基于时分波分复用的分布式微结构传感网络及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光纤传感技术领域，通过混合波分时分复用系统设计来实现超大容量 的分布式光纤传感网络，并针对该种传感网络提出快速解调方法。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器主要用于温度、应力、压力环境参量等传感，由于其无源和高精度特 性，已广泛应用在桥梁、大巧、油田、航空航天、海洋监测、地质监测等领域，尤其是基于 OTDR(光时域反射）原理的分布光纤传感技术，W其分布式测量、无盲区、监测密度大、监测 范围广、传感器结构简单等优点，极大的满足应用需求，基于OTDR技术的分布式光纤传感 技术主要基于光纤中的散射效应；瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。
[0003] 瑞利散射是最简单的一种散射效应。早在十九世纪八十年代，Rogers和Ross基 于瑞利散射效应，实现偏振光时域反射仪（P0TDR)。在他们的研究中单模光纤中瑞利散射光 信号的偏振态被用来测量温度、应力、电场、磁场的变化。1983年，Hartog首次报道利用温 度对瑞利散射系数的改变来实现分布式温度测量。由于普通的石英光纤瑞利散射系数随温 度变化比较小，Hartog在实验中采用了液巧光纤。目前，干设型0TDR是一个研究热点，主 要利用瑞利散射光信号的干设来检测外界物理量对瑞利散射信号的相位的影响，从而实现 对分布式传感，也称作相位0TDR ( d) -0TDR)。
[0004] 基于拉曼散射的0TDR技术（R-0TDR)，由于拉曼散射对温度敏感而对应力不敏感 的特性，主要用于分布式温度测量，是目前最为成熟的分布式传感技术之一。标准的R-0TDR 分布式温度传感系统可W在数十公里的传感链路上实现rc的温度分辨率和Im的空间分 辨率。为了进一步提高空间分辨率，有研究者将数字单光子计数器用于分布式温度传感系 统，实现了 0.1m的空间分辨率。
[0005] 基于布里渊散射的分布式传感技术布里渊光时域反射仪炬-0TDR)主要用于分布 式应力/温度测量。由于布里渊散射散射信号非常微弱，因此在信号处理中往往需要多次 测量，因此，B-0TDR传感系统的实时性有限，往往用于静态测量。同时由于产生布里渊散射 效应的声子寿命只有10ns，决定布里渊分布式传感器的空间分辨率为Im，极大限制了布里 渊分布式传感器的应用。
[0006] 目前的0TDR分布式传感技术均存在一定的缺陷，例如（1)-0TDR只适合动态信号测 量；R-0TDR只能进行温度测量，而很多应用需要多环境参量监测；B-0TDR只适用于静态信 号测量，同时受限于信号微弱、分辨率不高，系统复杂，成本高昂。
[0007] 同时，也有学者在利用光纤上串行分布的光栅作为人为的损耗点，实现基于光纤 光栅的0TDR系统。2010年美国弗吉巧亚理工大学Anbo Wang教授课题组提出了基于全同 弱光栅（发射率R<0.1%)的线性TDM(时分复用）网络，在实验中验证了 12个弱光栅的 准分布式TDM网络，由于弱光栅间仅存在微小的信道串扰，该种架构的复用能力可达1000 个W上。T. J. Eom等人提出一种基于光纤光栅的波长调谐0TDR，利可调谐光源对全同的光 纤光栅阵列进行扫描，利用光纤光栅的后向反射信号进行传感，实现了一个由52个光栅组 成的波长调谐OTDR系统。比利时蒙斯学院的化thy化une 11 e在波长调谐OTDR技术基础 上，利用低反射率光栅（R<10% )结和波分复用技术（WDM)，实现了 A-0TDR系统，但是复用 光栅数目有限。申请号为201210390000. 8,名称为"超大容量时分波分光纤光栅传感系统 及其查询方法"的专利申请提出超大容量时分复用系统，通过精准控制S0A(半导体光放大 器）光开关来实现对大容量光纤传感器的寻址及查询，实现了大容量的FBG(光纤布拉格光 栅）单元时分复用，具有很好的应用价值，但是由于缺少对波分频分的复用挖掘，系统性能 没有得到最大的提升。申请号为201110414568. 4,名称为"一种大容量并行光纤光栅传感 分析仪"的专利申请，通过空分和波分复用技术，采用同步控制机制来进行多路光电信号的 探测和采集处理，实现了较大容量的传感单元复用，但是该方案采用多了光电探测器，极大 的提高了系统成本。
【发明内容】
[000引本发明所要解决的技术问题是；提供一种基于时分波分复用的分布式微结构传感 网络及其使用方法。本发明通过混合时分/波分网络架构，具有超大容量、超长距离、低单 位解调成本、传感灵敏度高、低功耗等特点，适用于大规模分布式传感复用。
[0009] 本发明解决上述技术问题所采用的方案如下：
[0010] 分布式微结构传感网络，包括依次相连的宽带光源、光环形器、光分配网络和多条 分布式光纤传感链路，传感单元依次通过光分配网络、光环形器、全光谱扫描模块与解调单 元相连。
[0011] 所述的传感网络，还包括声光调制器，宽带光源通过声光调制器与光环形器相连。
[0012] 所述的传感网络，还包括时钟同步模块，全光谱扫描模和声光调制器均与时钟同 步模块相连。
[0013] 所述的传感网络，光分配网络包括密集波分复用模块和与其相连的多个光分束 器，密集波分复用模块与光环形器相连，光分束器与传感单元相连。
[0014] 所述的传感网络，每个光分束器接有多条分布式光纤传感链路，每条分布式光纤 传感链路上还接有光纤延时线；其中，密集波分复用模块的P个输出端口分别连接P个1*Q 光分束器，每个光分束器接有一条分布式光纤传感链路；每个光分束器所连接的Q条分布 式光纤传感链路上的光纤延时线，长度依次增加。
[0015] 所述的传感网络，分布式光纤传感链路上设有多个轴向周期微结构。
[0016] 所述的传感网络，解调单元包括多域数据处理模块和计算机，全光谱扫描模块与 多域数据处理模块相连。
[0017] 分布式微结构传感网络的使用方法，包括；宽带光源发出宽带连续光谱，经过声光 调制器后成为宽带光信号进入光环形器的输入端口，由光环形器的一个输出端口传送至密 集波分复用模块，密集波分复用模块将宽带光信号分成P组波段，每个波段的光信号进入 一个1*Q光分束器后被分成Q路光信号，每路光信号进入一路分布式光纤传感链路，由分布 式光纤传感链路上的光纤延时线再进行光信号的时延分配，使得到达每条分布式光纤传感 链路的光信号在波长和时域上均得到区分，实现第一次混合波分/时分复用；然后再由分 布式光纤传感链路实现第二次波分/时分复用，W及频分复用；分布式光纤传感链路上的 光信号受到环境参量变化的调制后，后向散射进入光分束器、密集波分复用模块和光环形 器，由光环形器的另一个输出端口传送至全光谱扫描模块，全光谱扫描模块采集扫描后向 散射光的全光谱，再由解调单元进行解调，得到环境参量的信息。
[001引所述的方法，每个光分束器所接的一组分布式光纤传感链路，依次串接有时长逐 渐加长的光纤延时线，且各组分布式光纤传感链路所串接的光纤延时线，其时长加长程度 相同；并控制分布式光纤传感链路的轴向周期微结构的长度、折射率调制周期和折射率调 制强度，使其后向散射系数达到1(^5?10^2,并使其后向散射光信号具有光谱中屯、波长、光 谱重复频率和时延的=维编码特性，即第二次波分/时分复用和频分复用。
[0019] 所述的方法，解调单元进行解调的方法包括；根据传感网中每条分布式光纤传感 链路的后向散射光信号相对于时钟信号因光纤延时线引起的时延进行时域分组，共Q组； 在同一时钟同步模块控制下，全光谱扫描模块对该Q组光信号信号进行同步探测、采集，再 根据光信号因密集波分复用模块所分得的波段对不同时域的光信号进行波长域分组，又分 为P组波段，从而完成第一次解调，得到后向散射光信号所处于的分布式光纤传感链路；多 域数据处理模块中通过嵌入式多核处理单元对该Q冲条分布式光纤传感链路的光信号再 进行并行计算；计算的方法是对采样的单条分布式光纤传感链路的后向散射光信号根据链 路时域进行k组区分，对每个时域组再按n组的链路波段分配快速傅里叶变换单元，并行快 速傅里叶变换，对每组波段的光信号得到m组频率信息，因此一个链路时域的光信号分离 得到n*m个信号单元；再由有限冲击响应对所有的信号单元进行滤波，并做傅立叶逆变换， 最终获得单条分布式光纤传感链路上所有k*n*m个轴向周期微结构单元的光谱中屯、波长 时延、光谱重复频率和时延的编码信息，从而确定相应的周期微结构单元的空间位置，同时 将每个轴向周期微结构单元的光谱中屯、波长与其初始中屯、波长对比得到中屯、波长的漂