专利名称：基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络及其方法
技术领域：
本发明涉及一种网络，尤其涉及一种基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络及其方法。
背景技术：
作为一种新型传感器件，光纤光栅传感器最大的特点是复用能力强，传输损耗低，容易通过各种复用技术构成光纤传感网络，在通信、建筑、机械、医疗、航天、航海、矿业等许多领域都有着广阔的应用前景，在近年得到很大的发展。
在构成光纤传感网络时，通常是利用光通信技术中的一些复用方案，如波分复用方案、时分复用方案、空分复用方案、频分复用方案和混合复用方案等。其中波分复用技术因其成本低、维护方便、可靠性高已成为实际应用中构成光纤传感网络最基本、最主要的方法。
利用波分复用技术构成的光纤传感网络，传感器串联在同一根光纤上，因此可以称为一线制光纤传感网络。其主要缺陷在于 (1)一线制光纤传感网络中，能量信号(由宽带光源发出的光信号)与测量信号(由光纤传感器返回的光信号)沿同一根光纤双向传输，无法进行放大处理，因此不利于进行远距离测量，不利于提高系统信噪比； (2)一线制光纤传感网络中，光纤传感器串联连接，且结构类型相同(即同为反射式光纤传感器或同为透射式光纤传感器)，因此系统灵活性小，可靠性低； (3)一线制光纤传感网络中，由于不同传感器波长变化范围不能重合，所以系统容量(即测点数目)增加时测点量程会随之减小，测量精度也相应降低，不能满足工程应用中“量程减小时测量精度提高”的要求； (4)一线制光纤传感网络中，系统容量是在设计时确定的，完成后即固定下来，不易扩展，因此无法满足用户在后续使用中对系统扩展的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种具有易于扩展，能够对包含被测物理量信息的光谱信号进行有效放大，保证接收端获得的信号具有较高信噪比，利于远传，容易维护，扩展方便，可靠性高，适合工程应用等优点的基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络及其方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案 一种基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络，它包括两根相互独立的光纤，所述光纤中的一根为能量光纤，它与宽带光源输出端连接，其上设有若干个光耦合器a，各光耦合器a上至少连接一个传感器以实现分布式测量； 另一根为信号光纤，其上也设有若干个光耦合器b，信号光纤的各光耦合器b与能量光纤各对应光耦合器a的信号输出端连接，组成一个测量节点，各测量节点分别将各自对应的光耦合器a的输出信号合成一束后送入数字解调系统。
所述二线制光纤传感网络为反射式网络，所述传感器为反射式光纤光栅传感器，各测量节点中的光耦合器b与对应光耦合器a的信号输出端直接连接。
所述二线制光纤传感网络为透射式，所述传感器为透射式光纤传感器，各测量节点光耦合器b通过与该测量节点连接的相应的透射式光纤传感器与相应光耦合器a的信号输出端连接。
所述二线制光纤传感网络为混合式，所述传感器包括反射式光纤传感器和透射式光纤传感器，联接在同一个测量节点上的传感器其结构形式必须是一致的，即必须同为反射式光纤传感器或同为透射式光纤传感器，其中心波长变化范围也不能重合，即必须满足波分复用条件；一部分测量节点分别与至少一个反射式光纤传感器连接，该部分测量节点光耦合器a的信号输出端与对应光耦合器b直接连接；剩余测量节点光耦合器a则分别与至少一个透射式光纤传感器连接，该部分测量节点光耦合器a的信号输出端通过透射式光纤传感器与相应光耦合器b连接。
所述数字解调系统包括2×2光耦合器，它与光电二极管连接，光电二极管完成光电转换后，得到一个周期随被测物理量变化而变化的时间序列，输出信号经放大电路送入计算机；计算机输出端与调制电路连接，调制电路输出端与调制光栅连接，调制光栅输出端与2×2光耦合器连接。
一种二线制光纤传感网络谱分复用方法，它的方法为， 1)光由宽带光源发出，进入能量光纤，经第一测量节点的光耦合器a分成两束，一束进入与第一测量节点相连接的传感器实现对第一测量节点处物理信号的测量，另一束则继续向前传输，并在进入第二测量节点处的光耦合器a后再次分成两束，分别用于测量第二测量节点处物理信号以及为后续测量节点传感器提供光能量，如此继续，直到最后一个测量节点； 2)各传感器调制后反射或透射光信号到信号光纤的对应测量节点的光耦合器，全部光信号在信号光纤中合成为一束光后进入数字解调系统； 3)数字解调系统内部，光信号在机电调制系统作用下由可调谐滤波器调制成随时间周期变化的信号，再送入光电二极管进行光电转换，得到周期随被测物理量变化而变化的时间序列并送入计算机进行处理； 4)计算机利用软件通过选择不同谱线形状的光纤传感器就可以把多个中心波长变化范围重叠的光纤传感器连接在同一个系统中使用，从而降低对光源的要求，增强系统复用能力，完成谱分复用。
所述步骤4)中， 所述选择不同谱线形状的光纤传感器过程为，利用计算机对时间序列信号进行自相关运算，有 式中是第k+1个扫描周期内光电二极管在任意时刻t的输出，是第k个扫描周期内光电二极管在任意时刻t的输出，相邻扫描周期内第i个传感器中心波长的漂移，N是网络内所包含的光纤光栅传感器的总数。其中
是第i个传感器在第k个扫描周期内的中心波长，
是第i个传感器在第k+1个扫描周期内的中心波长，λM0是调制光栅初始时刻的中心波长，S是调制光栅的扫描周期，是第i个传感器的系统常数，I0是宽带光源输出光强，Ri、Bi是第i个传感器的中心反射率和半高带宽，RM、BM是调制光栅的中心反射率和半高带宽。
选择不同的时间延迟τ1、τ2、……、τN，得到方程组 通过该方程组得到相邻扫描周期传感光栅中心波长的增量 进而得到传感光栅中心波长的实际漂移 式中Tscan是调制光栅的扫描周期，
和
是传感光栅在第K和第K+1个扫描周期的中心波长，S是可调谐滤波器扫描周期，和是光纤传感网络系统常数，主要与光纤传感器和可调谐滤波器的光谱形状有关；当可调谐滤波其光谱形状固定后，方程组系数Ki是仅由光纤传感器的光谱形状决定，选择不同的Ki即可完成对不同谱线形状的光纤传感器的选择，实现谱分复用。
本发明的有益效果是二线制光纤传感网络是利用谱分复用方法构成的一种总线式光纤传感网络。它采用相互独立的能源光纤和信号光纤分别传输信号，并把不同谱线形状的光纤传感器并联在两者之间，因此易于扩展，且能够对包含被测物理量信息的光谱信号进行有效放大，保证接收端获得的信号具有较高信噪比，所以利于远传，容易维护，扩展方便，可靠性高，是一种适合工程应用的光纤传感网络结构。其优越性具体表述如下 (1)采用谱分复用方法，除利用传感器中心波长进行地址编码外，更利用其半高带宽、幅度以及中心波长的组合等参数作为光纤传感器的地址编码，从而降低了系统对宽带光源的要求，提高了系统复用能力； (2)采用谱分复用方法，允许同一系统中传感器波长变化范围重合，因此可以保证系统容量增加时，各测点测量精度不会降低。
(3)采用二线制结构，能量信号与测量信号由相互独立的光纤单向传输，因此可以根据需要分别放大，不仅利于实现远距离测量，而且能够提高系统信噪比； (4)光纤传感器采用并联连接，各节点彼此独立，不仅易于扩展，而且允许同一系统中同时
图1为二线制光纤传感网络(反射式)结构示意图； 图2为二线制光纤传感网络(反射式)实验装置结构示意图； 图3为二线制光纤传感网络(透射式)结构示意图； 图4为二线制光纤传感网络(混合式)结构示意图。
其中，1.宽带光源，2.光耦合器a，3.光耦合器b，4.传感器，5.能量光纤，6.信号光纤，7.光耦合器，8.调制光栅，9.光电二极管，10.放大电路，11.计算机，12.调制电路。
具体实施例方式 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
由图1可见，二线制光纤传感网络主要由两根相互独立的光纤组成，其中与宽带光源1输出端连接的光纤称为能量光纤5，作用是传输能量信号，为各个测量节点分配光能量；而与各测量节点信号输出端连接的光纤称为信号光纤6，用以传输测量信号，并将不同测量节点输出的信号合成一束后送入数字解调系统进行处理。在能量光纤5与信号光纤6之间分布有多个测量节点，每个测量节点都包括两个光耦合器光耦合器a 2和光耦合器b 3，其上连接一个或多个FBG传感器4以实现分布式测量。
使用时，光由宽带光源发出，经第一测量节点处的光耦合器a 2分成两束，一束进入第一测量节点处的传感器4实现对物理信号的测量，另一束则继续向前传输，并在进入第二测量节点处的光耦合器a2后再次分成两束，分别用于测量节点二的物理信号的检测以及提供后续测量节点传感器所需的光能量，如此继续，直到最后一个测量节点。这些光在各测量点被外界物理量调制后反射，经过对应测量节点的光耦合器a2进入相应测量节点的光耦合器b3，即第一节点的传感器4经第一测量节点处的光耦合器a2进入同测量节点的光耦合器b3，第二节点的传感器4经第二测量节点处的光耦合器a2进入同测量节点的光耦合器b3，……，并在信号光纤中合成为一束光后进入数字解调系统进行解调。数字解调系统包括2×2光耦合器7，它与光电二极管9连接，光电二极管9完成光电转换后，得到一个周期随被测物理量变化而变化的时间序列，输出信号经放大电路10送入计算机11；计算机11输出端与调制电路12连接，调制电路12输出端与调制光栅8连接，调制光栅8输出端与2×2光耦合器7连接。
信号光进入数字解调系统后，在机电调制系统作用下由可调谐滤波器调制成随时间周期变化的信号，再送入光电二极管进行光电转换，得到周期随被测物理量变化而变化的时间序列并送入计算机进行处理。假设各测点信号互不相关，且满足条件(1)光纤传感器与可调谐滤波器的光谱均为高斯分布，(2)被测物理量在同一扫描周期内不发生变化，则可以利用计算机对时间序列信号进行自相关运算，有 式中是第k+1个扫描周期内光电二极管在任意时刻t的输出，是第k个扫描周期内光电二极管在任意时刻t的输出，相邻扫描周期内第i个传感器中心波长的漂移，N是网络内所包含的光纤光栅传感器的总数。其中
是第i个传感器在第k个扫描周期内的中心波长，
是第i个传感器在第k+1个扫描周期内的中心波长，λM0是调制光栅初始时刻的中心波长，S是调制光栅的扫描周期，是第i个传感器的系统常数，I0是宽带光源输出光强，Ri、Bi是第i个传感器的中心反射率和半高带宽，RM、BM是调制光栅的中心反射率和半高带宽。
选择不同的时间延迟τ1、τ2、……、τN，得到方程组 通过该方程组得到相邻扫描周期传感光栅中心波长的增量 进而得到传感光栅中心波长的实际漂移 式中Tscan是调制光栅的扫描周期，
和
是传感光栅在第K和第K+1个扫描周期的中心波长，S是可调谐滤波器扫描周期，和是光纤传感网络系统常数，主要与光纤传感器和可调谐滤波器的光谱形状有关。
考虑到方程组系数Ki由光纤传感器和可调谐滤波器的光谱形状决定，因此，在可调谐滤波器光谱形状固定的情况下，可以选择不同谱线形状的光纤传感器对不同的测点进行地址编码，以达到在同一个光纤传感网络中使用多个中心波长变化范围重叠的光纤传感器的目的，从而降低对光源的要求，增强系统复用能力。这种利用光纤传感器不同形状的反射谱或透射谱对光纤传感器进行地址编码以实现复用目的的方法称为谱分复用方法。
图2是在利用光纤光栅(FBG)传感器构建的反射式二线制光纤传感网络，由两个测量节点组成，每个测量节点连接三个FBG传感器，构成一个传感器组，其特征参数见表1。
表1.FBG传感器特征参数表
使A2和B3的中心波长变化，同时保证其他传感器中心波长不变，测量其波长漂移，得到表2。
表2.实验结果
其他类型 构成二线制光纤传感网络的光纤传感器除了前面所说的光纤光栅(FBG)传感器之外，还可以是其他波长调制型光纤传感器，如长周期(LFBG)光栅传感器等。其结构除了如图1所示利用反射式光纤传感器构成之外，还可以利用透射式光纤传感器构成，如图3所示，也可以同时使用反射式传感器和透射式传感器构成，如图4所示。但需要注意的是，(1)连接在同一个测量节点上的光纤传感器，其结构形式必须是一致的，即必须同为反射式光纤传感器或同为透射式光纤传感器；(2)连接在同一个测量节点上的光纤传感器，其中心波长变化范围不能重合，即必须满足波分复用条件。
二线制光纤传感网络谱分复用方法为， 1)光由宽带光源发出，进入能量光纤，经第一测量节点的光耦合器a分成两束，一束入与第一测量节点相连接的传感器实现对测量节点一的物理信号的测量，另一束则继续传输，并在进入第二测量节点处的光耦合器a后再次分成两束，分别用于测量第二测量处物理信号以及为后续测量节点传感器提供光能量，如此继续，直到最后一个测量节点 2)各传感器调制后反射或透射光信号到信号光纤的对应测量节点b的光耦合器，
信号在信号光纤中合成为一束光后进入数字解调系统； 3)数字解调系统内部，光信号在机电调制系统作用下由可调谐滤波器调制成随时间周期变化的信号，再送入光电二极管进行光电转换，得到周期随被测物理量变化而变化的时间序列并送入计算机进行处理； 4)计算机利用软件通过选择不同谱线形状的光纤传感器就可以把多个中心波长变化范围重叠的光纤传感器连接在同一个系统中使用，从而降低对光源的要求，增强系统复用能力，完成谱分复用。
步骤4)中，所述选择不同谱线形状的光纤传感器过程为，利用计算机对时间序列信号进行自相关运算，有 式中是第k+1个扫描周期内光电二极管在任意时刻t的输出，是第k个扫描周期内光电二极管在任意时刻t的输出，相邻扫描周期内第i个传感器中心波长的漂移，N是网络内所包含的光纤光栅传感器的总数。其中
是第i个传感器在第k个扫描周期内的中心波长，
是第i个传感器在第k+1个扫描周期内的中心波长，λM0是调制光栅初始时刻的中心波长，S是调制光栅的扫描周期，是第i个传感器的系统常数，I0是宽带光源输出光强，Ri、Bi是第i个传感器的中心反射率和半高带宽，RM、BM是调制光栅的中心反射率和半高带宽。
选择不同的时间延迟τ1、τ2、……、τN，得到方程组 通过该方程组得到相邻扫描周期传感光栅中心波长的增量 进而得到传感光栅中心波长的实际漂移 式中Tscan是调制光栅的扫描周期，
和
是传感光栅在第K和第K+1个扫描周期的中心波长，S是可调谐滤波器扫描周期，和是光纤传感网络系统常数，主要与光纤传感器和可调谐滤波器的光谱形状有关；当可调谐滤波其光谱形状固定后，方程组系数Ki是仅由光纤传感器的光谱形状决定，选择不同的Ki即可完成对不同谱线形状的光纤传感器的选择，实现谱分复用。
权利要求
1、一种基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络，它包括两根相互独立的光纤，其特征是所述光纤中的一根为能量光纤，它与宽带光源输出端连接，其上设有若干个光耦合器a，各光耦合器a上至少连接一个传感器以实现分布式测量；
另一根为信号光纤，其上也设有若干个光耦合器b，信号光纤的各光耦合器b与能量光纤各对应光耦合器a的信号输出端连接，组成一个测量节点，各测量节点通过该节点的光耦合器b分别将各自对应的光耦合器a的输出信号合成一束后送入数字解调系统。
2、根据权利要求1所述的基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络，其特征是所述二线制光纤传感网络为反射式网络，所述传感器为反射式光纤光栅传感器，各测量节点中的光耦合器b与对应光耦合器a的信号输出端直接连接。
3、根据权利要求1所述的基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络，其特征是所述二线制光纤传感网络为透射式，所述传感器为透射式光纤传感器，各测量节点光耦合器b通过与该测量节点连接的相应的透射式光纤传感器与相应光耦合器a的信号输出端连接。
4、根据权利要求1所述的基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络，其特征是所述二线制光纤传感网络为混合式，所述传感器包括反射式光纤传感器和透射式光纤传感器，联接在同一个测量节点上的传感器其结构形式必须是一致的，即必须同为反射式光纤传感器或同为透射式光纤传感器，其中心波长变化范围也不能重合，即必须满足波分复用条件；一部分测量节点分别与至少一个反射式光纤传感器连接，该部分测量节点光耦合器a的信号输出端与对应光耦合器b直接连接；剩余测量节点光耦合器a则分别与至少一个透射式光纤传感器连接，该部分测量节点光耦合器a的信号输出端通过透射式光纤传感器与相应光耦合器b连接。
5、根据权利要求1所述的基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络，其特征是所述数字解调系统包括2×2光耦合器，它与光电二极管连接，光电二极管完成光电转换后，得到一个周期随被测物理量变化而变化的时间序列，输出信号经放大电路送入计算机；计算机输出端与调制电路连接，调制电路输出端与调制光栅连接，调制光栅输出端与2×2光耦合器连接。
6、一种权利要求1所述的二线制光纤传感网络的谱分复用方法，其特征是它的方法为，
1)光由宽带光源发出，进入能量光纤，经第一测量节点的光耦合器a分成两束，一束进入与第一测量节点相连接的传感器实现对第一测量节点处物理信号的测量，另一束则继续向前传输，并在进入第二测量节点处的光耦合器a后再次分成两束，分别用于测量第二测量节点处物理信号以及为后续测量节点传感器提供光能量，如此继续，直到最后一个测量节点；
2)各传感器调制后反射或透射光信号到信号光纤的对应测量节点的光耦合器，全部光信号在信号光纤中合成为一束光后进入数字解调系统；
3)数字解调系统内部，光信号在机电调制系统作用下由可调谐滤波器调制成随时间周期变化的信号，再送入光电二极管进行光电转换，得到周期随被测物理量变化而变化的时间序列并送入计算机进行处理；
4)计算机利用软件通过选择不同谱线形状的光纤传感器就可以把多个中心波长变化范围重叠的光纤传感器连接在同一个系统中使用，从而降低对光源的要求，增强系统复用能力，完成谱分复用。
7、根据权利要求6所述的二线制光纤传感网络的谱分复用方法，其特征是所述步骤4)中，所述选择不同谱线形状的光纤传感器过程为，计算机对时间序列信号进行自相关运算，有
式中是第k+1个扫描周期内光电二极管在任意时刻t的输出，是第k个扫描周期内光电二极管在任意时刻t的输出，相邻扫描周期内第i个传感器中心波长的漂移，N是网络内所包含的光纤光栅传感器的总数；其中
是第i个传感器在第k个扫描周期内的中心波长，
是第i个传感器在第k+1个扫描周期内的中心波长，λM0是调制光栅初始时刻的中心波长，S是调制光栅的扫描周期，是第i个传感器的系统常数，I0是宽带光源输出光强，Ri、Bi是第i个传感器的中心反射率和半高带宽，RM、BM是调制光栅的中心反射率和半高带宽；
选择不同的时间延迟τ1、τ2、……、τN，得到方程组
通过该方程组得到相邻扫描周期传感光栅中心波长的增量
进而得到传感光栅中心波长的实际漂移
式中Tscan是调制光栅的扫描周期，
和
是传感光栅在第K和第K+1个扫描周期的中心波长，S是可调谐滤波器扫描周期，和是光纤传感网络系统常数，主要与光纤传感器和可调谐滤波器的光谱形状有关；当可调谐滤波其光谱形状固定后，方程组系数Ki是仅由光纤传感器的光谱形状决定，选择不同的Ki即可完成对不同谱线形状的光纤传感器的选择，实现谱分复用。
全文摘要
本发明公开了一种基于谱分复用方法的二线制光纤传感网络及其方法。它易于扩展，能对包含被测物理量信息的光谱信号进行有效放大，保证接收端获得的信号具有高信噪比，利于远传，容易维护，可靠性高，适合工程应用。其结构为它包括两根相互独立的光纤，所述光纤中的一根为能量光纤，它与宽带光源输出端连接，其上设有若干个光耦合器a，各光耦合器a上至少连接一个传感器以实现分布式测量；另一根为信号光纤，其上也设有若干个光耦合器b，信号光纤的各光耦合器b与能量光纤各对应光耦合器a的信号输出端连接，组成一个测量节点，各测量节点通过位于该测量节点的光耦合器b分别将各自对应的光耦合器a的输出信号合成一束后送入数字解调系统。
文档编号H04B10/08GK101267254SQ20081001502
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月1日 优先权日2008年4月1日
发明者李东升, 磊 贾, 隋青美, 曹玉强 申请人:山东大学