一根光纖上復用并查詢盡量多的傳感元。由于光纖光柵傳感元具節點(Point)特征，因此其構成的傳感網絡具備準分布式傳感特點。

光纖光柵傳感網絡實用化必然要解決地址查詢和信號解調技術，實際上前者涉及傳感器地址定位，后者涉及從傳感光柵提供的波長漂移信號中提取待測信息。

已有的解調方式主要有濾波法、干涉法和色散法，干涉法雖然可獲得最高的分辨率，但它較適合于動態參數的觀測，而不適合靜態量測量，色散法會引入很大的插入損耗。

對于級聯著的光柵串，系統將其光源的波長資源在傳感元間進行分配，并要求各傳感元的工作波長不出現交疊，這便是波分復用(Wavelength-division?multiplexing?(WDM))信號處理技術。現有的波分復用傳感系統均借助濾波器，通過波長濾波達到尋址目的，并根據不同時刻同一傳感元峰值位置的移動量判斷待測量的變化，實現傳感信號的解調。但這樣的系統在同一時刻只能觀測一個傳感元處待測量，不具備實時監測能力。

一種被稱為時域地址查詢(Time-domain?addressing?(TDA))的技術，它利用光在光柵串中傳播時，各傳感元的反射脈沖信號在時序分布上的差異，識別傳感地址。已有的時域地址查詢技術均通過引入延時光纖，避免來自各傳感元的光脈沖在時域中可能出現的重疊，而對傳感光柵間并無波長間隔要求。

1.55微米通信窗口常用砷化鎵銦(InGaAs)作為光電二極管的光敏材料，PIN型光電二極管的帶寬為30?KHz~1?GHz，上升沿時間為~1?nm。用其進行光電轉換時，一般要求相鄰脈沖間隔在50?ps以上。光在石英光纖中傳輸1?m所需時間為5?ps，往返傳輸，相鄰傳感元間只有接入5?m以上的延時光纖，才能確保反射光脈沖間呈分立狀態。

本申請發明人曾在“高分辨率單信道輸出的光纖光柵傳感系統時域地址查詢技術”，(光學學報，Jul.2001,21(7):874-877)中公開了一種單通道輸出時域地址查詢技術，但其不具備實時監測能力，且要求相鄰傳感元間接入等延時量的光纖；在“具有實時監測能力的光纖光柵傳感系統時域地址查詢技術”(光學學報,?Jul.2005,25(7):865-868)一文中公開了通過延時控制實現多信道輸出的時域地址查詢技術；擁有的發明專利“基于CPLD的時分復用光纖光柵傳感測試系統”(ZL200610009939X)所介紹的系統雖具實時監測能力，但仍擺脫不了對延時光纖的需求。

延時光纖的接入不利傳感網絡的鋪設，削弱其實用性。

發明內容

為避免現有技術存在的不足，本發明提供一種基于波分復用多通道輸出時域地址查詢技術的光纖光柵傳感系統。所述系統不僅具備實時監測能力，還擺脫了已有技術對延時光纖的依賴，為小結構智能化提供新的技術途徑。