[发明专利]基于光码分多址技术的光纤光栅轨道传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及在轨道交通(铁路交通、城市地铁交通、轻轨交通、矿山轨道交通)中使用光码分多址技术(OCDMA)的光纤光栅传感系统来实现对轨道温度、压力或应变信息的监测。

背景技术

光纤光栅(或称光纤布喇格光栅，Fiber Bragg Grating-FBG)是目前传感领域研究和应用的一大热点。与常规传感技术相比，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性能，越来越受到特殊场合或恶劣环境应用的青睐。光纤光栅传感器已经广泛应用在土木工程(桥梁、矿井、隧道、大坝和建筑物等)、航空航天、海洋、医学、电力、石油化工等领域，相关技术越来越成熟。光纤光栅特别适合在恶劣的轨道交通环境中实现对多个物理量的准分布式测量。

光纤光栅的传感信息采用波长编码，如何分辨出准分布式光纤光栅传感系统中光栅的位置和检查光栅中心反射波长的移动，即传感光纤光栅阵列中光栅的复用及解调技术是当前研究的热点。工程应用中也迫切需要一种简便易行的大容量光纤光栅复用及解调技术。目前最基本的准分布式光纤传感系统采用波分复用(WDM)的复用方式结合波长扫描的解调技术来实现对多个光纤光栅的解调。波分复用传感网络中复用光纤光栅的数量，主要取决于光源的光谱宽度和待测物理量的动态范围。一般各光纤光栅间的中心波长间隔应该不小于3nm，而光源光谱带宽为30-80nm。波分复用方式一般采用串联网络结构，网络中的光纤光栅分别位于不同的波长间隔中，各光栅的带宽互不重叠，不会出现串音现象，系统的信噪比很高，光源功率的利用效率也很高。单独采用波分复用方式能够复用的光栅数量仍然有限(一般为16个光栅左右)，在准分布式测量中需要对数十乃至数百个传感点进行监测，实际使用中往往将空分复用(SDM)和波分复用(WDM)相结合就构成了SDM/WDM混合的光栅网络，采用星形网络拓扑，若干个波分复用(WDM)网络通过光开关连接起来，采用轮询的方式分别对每个WDM网络中的光栅进行波长解调。SDM/WDM混合网络中可以服用光栅的数量理论上没有限制，与并联的WDM网络数量成正比。而且可以避免一条光纤断裂造成整个网络瘫痪。但是整个系统的解调速度会随着并联WDM网络的增加而降低(F.Ye，L.Qian，Y.Liu，and B.Qi，“Using Frequency-Shifted Interferometer for Multiplexing a Fiber BraggGrating Array”，IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.20，no.17，pp.1488-1490，2008)。除此之外，常见的光栅复用技术还有：(1)副载波频分复用技术：使用带通滤波器来区分被不同调制频率副载波调制的光栅(P.K.C.Chan，et al，“Switched FDM operation of fiber Bragggrating sensors using subcarrier intensity modulation”，SPIE，1998，3330：237)，该方法可复用的光栅数量理论上不受限制，信噪比也很高，但系统的利用率随复用数量的增加而降低，解调速率也随之下降；(2)光频域反射复用技术：对光源进行频率按三角形线性变化的强度调制，将光栅反射光光电转换后的新后与原始的三角波信号相乘产生拍频信号，利用拍频的差异来区别不同位置处的光栅(P.K.C.Chan，W.Jin，J.M.Gong，and M.S.Demean，“Multiplexing of fiberBragg grating sensors using an FMCW technique”，IEEE PhotonicsTechnol.Lett.，vol.11，pp.1470-1472，Nov.1999)；(3)基于分光计的复用技术：复用光栅的反射光进入由衍射光栅和CCD阵列组成的分光计后，反射光会因波长不同而被衍射到CCD阵列的不同位置，以此来区分不同的光栅。该方法响应速度快、抗干扰能力强，缺点是工作在980nm波段，不适应目前主要应用的1310nm，1550nm波段的光(G.Atkins，M.A.Putnam，E.J.Friable，“Instrumentation for interrogatingmany-element fiber Bragg grating arrays embedded in fiber/resincomposites”，SPIE，Smart Sensing Processing and Instrumentation，1995：257-266)；(4)时分复用技术(TDM)：利用同一根光纤上不同位置处的光栅反射光存在的时间延迟差来区分不同的光栅(R.S.Weis，A.D.Kersey，and T.A.Berkoff，“A four-element fiber grating sensor arraywith phase-sensitive detection，”IEEE Photonics Technol.Lett.，vol.6，no.12，pp.1469-1472，Dec.1994)。采用串联拓扑，功率利用率很高，但随着复用光栅数目的增加信噪比下降，解调速度也随之下降。