[发明专利]一种极弱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，具体涉及一种极弱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。随着光栅刻写技术的快速发展，通过在光纤拉丝过程中刻写光栅，克服了传统工艺中在一根光纤上逐一熔接多个光栅的复杂操作，避免了熔接损耗对光栅数量的限制，实现了在一根光纤上刻写任意数量的光栅，为超大容量光纤光栅传感监测提供了物质基础。

普通光栅反射率较高，光功率在传输过程中受多个光栅反射后衰减快，一根光纤上串联的光栅个数一般不能超过数十个。为了增加串联光栅的数量，诸如波分复用、频分复用、码分复用等技术被引入，系统复杂且成本代价高，但扩容的效果并不理想，应用十分有限。近年来，随着光栅在线刻写技术被提出，通过降低光栅反射率来增加光栅数量的方法受到人们的青睐，使弱光栅查询技术成为研究的热点。采用反射率低的弱光栅（如0.1%反射率），理论上一根光纤上基于时分复用技术可以串联数百个光栅；进一步降低光栅的反射率，采用极弱光栅（如反射率0.01%）构建传感系统，其容量将获得大幅提升。极弱光栅传感系统不仅能实现一根光纤上复用数千乃至数万个光栅，而且能通过在普通光纤上刻写获得，极大的简化光栅刻写工艺。然而极弱光栅对查询光源的功率有较高的要求，目前典型SLED在某个波长点的输出功率小于-35dBm，经过弱光栅（如0.1%的反射率光栅）反射后，其反射信号的功率低于-65dBm，和光纤中瑞利散射的背景噪声相当，再考虑传输过程中的损耗，信号将完全被噪声淹没。此外，数百个弱光栅串联，采用连续光照射或周期性脉冲串照射，多光栅反射产生的相互串扰和“阴影效应”也非常严重，这将极大的劣化了信噪比，限制了系统的容量。如何避免全同光栅反射信号之间的串扰是弱光栅串联查询的一大技术难题。采用传统时域检测技术无法完全避免多光栅反射（专利号201010590361.8“基于非等间隔弱布拉格反射光纤光栅阵列的传感复用系统”；专利号201110373500.6“采用弱反射FBG的分布式传感网络及其各FBG的精确定位方法”）的串扰，信号处理设备复杂，光栅的最低反射率和最大复用数量受到严重限制；光栅反射率较高时，全同的多光栅串联，前段光栅的反射会较快的降低布拉格波长对应的光功率，使后续光栅反射的峰值功率明显降低，反射脉冲出现“平顶”现象，即所谓“阴影效应”，这将造成判决困难，限制最大复用的光栅数量。此外，全同的多光栅串联查询要求精确的时分复用，对反射脉冲的实时检测速度达到ns级，现有高速信号处理电路或模拟电子开关电路自身时延明显，无法精确检测并处理反射的脉冲信号，公开的相关技术（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”；专利号200610009939.X“基于CPLD的时分复用光纤光栅传感测试系统”）需保持光栅之间的间隔距离在数十米，存在明显的缺陷，也没有隔离脉冲之间的串扰，系统复杂且性能差，造价昂贵，未见相关应用的报道。如何进一步降低光栅的反射率来提升系统容量，克服多光栅之间串扰和“阴影效应”的影响，成为下一代光纤光栅传感网络技术需要解决的首要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述光纤光栅传感技术的局限性，提出一种极弱光纤光栅传感系统及其查询方法。本系统具备系统容量大、响应速度快、灵活性高、成本低等特点。

本发明解决上述技术问题所采用的方案如下：

一种极弱光纤光栅传感系统，由窄带调谐光源、调制模块、环形器、布拉格光纤光栅阵列、取样模块、光电探测器和数据处理计算机组成；所述的窄带调谐光源连接调制模块，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；取样模块连接光电探测器，光电探测器用导线与数据处理计算机连接。

所述的窄带调谐光源输出连续激光，光源功率大于0dBm，通过数据处理计算机控制实现pm级波长扫描。

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，对反射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阵列由多个极弱反射率>0.0001%全同光纤光栅或多波长光纤光栅构成。

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；窄谱调谐光源和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。