本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)分布式時域、頻域光纖光柵傳感及其解調(diào)技術(shù)，具體地指一種基于陣列光纖光柵中雙向時域、頻域溫度與壓力復(fù)合傳感陣列系統(tǒng)，屬于光傳感技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖布拉格光柵(FBG)憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、高精度、多參數(shù)、體積小、易于分布式測量等優(yōu)越的特性，已被認(rèn)為最具發(fā)展前途的光纖傳感器，在各類工程技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

溫度與應(yīng)變是工程系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)或環(huán)境健康監(jiān)測的兩個關(guān)鍵測試參量。局部關(guān)鍵位置的應(yīng)力狀態(tài)直接關(guān)系到系統(tǒng)安全服役狀態(tài)，溫度則對其健康狀況和使用壽命有巨大影響。FBG能夠測量溫度與應(yīng)變，精度高，調(diào)解速度快，但由于溫度與應(yīng)變的交叉敏感，采用傳統(tǒng)的高反射率FBG，同時準(zhǔn)確測量大型結(jié)構(gòu)的溫度與應(yīng)變一直是工程應(yīng)用中的難題。目前提出的通過檢測參考光柵背向自發(fā)或受激布里淵散射光，實現(xiàn)分布式溫度與應(yīng)變的測量，但解調(diào)速度慢，測試精度低，且需要兩根光纖同時檢測溫度與應(yīng)變。

為了擴大工程應(yīng)用范圍，必須構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)的FBG傳感系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的光纖光柵傳感系統(tǒng)由于采用高反射率FBG，一般采用波分復(fù)用技術(shù)構(gòu)成準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)，定位準(zhǔn)確。但采用該技術(shù)的最大復(fù)用容量嚴(yán)重受限于光源帶寬，難以滿足大規(guī)模系統(tǒng)的需求。同時，在實際的工程應(yīng)用中布設(shè)相對困難，線路復(fù)雜且布設(shè)成本高。

長期以來，人們習(xí)慣于采用FBG中反射光譜獲取傳感信息，忽略了其前向傳輸光的各類信息。本發(fā)明提出，前向光在布拉格諧振波長附近存在一定的群延時，傳播速度較反射光慢，對外界應(yīng)力或振動信息敏感，構(gòu)成相位變化。采用快速掃頻激光器，將波分復(fù)用與時分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，同時檢測雙向光波的信息，擴大FBG傳感系統(tǒng)的容量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種雙向陣列光纖光柵復(fù)合傳感系統(tǒng)，本發(fā)明采用單根光纖就能夠同時檢測傳感區(qū)域中的溫度與應(yīng)變，檢測速度快，系統(tǒng)靈敏度高，檢測容量大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種雙向陣列光纖光柵復(fù)合傳感系統(tǒng)，包括快速可調(diào)激光器、電光調(diào)制器、環(huán)形器、準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列和信號處理模塊，快速可調(diào)諧激光器在信號處理模塊的控制下，開始掃頻，產(chǎn)生窄帶激光，送入到電光調(diào)制器，信號處理模塊產(chǎn)生電光調(diào)制器的驅(qū)動脈沖，對窄帶光調(diào)制，產(chǎn)生的與一組光纖光柵中心波長匹配的光脈沖從環(huán)形器的a口入、b口出，進入準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列并產(chǎn)生了反射光脈沖和前向光脈沖，反射光脈沖從環(huán)形器b口入、c口出，并經(jīng)后向光放大與接收模塊后進入信號處理模塊，同時前向光脈沖在所述的一組光纖光柵中心波長附近產(chǎn)生群延時效應(yīng)，慢光產(chǎn)生一串脈沖，經(jīng)前向光放大與接收模塊后進入信號處理模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明提供一種了基于快、慢光波同時檢測溫度與應(yīng)力(振動)的大容量光纖光柵陣列的系統(tǒng)，能夠克服現(xiàn)有的準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感應(yīng)用系統(tǒng)中存在的傳感單元容量小、檢測系統(tǒng)布設(shè)困難、線路復(fù)雜、布設(shè)成本高以及傳感響應(yīng)慢、測量精度低等的不足。本發(fā)明采用單根光纖就能夠同時檢測傳感區(qū)域中的溫度與應(yīng)變，檢測速度快，系統(tǒng)靈敏度高，檢測容量大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，為雙向陣列光纖光柵復(fù)合傳感系統(tǒng)的工作原理。

圖2為雙向陣列光纖光柵復(fù)合傳感系統(tǒng)快速可調(diào)激光器產(chǎn)生的窄帶光源光譜示意圖。

圖3為雙向傳感光纖光柵符合傳感系統(tǒng)的時分、波分復(fù)用技術(shù)的原理圖。

具體實施方式

一種雙向陣列光纖光柵復(fù)合傳感系統(tǒng)，包括快速可調(diào)激光器1、電光調(diào)制器2、環(huán)形器3、準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列4和信號處理模塊7，所述準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列4包括光纖，在所述光纖中連續(xù)寫入N組具有不同中心反射波長的光纖光柵且每組有M個具有同樣中心反射波長的光纖光柵，快速可調(diào)諧激光器1在信號處理模塊7的控制下，開始掃頻，產(chǎn)生窄帶激光，送入到電光調(diào)制器，信號處理模塊7產(chǎn)生電光調(diào)制器2的驅(qū)動脈沖，對窄帶光調(diào)制，產(chǎn)生的與一組光纖光柵中心波長匹配的光脈沖從環(huán)形器3的a口入、b口出，進入準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列4并產(chǎn)生了M個反射光脈沖和前向光脈沖，M個反射光脈沖從環(huán)形器b口入、c口出，并經(jīng)后向光放大與接收模塊5 后進入信號處理模塊7，同時前向光脈沖在所述的一組光纖光柵中心波長附近產(chǎn)生群延時效應(yīng)，慢光產(chǎn)生一串脈沖，經(jīng)前向光放大與接收模塊6后進入信號處理模塊7。準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列4為準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵(FBG)傳感陣列，所述準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵(FBG)傳感陣列為寫入有N組中心反射波長各不相同的光纖光柵且每組所述光纖光柵含有M個中心反射波長相同的光纖光柵，通過控制光電調(diào)制器2產(chǎn)生窄帶激光光源，對準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列進行分組掃描，實現(xiàn)在組與組之間的波分復(fù)用；準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列的同組不同位置上的光纖光柵的反射光和前向光按時序形成脈沖串且被接收、處理，區(qū)分出準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列的反射光傳感信號和前向光傳感信號。

本發(fā)明將波分復(fù)用與時分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，可同時檢測沿線放置FBG處的溫度與應(yīng)變，包括如下步驟：

1)在光纖中連續(xù)寫入N組具有不同中心反射波長的光纖光柵，每組都有M個具有同樣中心反射波長的光纖光柵，從而得到了大容量光纖光柵陣列傳感光纖，單根光纖的所含光纖光柵傳感器的容量可達(dá)到M×N。

2)快速可調(diào)激光器具有寬波長帶寬，但任一時刻掃頻發(fā)出窄帶連續(xù)光，其中心波長與在FBG陣列中某單組FBG的中心波長相匹配。窄帶連續(xù)光經(jīng)過電光調(diào)制器后產(chǎn)生單個脈沖，通過環(huán)形器進入準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列。該脈沖經(jīng)過與其中心波長匹配的一組FBG時，不同F(xiàn)BG產(chǎn)生具有一定時延的一串反射光脈沖，經(jīng)環(huán)形器后進入放大、接收與處理電路。該脈沖的前向光由于光纖光柵作用也會在該組FBG陣列的中心波長附近產(chǎn)生群延時效應(yīng)，形成一串慢光脈沖，進入到前向光放大、接收與處理電路。這樣通過分別控制掃頻激光器、電光調(diào)制器，產(chǎn)生窄帶光脈沖，實現(xiàn)對準(zhǔn)分布式波分復(fù)用光纖光柵傳感陣列的分組掃描。

3)光纖光柵傳感陣列中位于同一組的具有相同中心波長的光纖光柵串處在不同的空間位置，該組中每個光纖光柵的反射光或前向慢光到達(dá)光接收電路的時間不同，則實現(xiàn)了具有相同中心波長的每組光纖光柵傳感信息在時域分開，采用時分復(fù)用技術(shù)可采集該組中每個光纖光柵的反射光傳感信號和前向光傳感信號。

4)準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列中的單根光纖上各光纖光柵的后向反射信號光的中心波長λ_i和前向慢光信號光的相移P_i如下關(guān)系式：

λ_i＝λ_io+C_TΔT_i+C_εΔε_i

(1)

P_i＝P_i0+K_TΔT_i+K_εΔε_i (2)

式中，λ_i0為第i個光纖光柵的初始的反射波長，C_T和C_ε分別為光纖光柵的溫度和應(yīng)變系數(shù)，P_i0為第i個光纖光柵前向慢光信號光的初始的相移，K_T和K_ε分別為慢光相移的溫度和應(yīng)變系數(shù)，C_T、C_ε、K_T、K_ε是提前通過測量分布式光纖光柵傳感光纖標(biāo)定獲得的，聯(lián)立(1)，(2)得到第i個光纖光柵的溫度變化量ΔT_i和應(yīng)變變化量Δε_i，如下式：

${\mathrm{\ΔT}}_i=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}\mathrm{\Δ}{P}_i---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_i=\frac{K_T}{K_{\mathrm{T\ϵ}}{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_{\mathrm{T\ϵ}}{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{T\ϵ}}}{K_{\mathrm{T\ϵ}}{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_{\mathrm{T\ϵ}}{K}_{\mathrm{\ϵ}}}\mathrm{\Δ}{P}_i---\left(4\right)$

其中，Δλ_i＝Δλ_i-Δλ_i0，ΔP_i＝P_i-P_i0。

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步詳細(xì)描述：

如圖1所示，本發(fā)明是一種雙向陣列光纖光柵復(fù)合傳感系統(tǒng)，包括快速可調(diào)激光器、電光調(diào)制器、環(huán)形器、準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列、前向光放大與接收電路、后向光放大與接收電路和信號處理模塊。

快速可調(diào)諧激光器在信號處理模塊的控制下，開始掃頻，任一時刻產(chǎn)生窄帶激光，送入到電光調(diào)制器。信號處理模塊產(chǎn)生電光調(diào)制器的驅(qū)動脈沖，對窄帶光調(diào)制，產(chǎn)生的光脈沖從環(huán)形器a口入、b口出，進入準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列。

準(zhǔn)分布式FBG傳感陣列由在光纖中連續(xù)寫入N組具有不同中心波長的FBG串構(gòu)成，每組都由M個具有同樣中心波長的FBG，從而構(gòu)成大容量FBG傳感陣列。經(jīng)過掃頻激光器、電光調(diào)制器產(chǎn)生的與FBG陣列中某組FBG的中心波長匹配單個脈沖，傳輸?shù)皆摻MFBG串時，產(chǎn)生了M個反射光脈沖，從環(huán)形器b口入、c口出，并經(jīng)后向光放大與接收模塊后進入信號處理電路。前向光脈沖在該組FBG陣列的中心波長附近產(chǎn)生群延時效應(yīng)，慢光產(chǎn)生了一串脈沖，經(jīng)前向光放大與接收模塊后進入信號處理電路。這樣通過控制光電調(diào)制器產(chǎn)生窄帶激光光源可以實現(xiàn)對準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列進行分組掃描，可實現(xiàn)在組與組之間的波分復(fù)用。光纖光柵傳感陣列中位于同一組的具有相同中心波長的光纖光柵由于處在不同的位置上，該組中每個光纖光柵的反射光或前向光到達(dá)反射光放大與接收電路或前向光放大接收與處理電路的時間不同，時分復(fù)用技術(shù)則使每組FBG串產(chǎn)生了脈沖串。從而在后端光接收模塊中可區(qū)分該準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列的反射光傳感信號和前向光傳感信號。

準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感陣列中的單根光纖上各光纖光柵的后向反射信號光的中心波長λ_i和前向慢光信號光的相移P_i如下關(guān)系式：

λ_i＝λ_io+C_TΔT_i+C_εΔε_i (1)

P_i＝P_i0+K_TΔT_i+K_εΔε_i (2)

式中，λi0為第i個光纖光柵的初始的反射波長，CT和Cε分別為光纖光柵的溫度和應(yīng)變系數(shù)，P i0為第i個光纖光柵前向慢光信號光的初始的相移，KT和Kε分別為慢光相移的溫度和應(yīng)變系數(shù)，CT、Cε、KT、Kε是提前通過測量分布式光纖光柵傳感光纖標(biāo)定獲得的，聯(lián)立(1)，(2)得到第i個光纖光柵的溫度變化量ΔTi和應(yīng)變變化量Δεi，如下式：

${\mathrm{\ΔT}}_i=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{\ϵ}}}{K_{\mathrm{\ϵ}}{C}_T-C_{\mathrm{\ϵ}}{K}_T}\mathrm{\Δ}{P}_i---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_i=\frac{K_T}{K_{\mathrm{T\ϵ}}{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_{\mathrm{T\ϵ}}{K}_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_i-\frac{C_{\mathrm{T\ϵ}}}{K_{\mathrm{T\ϵ}}{C}_{\mathrm{\ϵ}}-C_{\mathrm{T\ϵ}}{K}_{\mathrm{\ϵ}}}\mathrm{\Δ}{P}_i---\left(4\right)$

其中，Δλ_i＝Δλ_i-Δλ_i0，ΔP_i＝P_i-P_i0。