基于光放大中继的超大容量光纤光栅传感系统的制作方法与工艺

本发明属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种超大容量（光纤光栅复用数量10000左右）的时分光纤光栅传感系统，具体地指一种基于光放大中继的超大容量光纤光栅传感系统。

背景技术：
随着光纤光栅传感应用规模不断扩展、传感需求多样化，光纤光栅传感技术正朝着高性能、集约化和网络化的方向持续发展；随着物联网技术的推广和深入发展，寻求新一代大容量、长距离光纤光栅传感器网络已成为信息获取技术的重大课题。常规光纤光栅传感系统多采用波分复用方式，受光源带宽限制，该方法复用的光纤光栅数量有限，远远不能满足大容量要求。最近，武汉理工大学光纤传感技术中心申请了基于时分复用能力强的弱反射率光纤光栅构建大容量传感系统的发明专利（公开号为CN10290525A，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”）。由于时分复用方法基于不同位置光纤光栅的反射光到达探测器的时间不同进行信号解调，所以同一波长上能复用多个光纤光栅；随着光纤光栅反射率的降低，同一波长上光纤光栅的复用数量会成倍增加，从而实现光纤光栅传感系统的大复用量，再结合多个不同中心波长的全同弱反射光纤光栅阵列即可实现超大容量光纤光栅传感系统。然而，基于时分复用的方法一方面存在上游光纤光栅插入损耗影响（阴影效应）的问题，使下游光纤光栅的反射信号强度减弱、反射谱形退化，导致下游光纤光栅的波长难以准确解调。另一方面，同波长的光纤光栅间因多次反射会出现信号串扰的情况；并且，随着光纤光栅复用数量的增加，这种信号串扰现象会增强，一定程度上会导致检测信号的失真。参考文献[1]（YunmiaoWang，JianminGong，BoDong，DorothyY.Wang，TylerJ.Shillig，andAnboWang，SeniorMember，IEEE.ALargeSerialTime-DivisionMultiplexedFiberBraggGratingSensorNetwork.JournalofLightwaveTechnology，30(17):2751-2756(2012)）虽然报道了，在光纤光栅反射率低于-40dB的条件下，复用容量1000的光纤光栅阵列中阴影效应以及信号串扰可不用考虑，但1000的光纤光栅复用数量无法满足超大容量传感的需求。上述公开号为CN10290525A的中国发明专利申请借助两个SOA的高速开关及光放大特性，通过控制两个SOA的开关时延锁定光纤光栅阵列中的某光纤光栅对其反射信号进行采集，并通过扫描各光纤光栅的时延实现光纤光栅阵列的信号解调。该系统结构简单，实施成本低；同时因能够避免大量非光纤光栅处冗余数据的采集及处理，提高了系统的解调速度。在提高系统信噪比方面，其双开关时延扫描解调方法采用了多脉冲入射技术，即通过对同一光纤光 栅的多个反射脉冲进行信号累积来增强信噪比。然而，多脉冲入射技术易造成其它光纤光栅的反射脉冲错误地记入被解调的光纤光栅。为避免上述情况发生，该发明专利申请采用了限制多脉冲入射频率的方法，即第一个入射光脉冲的所有光纤光栅反射信号在行程上到达取样光开关后再发送第二个入射光脉冲。虽然此方法能有效避免上述信号串扰情况的发生，但多脉冲入射频率却受到了光纤光栅阵列复用容量、传感距离的制约；随着光纤光栅阵列复用容量增加、传感距离延长，势必导致多脉冲入射频率的显著降低（即SOA的调制频率降低），进而引起信噪比降低。另外，公开号为CN10290525A的中国发明专利申请采用多个不同中心波长的全同光纤光栅阵列复用来实现超大容量光纤光栅传感系统。考虑到给予每个波长工作带宽，则需要带宽较宽的光源。然而，随着光源带宽变宽，光开关SOA的功率增益特性随之变差，将较难对反射率小于1％的光纤光栅的弱信号理想放大；而且，对于大容量、长距离的光信号传输而言，光纤本身的传输损耗对光信号的衰减作用也凸显出来。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于光放大中继的超大容量光纤光栅传感系统，能够克服现有时分复用的光纤光栅传感系统中阴影效应及信号串扰对光纤光栅阵列信号解调造成的不良影响，并满足光纤光栅传感网络对大容量、长距离检测的要求。为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于光放大中继的超大容量光纤光栅传感系统，包括SLED光源、脉冲发生器、调制光开关、光纤环形器、超大容量光纤光栅阵列、取样光开关、解调仪和计算机；所述SLED光源依次经调制光开关和光纤环形器与超大容量光纤光栅阵列相连，其特征在于：所述超大容量光纤光栅阵列由多个中等容量光纤光栅阵列构成，相邻中等容量光纤光栅阵列之间依次设有：光放大器，用于对其上游中等容量光纤光栅阵列的透射光脉冲实现功率放大及整形，使功率密度分布恢复到初始入射光脉冲的功率密度分布；以及光纤环形器，用于将各中等容量光纤光栅阵列相互隔离，在保证入射光脉冲在超大容量光纤光栅阵列中传播的同时，实现各中等容量光纤光栅阵列反射信号的相互隔离，将阴影效应及信号串扰限制在中等容量光纤光栅阵列内；各光纤环形器的另一输出端通过合波器与所述解调仪连接，解调仪的信号输出端与计算机连接。上述技术方案中，所述各光纤环形器的另一输出端通过合波器与一个取样光开关连接，取样光开关的输出端依次连有解调仪、计算机；所述脉冲发生器为双通道脉冲发生器，双通 道脉冲发生器与计算机双向互联，其两个输出端分别与调制光开关和取样光开关连接。上述技术方案中，所述各光纤环形器的另一输出端分别通过取样光开关与一台合波器连接，合波器的输出端依次连有解调仪、计算机；所述脉冲发生器为多通道脉冲发生器，多通道脉冲发生器与计算机双向互联，其多个输出端分别与调制光开关和各取样光开关连接。上述技术方案中，所述各光纤环形器的另一输出端通过两个以上合波器与一个取样光开关连接，每相邻两个光纤环形器接入不同合波器；两个以上合波器的输出端通过磁光开关与一个取样光开关连接，取样光开关的输出端依次连有解调仪、计算机；所述脉冲发生器为多通道脉冲发生器，多通道脉冲发生器与计算机双向互联，其多个输出端分别与调制光开关、磁光开关和取样光开关连接。上述技术方案中，所述中等容量光纤光栅阵列的光纤光栅复用量为500～1000个。上述技术方案中，所述光放大器为拉曼光纤激光放大器或者布里渊光纤激光放大器，以避免光放大器中常用的EDFA，其自发辐射噪声对后端解调信噪比的不利影响。上述技术方案中，所述超大容量光纤光栅阵列由同一波长的光纤光栅构成，或者由多个波长不同的中等容量光纤光栅阵列构成，相邻中等容量光纤光栅阵列中光纤光栅的波长间隔为0.2～0.5nm。本发明借助了公开号为CN10290525A的中国发明专利申请的部分技术思想，通过双开关时延扫描实现对光纤光栅信号的采集解调，并针对其单一大容量全同光栅阵列中突出的阴影效应及信号串扰问题，以及多脉冲入射技术难以在大容量、长传感距离的光纤光栅阵列中实施的技术难点，提出了该基于光放大中继的超大容量光纤光栅传感系统，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1）借助光放大器的功率放大功能，将经过上游中等容量光纤光栅阵列的透射光脉冲功率恢复到初始入射状态，有效克服了单一大容量全同光栅阵列中的阴影效应以及长距离光纤传输损耗对光信号的衰减作用，为下游中等容量光纤光栅阵列的信号解调提供了功率保障；2）由于经光放大器的透射光脉冲恢复至初始入射状态，下游中等容量光纤光栅阵列可以继续采用与上游中等容量光纤光栅阵列相同的波长，为光纤光栅阵列的制备提供了方便；3）由于超大容量光纤光栅阵列可以由同一波长的光纤光栅构成，系统光源的带宽能够控制在较窄范围内，以充分发挥SOA对窄带光功率增益的特性；同时，窄带宽能有效减少后端信号解调的数据处理量，在一定程度上提高了系统解调速度；4）由于采用光纤环形器将超大容量光纤光栅传感阵列分隔成了多个中等容量、传感距离适中的光纤光栅阵列，多级反射造成的信号串扰被限制在中等容量光纤光栅阵列中，有效降 低了光纤光栅传感网络的信号串扰程度；5）超大容量光纤光栅传感阵列被分隔成多个中等容量、传感距离适中的光纤光栅阵列，能有效保障多脉冲入射具有理想的脉冲调制频率，从而使各光纤光栅的解调具有好的信噪比。附图说明图1为本发明中光放大中继部分的结构暨工作原理示意图；图2为本发明实施例1的系统结构暨工作原理示意图；图3为本发明实施例2的系统结构暨工作原理示意图；图4为本发明实施例3的系统结构暨工作原理示意图；图中：1—入射光脉冲，2—光纤环形器，3—中等容量光纤光栅阵列，4—透射光脉冲，5—光放大器，6—放大整形后的光脉冲，7—光纤光栅阵列反射脉冲串，8—调制光开关，9—取样光开关，10—合波器，11—解调仪，12—SLED光源，13—调制光开关与取样光开关之间的时延，14—双通道脉冲发生器，15—多通道脉冲发生器，16—磁光开关。具体实施方式以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：本发明中光放大中继部分如图1所示，初始入射光脉冲1经光纤环形器2进入由n个同波长光纤光栅（G11，G21，….，Gn1）构成的中等容量光纤光栅阵列3中，入射光脉冲1被每个光纤光栅反射掉部分光后，光脉冲在继续向前传播的过程中强度逐渐减弱。由于光纤光栅反射谱在不同波长处的反射率不同，所以光脉冲经过中等容量光纤光栅阵列3后不仅其整体强度减弱，而且在光纤光栅Bragg波长处的强度减少最大，从而导致光脉冲经过中等容量光纤光栅阵列3后，其功率分布呈现中心波长处弱、两侧强的透射光脉冲4。若以该功率密度分布的透射光脉冲4继续作为下游中等容量光纤光栅阵列3的入射光，将会导致光纤光栅反射谱形退化，光纤光栅的波长难以准确解调；另外，透射光脉冲4整体强度的下降会导致下游中等容量光纤光栅阵列3的反射信号强度减弱，从而对后端检测单元的灵敏度、动态范围等提出很高要求。因此，本发明提出了基于光放大器5的中继方式实现对透射光脉冲4的功率放大及整形，使其恢复到具有初始入射光脉冲1功率密度分布的光脉冲，即图1中放大整形后的光脉冲6，以实现对后续中等容量光纤光栅阵列3的理想检测。入射光脉冲1经过每一光纤光栅时，部分光被光纤光栅反射并沿途返回，形成的光纤光栅阵列反射脉冲串7经光纤环形器2的第三端口进入后端检测单元；反射光在返程中同样受到光纤光栅的反射，形成多次反射，会造成基于同波长光纤光栅阵列的时分复用中因多次反射引起的信号串扰；随着光纤光栅复用数量的增加，该信号串扰也会增加，在阴影效应的共 同作用下会导致检测信号失真。出于将该信号串扰及阴影效应控制在允许范围内的角度考虑，借助光纤环形器2入射、反射光路不同的特点将超大容量光纤光栅阵列分割成多个中等容量光纤光栅阵列3，从而将多次反射现象限制在中等容量光纤光栅阵列3中，通过减小光栅阵列的复用基数实现信号串扰的减弱。如图2至图4所示，本发明的基于光放大中继的超大容量光纤光栅传感系统，包括SLED光源12、脉冲发生器、调制光开关8、光纤环形器2、超大容量光纤光栅阵列、取样光开关9、解调仪11和计算机。SLED光源12依次经调制光开关8和光纤环形器2与超大容量光纤光栅阵列相连，超大容量光纤光栅阵列由多个中等容量光纤光栅阵列3构成，相邻中等容量光纤光栅阵列3之间依次设有光放大器5以及光纤环形器2。各光纤环形器2的另一输出端通过合波器10与解调仪11连接，解调仪11的信号输出端与计算机连接。下面以光纤光栅复用数量为10000的超大容量传感系统为例进行说明，该超大容量传感系统被分成十个中等容量光纤光栅阵列3，每一中等容量光纤光栅阵列3的光纤光栅复用量为1000个。实施例1如图2所示，图中超大容量光纤光栅阵列的光纤光栅编码n=1000，m=10。系统构成中通过九个光放大器5对经过上游中等容量光纤光栅阵列3的透射光脉冲4进行功率放大整形，使放大整形后的光脉冲6与初始入射光脉冲1有相同的功率密度分布；并通过十个光纤环形器2将十个复用容量1000的中等容量光纤光栅阵列3相互隔离。每一光纤光栅阵列反射脉冲串7经过其对应的光纤环形器2的第三端口进入合波器10，并从合波器10输出端进入取样光开关9；通过双通道脉冲发生器14对调制光开关与取样光开关的时延13扫描实现不同位置光纤光栅的反射脉冲进入解调仪11，从而实现光纤光栅传感系统的波长解调。利用双光开关时延扫描实现光纤光栅阵列信号解调的详细介绍与公开号为CN10290525A的中国发明专利申请相应内容相同，这里不再重复描述。假定光纤光栅阵列的Bragg波长为1550nm，反射率为0.05%，光纤光栅相互间隔3m，光纤传输损耗为0.5dB/km。根据参考文献[1]中光纤光栅反射功率公式Ii(λ)=(1-R(λ))2(i-1)R(λ)I0(λ)可以推导出经过光纤光栅阵列后的光透射功率公式Ii(λ)=(1-R(λ))(2i-1)I0(λ)，从而可以计算出入射光脉冲1经过1000个反射率0.05％的光纤光栅后，阴影效应导致透射光脉冲4在Bragg波长1550nm处的功率衰减了4.4dB左右，而光纤传输双程损耗导致的功率衰减约3dB，入射光脉冲1经过上述中等容量光纤光栅阵列3后 的功率衰减总和为7.4dB(在1550nm处)。通常，后端解调单元的动态检测范围在10dB左右，因此经过上游中等容量光纤光栅阵列3的透射光脉冲4无法继续作为下游中等容量光纤光栅阵列3的入射光脉冲1进行信号检测，而必须对其进行功率放大，并对其功率分布进行滤波整形，使其恢复到初始入射光脉冲1的功率密度分布，以便实现对下游中等容量光纤光栅阵列3的正常检测。根据参考文献[1]中的信号串扰公式：Ci(λ)=(i-1)(i-2)R3(λ)(1-R(λ))(2i-4)I0(λ)/2可以计算出第1000个光纤光栅在Bragg波长1550nm处受到的多级反射信号串扰的功率约为光脉冲功率I0(λ)的0.0023％左右；而根据参考文献[1]中的光栅反射功率公式：Ii(λ)=(1-R(λ))2(i-1)R(λ)I0(λ)可以计算出第1000个光纤光栅在Bragg波长处的反射功率约为光脉冲功率I0(λ)的0.0184％左右。第1000个光纤光栅在Bragg波长处因信号串扰引起的虚假信号功率占到真实信号的12.5％左右。显然，若光纤光栅阵列复用数量加大，在阴影效应的共同作用下，多级反射引起的虚假信号占真实信号的比例会显著增加。采用多脉冲入射技术增强光纤光栅解调的信噪比需避免阵列中其它光纤光栅的反射脉冲错误地记入被解调光栅，参考文献[2]（ZhihuiLuo，HongqiaoWen，XiaofuLiandHuiyongGuo.Onlinereflectivitymeasurementofanultra-weakfiberBragggratingarray.MeasurementScienceandTechnology,24(2013)105102(5pp)）采用的方法是第一个入射光脉冲的光纤光栅阵列的所有反射信号返程达到取样光开关后再发送第二个光脉冲。显然，调制光开关8和取样光开关9的工作频率受中等容量光纤光栅阵列3的复用量和传感距离限制。以复用量1000、光栅间隔3m，纤芯折射率1.5的光纤光栅阵列为例。相对于第一个光纤光栅，第1000个光纤光栅的反射信号到达取样光开关9所需时间t约为2Ln/c=2×3000×1.5/(3×108)，即30μs，则入射光脉冲1的调制周期需大于30μs。因此，调制光开关8和取样光开关9的最大工作频率可以设定为32kHz；若光纤光栅阵列复用量增至2000，其它参数不变，则入射光脉冲1的调制周期要大于60μs，调制光开关8和取样光开关9的最大工作频率只能设定为16kHz，相对于复用量1000的光纤光栅阵列，光开关的调制频率减小了一半，显然，后端信号解调的信噪比将降低。综上所述，本发明基于光放大中继的超大容量、长距离光纤光栅传感系统在克服光栅阴影效应、多级反射串扰以及保证信号信噪比等方面是对以公开号为CN10290525A的中国发明专利申请为代表的现有技术的完善和创新。实施例2实施例1中采用两个光开关8、9实现系统所有光纤光栅的信号解调，虽然对于单个中等容量光纤光栅阵列3而言，光纤光栅间的阴影效应和信号串扰因光纤光栅阵列复用量变小被大大减弱，但由于所有中等容量光纤光栅阵列3的反射信号会通过合波器10汇合进入取样光开关9，所以多级反射一定程度上还是会引起中等容量光纤光栅阵列3之间的信号串扰。为避免此情况的发生，本实施例采用每个中等容量光纤光栅阵列3配备一个取样光开关9的方式，完全实现了不同时延条件下对对应的光纤光栅进行信号采集解调，如图3所示。通过多通道脉冲发生器15产生多路脉冲信号源S1，S2，…..，S11。当调制光开关与取样光开关之间的时延13与某个中等容量光纤光栅阵列3匹配时，将驱动对应的取样光开关9开始工作，该阵列的光纤光栅反射信号允许进入合波器10，其它取样光开关9处于关停状态，对应的中等容量光纤光栅阵列3的反射信号被禁止进入波合器10，从而避免了多路光纤光栅阵列的反射信号同时进入合波器10，有效避免了中等容量光纤光栅阵列3间的信号串扰。实施例3实施例2中过多的取样光开关9会导致系统实施成本增加，结构复杂。为避免该情况发生，同时也能较好地避免中等容量光纤光栅阵列3间的信号串扰，考虑到中等容量光纤光栅阵列3间的信号串扰主要存在于相邻中等容量光纤光栅阵列3之间，以及中等容量光纤光栅阵列3间的信号采集切换频率相对较低，本实施例采用磁光开关16实现单个中等容量光纤光栅阵列3或相互间隔的中等容量光纤光栅阵列3的反射信号快速切换进入取样光开关9，从而达到简化系统的目的，如图4所示。本发明的核心在于将超大容量光纤光栅阵列分割成多个中等容量光纤光栅阵列3，并依次用光放大器5和光纤环形器2隔离，显著减小了现有时分复用的光纤光栅传感系统中阴影效应及信号串扰等对光纤光栅阵列信号解调造成的不良影响，并满足光纤光栅传感网络对大容量、长距离检测的要求。所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：中等容量光纤光栅阵列3的光纤光栅复用量不限于实施例中的1000个，根据超大容量光纤光栅传感系统的规模，其复用量可在500～1000内调整；实施例3情形下，合波器10的数量也不限于两个，还可以是更多，只要确保相邻两个光纤环形器2接入不同合波器10即可等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。