[发明专利]超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法。

背景技术

光纤传感器具有防火防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等特性，具有比其它传感器更加广阔的应用范围。近年来，随着半导体光电子技术的不断发展，光纤传感器的研究和应用备受关注。现存的大容量分布式光纤传感技术主要采用光时域反射技术（OTDR），包括利用拉曼散射（专利号01124438.0“分布式光纤温度传感器系统”）、布里渊散射、瑞利散射等不同的方法。基于OTDR技术的光纤传感系统虽然适合分布式测量，但是光纤散射光信号十分微弱，例如拉曼散射的光信号约为入射光的亿分之一，这样弱的光信号使得信号的检测和处理变得很困难，需要对测量数据多次平均来提高测量精度，信号处理非常复杂，实时性差，系统造价昂贵，在很多领域的应用受到限制。

光纤光栅传感技术采用数字式测量技术，除了具备光纤传感器的一般有优点外，还具有精确度高、稳定性好、不易受外界各种因素的干扰等特点。常规的光栅传感系统多采用波分复用方式，不同的光栅之间，其布拉格中心波长必须留有足够的间隔，不同点的光纤光栅布拉格波长间隔一般为2nm；由于光源带宽通常只有40nm左右，因此，该系统中能够复用的探头数量非常有限，远远不能满足实际的要求。编码光纤光栅（专利号200310111529.2“大容量编码式光纤光栅传感监测系统”）、分组光纤光栅等技术被用于扩大传感系统的容量，由于需要在同一位置刻写多组光栅，或对光栅波长及位置有严格要求，采用上述方法构建的传感系统结构复杂，对系统容量的扩展有限，且易受环境影响，在应用中受到诸多限制。近年来，基于时分复用的查询技术重新进入人们的研究视野，传统方法中大多采用直接调制光源（专利号201110031508.4“基于时分复用和匹配光纤光栅技术的准分布式传感网络”）来获取光脉冲，但大多数光源自身的结电容大，直接调制特性差（例如SLED直接调制脉宽50ns以上），加上用电延时技术来控制和选择ns级的光脉冲（专利号201110326745.3“基于波分复用多通道输出时域地址查询技术的光纤光栅传感方法及系统”），并同时检测多个光栅反射的光脉冲串，时域分辨能力差，脉冲之间串扰严重。高速电路在ns级时间内既要完成反射信号分离，又要进行信息处理，现有电路技术实现困难，系统复杂且实时性能差，造价昂贵，未见相关应用的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种超大容量时分波分光纤光栅传感系统及其查询方法。该发明的系统显著扩展光纤光栅传感系统的容量，提升查询速度和系统的灵活性，稳定性好。

本发明解决上述技术问题所采用的方案如下:一种超大容量时分波分光纤光栅传感系统，由宽带光源、调制模块、环形器、布拉格光纤光栅传感阵列、取样模块、波长解调仪和数据处理计算机组成；所述的宽带光源提供宽谱的连续光功率信号；宽带光源连接调制模块，调制模块输出的光信号通过环形器耦合进布拉格光纤光栅传感阵列；所述的环形器的另一个端口接取样模块；取样模块连接波长解调仪，波长解调仪用导线与数据处理计算机连接；

其中，所述的调制模块由第一SOA高速光电开关和信号发生器构成，对光源信号进行调制并放大，调制输出的光脉冲宽度小于20ns；

所述的取样模块由第二SOA高速光电开光和信号发生器构成，以ns级开关速度对反射回来的光脉冲在时域内进行选择，并对允许通过的光信号进行放大；

所述的布拉格光纤光栅传感阵列由多个低反射率（如小于1%）的光纤光栅构成，其中心波长相同或者不同。

所述的信号发生器的两个输出端口分别与第一SOA高速光电开光、第二SOA高速光电开光连接；信号发生器的控制端口和数据处理计算机之间用导线连接。

所述的信号发生器产生两路耦合的脉冲信号，第一路输出给第一SOA高速光电开关，第二路输出给第二SOA高速光电开关，通过调节第二路脉冲信号对第一路脉冲信号的相位差，使取样模块分段采集光纤上不同位置的光强反射信号。

所述的通过调节第二路脉冲信号高电平的宽度，控制第二SOA高速光电开关打开的时间，调节取样模块采集光纤上反射区域的长度。

本发明的超大容量时分波分光纤光栅传感系统的查询方法，通过在光纤的不同位置布置全同光栅构建时分光纤光栅传感系统；通过在光纤的不同位置分组布置不同反射波长的光栅构建时分波分光纤光栅传感系统，扩大传感系统容量。