基於光放大中繼的超大容量光纖光柵傳感系統的製作方法與工藝

2023-05-25 19:38:12 1

本發明屬於光纖光柵傳感技術領域，涉及一種超大容量（光纖光柵復用數量10000左右）的時分光纖光柵傳感系統，具體地指一種基於光放大中繼的超大容量光纖光柵傳感系統。

背景技術：
隨著光纖光柵傳感應用規模不斷擴展、傳感需求多樣化，光纖光柵傳感技術正朝著高性能、集約化和網絡化的方向持續發展；隨著物聯網技術的推廣和深入發展，尋求新一代大容量、長距離光纖光柵傳感器網絡已成為信息獲取技術的重大課題。常規光纖光柵傳感系統多採用波分復用方式，受光源帶寬限制，該方法復用的光纖光柵數量有限，遠遠不能滿足大容量要求。最近，武漢理工大學光纖傳感技術中心申請了基於時分復用能力強的弱反射率光纖光柵構建大容量傳感系統的發明專利（公開號為CN10290525A，名稱為「超大容量時分波分光纖光柵傳感系統及其查詢方法」）。由於時分復用方法基於不同位置光纖光柵的反射光到達探測器的時間不同進行信號解調，所以同一波長上能復用多個光纖光柵；隨著光纖光柵反射率的降低，同一波長上光纖光柵的復用數量會成倍增加，從而實現光纖光柵傳感系統的大復用量，再結合多個不同中心波長的全同弱反射光纖光柵陣列即可實現超大容量光纖光柵傳感系統。然而，基於時分復用的方法一方面存在上遊光纖光柵插入損耗影響（陰影效應）的問題，使下遊光纖光柵的反射信號強度減弱、反射譜形退化，導致下遊光纖光柵的波長難以準確解調。另一方面，同波長的光纖光柵間因多次反射會出現信號串擾的情況；並且，隨著光纖光柵復用數量的增加，這種信號串擾現象會增強，一定程度上會導致檢測信號的失真。參考文獻[1]（YunmiaoWang，JianminGong，BoDong，DorothyY.Wang，TylerJ.Shillig，andAnboWang，SeniorMember，IEEE.ALargeSerialTime-DivisionMultiplexedFiberBraggGratingSensorNetwork.JournalofLightwaveTechnology，30(17):2751-2756(2012)）雖然報導了，在光纖光柵反射率低於-40dB的條件下，復用容量1000的光纖光柵陣列中陰影效應以及信號串擾可不用考慮，但1000的光纖光柵復用數量無法滿足超大容量傳感的需求。上述公開號為CN10290525A的中國發明專利申請藉助兩個SOA的高速開關及光放大特性，通過控制兩個SOA的開關時延鎖定光纖光柵陣列中的某光纖光柵對其反射信號進行採集，並通過掃描各光纖光柵的時延實現光纖光柵陣列的信號解調。該系統結構簡單，實施成本低；同時因能夠避免大量非光纖光柵處冗餘數據的採集及處理，提高了系統的解調速度。在提高系統信噪比方面，其雙開關時延掃描解調方法採用了多脈衝入射技術，即通過對同一光纖光 柵的多個反射脈衝進行信號累積來增強信噪比。然而，多脈衝入射技術易造成其它光纖光柵的反射脈衝錯誤地記入被解調的光纖光柵。為避免上述情況發生，該發明專利申請採用了限制多脈衝入射頻率的方法，即第一個入射光脈衝的所有光纖光柵反射信號在行程上到達取樣光開關後再發送第二個入射光脈衝。雖然此方法能有效避免上述信號串擾情況的發生，但多脈衝入射頻率卻受到了光纖光柵陣列復用容量、傳感距離的制約；隨著光纖光柵陣列復用容量增加、傳感距離延長，勢必導致多脈衝入射頻率的顯著降低（即SOA的調製頻率降低），進而引起信噪比降低。另外，公開號為CN10290525A的中國發明專利申請採用多個不同中心波長的全同光纖光柵陣列復用來實現超大容量光纖光柵傳感系統。考慮到給予每個波長工作帶寬，則需要帶寬較寬的光源。然而，隨著光源帶寬變寬，光開關SOA的功率增益特性隨之變差，將較難對反射率小於1％的光纖光柵的弱信號理想放大；而且，對於大容量、長距離的光信號傳輸而言，光纖本身的傳輸損耗對光信號的衰減作用也凸顯出來。

技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題就是提供一種基於光放大中繼的超大容量光纖光柵傳感系統，能夠克服現有時分復用的光纖光柵傳感系統中陰影效應及信號串擾對光纖光柵陣列信號解調造成的不良影響，並滿足光纖光柵傳感網絡對大容量、長距離檢測的要求。為解決上述技術問題，本發明提供的一種基於光放大中繼的超大容量光纖光柵傳感系統，包括SLED光源、脈衝發生器、調製光開關、光纖環形器、超大容量光纖光柵陣列、取樣光開關、解調儀和計算機；所述SLED光源依次經調製光開關和光纖環形器與超大容量光纖光柵陣列相連，其特徵在於：所述超大容量光纖光柵陣列由多個中等容量光纖光柵陣列構成，相鄰中等容量光纖光柵陣列之間依次設有：光放大器，用於對其上遊中等容量光纖光柵陣列的透射光脈衝實現功率放大及整形，使功率密度分布恢復到初始入射光脈衝的功率密度分布；以及光纖環形器，用於將各中等容量光纖光柵陣列相互隔離，在保證入射光脈衝在超大容量光纖光柵陣列中傳播的同時，實現各中等容量光纖光柵陣列反射信號的相互隔離，將陰影效應及信號串擾限制在中等容量光纖光柵陣列內；各光纖環形器的另一輸出端通過合波器與所述解調儀連接，解調儀的信號輸出端與計算機連接。上述技術方案中，所述各光纖環形器的另一輸出端通過合波器與一個取樣光開關連接，取樣光開關的輸出端依次連有解調儀、計算機；所述脈衝發生器為雙通道脈衝發生器，雙通 道脈衝發生器與計算機雙向互聯，其兩個輸出端分別與調製光開關和取樣光開關連接。上述技術方案中，所述各光纖環形器的另一輸出端分別通過取樣光開關與一臺合波器連接，合波器的輸出端依次連有解調儀、計算機；所述脈衝發生器為多通道脈衝發生器，多通道脈衝發生器與計算機雙向互聯，其多個輸出端分別與調製光開關和各取樣光開關連接。上述技術方案中，所述各光纖環形器的另一輸出端通過兩個以上合波器與一個取樣光開關連接，每相鄰兩個光纖環形器接入不同合波器；兩個以上合波器的輸出端通過磁光開關與一個取樣光開關連接，取樣光開關的輸出端依次連有解調儀、計算機；所述脈衝發生器為多通道脈衝發生器，多通道脈衝發生器與計算機雙向互聯，其多個輸出端分別與調製光開關、磁光開關和取樣光開關連接。上述技術方案中，所述中等容量光纖光柵陣列的光纖光柵復用量為500～1000個。上述技術方案中，所述光放大器為拉曼光纖雷射放大器或者布裡淵光纖雷射放大器，以避免光放大器中常用的EDFA，其自發輻射噪聲對後端解調信噪比的不利影響。上述技術方案中，所述超大容量光纖光柵陣列由同一波長的光纖光柵構成，或者由多個波長不同的中等容量光纖光柵陣列構成，相鄰中等容量光纖光柵陣列中光纖光柵的波長間隔為0.2～0.5nm。本發明藉助了公開號為CN10290525A的中國發明專利申請的部分技術思想，通過雙開關時延掃描實現對光纖光柵信號的採集解調，並針對其單一大容量全同光柵陣列中突出的陰影效應及信號串擾問題，以及多脈衝入射技術難以在大容量、長傳感距離的光纖光柵陣列中實施的技術難點，提出了該基於光放大中繼的超大容量光纖光柵傳感系統，與現有技術相比，本發明的有益效果在於：1）藉助光放大器的功率放大功能，將經過上遊中等容量光纖光柵陣列的透射光脈衝功率恢復到初始入射狀態，有效克服了單一大容量全同光柵陣列中的陰影效應以及長距離光纖傳輸損耗對光信號的衰減作用，為下遊中等容量光纖光柵陣列的信號解調提供了功率保障；2）由於經光放大器的透射光脈衝恢復至初始入射狀態，下遊中等容量光纖光柵陣列可以繼續採用與上遊中等容量光纖光柵陣列相同的波長，為光纖光柵陣列的製備提供了方便；3）由於超大容量光纖光柵陣列可以由同一波長的光纖光柵構成，系統光源的帶寬能夠控制在較窄範圍內，以充分發揮SOA對窄帶光功率增益的特性；同時，窄帶寬能有效減少後端信號解調的數據處理量，在一定程度上提高了系統解調速度；4）由於採用光纖環形器將超大容量光纖光柵傳感陣列分隔成了多個中等容量、傳感距離適中的光纖光柵陣列，多級反射造成的信號串擾被限制在中等容量光纖光柵陣列中，有效降 低了光纖光柵傳感網絡的信號串擾程度；5）超大容量光纖光柵傳感陣列被分隔成多個中等容量、傳感距離適中的光纖光柵陣列，能有效保障多脈衝入射具有理想的脈衝調製頻率，從而使各光纖光柵的解調具有好的信噪比。附圖說明圖1為本發明中光放大中繼部分的結構暨工作原理示意圖；圖2為本發明實施例1的系統結構暨工作原理示意圖；圖3為本發明實施例2的系統結構暨工作原理示意圖；圖4為本發明實施例3的系統結構暨工作原理示意圖；圖中：1—入射光脈衝，2—光纖環形器，3—中等容量光纖光柵陣列，4—透射光脈衝，5—光放大器，6—放大整形後的光脈衝，7—光纖光柵陣列反射脈衝串，8—調製光開關，9—取樣光開關，10—合波器，11—解調儀，12—SLED光源，13—調製光開關與取樣光開關之間的時延，14—雙通道脈衝發生器，15—多通道脈衝發生器，16—磁光開關。具體實施方式以下結合附圖對本發明的具體實施例作進一步的詳細描述：本發明中光放大中繼部分如圖1所示，初始入射光脈衝1經光纖環形器2進入由n個同波長光纖光柵（G11，G21，….，Gn1）構成的中等容量光纖光柵陣列3中，入射光脈衝1被每個光纖光柵反射掉部分光後，光脈衝在繼續向前傳播的過程中強度逐漸減弱。由於光纖光柵反射譜在不同波長處的反射率不同，所以光脈衝經過中等容量光纖光柵陣列3後不僅其整體強度減弱，而且在光纖光柵Bragg波長處的強度減少最大，從而導致光脈衝經過中等容量光纖光柵陣列3後，其功率分布呈現中心波長處弱、兩側強的透射光脈衝4。若以該功率密度分布的透射光脈衝4繼續作為下遊中等容量光纖光柵陣列3的入射光，將會導致光纖光柵反射譜形退化，光纖光柵的波長難以準確解調；另外，透射光脈衝4整體強度的下降會導致下遊中等容量光纖光柵陣列3的反射信號強度減弱，從而對後端檢測單元的靈敏度、動態範圍等提出很高要求。因此，本發明提出了基於光放大器5的中繼方式實現對透射光脈衝4的功率放大及整形，使其恢復到具有初始入射光脈衝1功率密度分布的光脈衝，即圖1中放大整形後的光脈衝6，以實現對後續中等容量光纖光柵陣列3的理想檢測。入射光脈衝1經過每一光纖光柵時，部分光被光纖光柵反射並沿途返回，形成的光纖光柵陣列反射脈衝串7經光纖環形器2的第三埠進入後端檢測單元；反射光在返程中同樣受到光纖光柵的反射，形成多次反射，會造成基於同波長光纖光柵陣列的時分復用中因多次反射引起的信號串擾；隨著光纖光柵復用數量的增加，該信號串擾也會增加，在陰影效應的共 同作用下會導致檢測信號失真。出於將該信號串擾及陰影效應控制在允許範圍內的角度考慮，藉助光纖環形器2入射、反射光路不同的特點將超大容量光纖光柵陣列分割成多個中等容量光纖光柵陣列3，從而將多次反射現象限制在中等容量光纖光柵陣列3中，通過減小光柵陣列的復用基數實現信號串擾的減弱。如圖2至圖4所示，本發明的基於光放大中繼的超大容量光纖光柵傳感系統，包括SLED光源12、脈衝發生器、調製光開關8、光纖環形器2、超大容量光纖光柵陣列、取樣光開關9、解調儀11和計算機。SLED光源12依次經調製光開關8和光纖環形器2與超大容量光纖光柵陣列相連，超大容量光纖光柵陣列由多個中等容量光纖光柵陣列3構成，相鄰中等容量光纖光柵陣列3之間依次設有光放大器5以及光纖環形器2。各光纖環形器2的另一輸出端通過合波器10與解調儀11連接，解調儀11的信號輸出端與計算機連接。下面以光纖光柵復用數量為10000的超大容量傳感系統為例進行說明，該超大容量傳感系統被分成十個中等容量光纖光柵陣列3，每一中等容量光纖光柵陣列3的光纖光柵復用量為1000個。實施例1如圖2所示，圖中超大容量光纖光柵陣列的光纖光柵編碼n=1000，m=10。系統構成中通過九個光放大器5對經過上遊中等容量光纖光柵陣列3的透射光脈衝4進行功率放大整形，使放大整形後的光脈衝6與初始入射光脈衝1有相同的功率密度分布；並通過十個光纖環形器2將十個復用容量1000的中等容量光纖光柵陣列3相互隔離。每一光纖光柵陣列反射脈衝串7經過其對應的光纖環形器2的第三埠進入合波器10，並從合波器10輸出端進入取樣光開關9；通過雙通道脈衝發生器14對調製光開關與取樣光開關的時延13掃描實現不同位置光纖光柵的反射脈衝進入解調儀11，從而實現光纖光柵傳感系統的波長解調。利用雙光開關時延掃描實現光纖光柵陣列信號解調的詳細介紹與公開號為CN10290525A的中國發明專利申請相應內容相同，這裡不再重複描述。假定光纖光柵陣列的Bragg波長為1550nm，反射率為0.05%，光纖光柵相互間隔3m，光纖傳輸損耗為0.5dB/km。根據參考文獻[1]中光纖光柵反射功率公式Ii(λ)=(1-R(λ))2(i-1)R(λ)I0(λ)可以推導出經過光纖光柵陣列後的光透射功率公式Ii(λ)=(1-R(λ))(2i-1)I0(λ)，從而可以計算出入射光脈衝1經過1000個反射率0.05％的光纖光柵後，陰影效應導致透射光脈衝4在Bragg波長1550nm處的功率衰減了4.4dB左右，而光纖傳輸雙程損耗導致的功率衰減約3dB，入射光脈衝1經過上述中等容量光纖光柵陣列3後 的功率衰減總和為7.4dB(在1550nm處)。通常，後端解調單元的動態檢測範圍在10dB左右，因此經過上遊中等容量光纖光柵陣列3的透射光脈衝4無法繼續作為下遊中等容量光纖光柵陣列3的入射光脈衝1進行信號檢測，而必須對其進行功率放大，並對其功率分布進行濾波整形，使其恢復到初始入射光脈衝1的功率密度分布，以便實現對下遊中等容量光纖光柵陣列3的正常檢測。根據參考文獻[1]中的信號串擾公式：Ci(λ)=(i-1)(i-2)R3(λ)(1-R(λ))(2i-4)I0(λ)/2可以計算出第1000個光纖光柵在Bragg波長1550nm處受到的多級反射信號串擾的功率約為光脈衝功率I0(λ)的0.0023％左右；而根據參考文獻[1]中的光柵反射功率公式：Ii(λ)=(1-R(λ))2(i-1)R(λ)I0(λ)可以計算出第1000個光纖光柵在Bragg波長處的反射功率約為光脈衝功率I0(λ)的0.0184％左右。第1000個光纖光柵在Bragg波長處因信號串擾引起的虛假信號功率佔到真實信號的12.5％左右。顯然，若光纖光柵陣列復用數量加大，在陰影效應的共同作用下，多級反射引起的虛假信號佔真實信號的比例會顯著增加。採用多脈衝入射技術增強光纖光柵解調的信噪比需避免陣列中其它光纖光柵的反射脈衝錯誤地記入被解調光柵，參考文獻[2]（ZhihuiLuo，HongqiaoWen，XiaofuLiandHuiyongGuo.Onlinereflectivitymeasurementofanultra-weakfiberBragggratingarray.MeasurementScienceandTechnology,24(2013)105102(5pp)）採用的方法是第一個入射光脈衝的光纖光柵陣列的所有反射信號返程達到取樣光開關後再發送第二個光脈衝。顯然，調製光開關8和取樣光開關9的工作頻率受中等容量光纖光柵陣列3的復用量和傳感距離限制。以復用量1000、光柵間隔3m，纖芯折射率1.5的光纖光柵陣列為例。相對於第一個光纖光柵，第1000個光纖光柵的反射信號到達取樣光開關9所需時間t約為2Ln/c=2×3000×1.5/(3×108)，即30μs，則入射光脈衝1的調製周期需大於30μs。因此，調製光開關8和取樣光開關9的最大工作頻率可以設定為32kHz；若光纖光柵陣列復用量增至2000，其它參數不變，則入射光脈衝1的調製周期要大於60μs，調製光開關8和取樣光開關9的最大工作頻率只能設定為16kHz，相對於復用量1000的光纖光柵陣列，光開關的調製頻率減小了一半，顯然，後端信號解調的信噪比將降低。綜上所述，本發明基於光放大中繼的超大容量、長距離光纖光柵傳感系統在克服光柵陰影效應、多級反射串擾以及保證信號信噪比等方面是對以公開號為CN10290525A的中國發明專利申請為代表的現有技術的完善和創新。實施例2實施例1中採用兩個光開關8、9實現系統所有光纖光柵的信號解調，雖然對於單個中等容量光纖光柵陣列3而言，光纖光柵間的陰影效應和信號串擾因光纖光柵陣列復用量變小被大大減弱，但由於所有中等容量光纖光柵陣列3的反射信號會通過合波器10匯合進入取樣光開關9，所以多級反射一定程度上還是會引起中等容量光纖光柵陣列3之間的信號串擾。為避免此情況的發生，本實施例採用每個中等容量光纖光柵陣列3配備一個取樣光開關9的方式，完全實現了不同時延條件下對對應的光纖光柵進行信號採集解調，如圖3所示。通過多通道脈衝發生器15產生多路脈衝信號源S1，S2，…..，S11。當調製光開關與取樣光開關之間的時延13與某個中等容量光纖光柵陣列3匹配時，將驅動對應的取樣光開關9開始工作，該陣列的光纖光柵反射信號允許進入合波器10，其它取樣光開關9處於關停狀態，對應的中等容量光纖光柵陣列3的反射信號被禁止進入波合器10，從而避免了多路光纖光柵陣列的反射信號同時進入合波器10，有效避免了中等容量光纖光柵陣列3間的信號串擾。實施例3實施例2中過多的取樣光開關9會導致系統實施成本增加，結構複雜。為避免該情況發生，同時也能較好地避免中等容量光纖光柵陣列3間的信號串擾，考慮到中等容量光纖光柵陣列3間的信號串擾主要存在於相鄰中等容量光纖光柵陣列3之間，以及中等容量光纖光柵陣列3間的信號採集切換頻率相對較低，本實施例採用磁光開關16實現單個中等容量光纖光柵陣列3或相互間隔的中等容量光纖光柵陣列3的反射信號快速切換進入取樣光開關9，從而達到簡化系統的目的，如圖4所示。本發明的核心在於將超大容量光纖光柵陣列分割成多個中等容量光纖光柵陣列3，並依次用光放大器5和光纖環形器2隔離，顯著減小了現有時分復用的光纖光柵傳感系統中陰影效應及信號串擾等對光纖光柵陣列信號解調造成的不良影響，並滿足光纖光柵傳感網絡對大容量、長距離檢測的要求。所以，其保護範圍並不限於上述實施例。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變形而不脫離本發明的範圍和精神，例如：中等容量光纖光柵陣列3的光纖光柵復用量不限於實施例中的1000個，根據超大容量光纖光柵傳感系統的規模，其復用量可在500～1000內調整；實施例3情形下，合波器10的數量也不限於兩個，還可以是更多，只要確保相鄰兩個光纖環形器2接入不同合波器10即可等。倘若這些改動和變形屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍內，則本發明也意圖包含這些改動和變形在內。