本发明专利技术公开了一种基于时分复用和匹配光纤光栅技术的准分布式光纤光栅传感网络系统，可以在一个光栅传感网络中容纳多组中心反射波长匹配的光纤光栅对。利用窄脉冲信号序列对宽带光源进行直接高速调制，宽带光源发出的光脉冲经过隔离器和环行器进入到传感光纤光栅和匹配光纤光栅序列中，光脉冲在传播过程中随光纤光栅位置的不同而反射回不同时延的光脉冲序列，经过光电探测器进行光电转换，形成电脉冲信号序列。脉冲序列在时域上的排列位置与形成反射的光纤光栅在传感网络中的空间位置相关，这样基于高速电路对信号进行处理，根据脉冲信号的时间位置关系区分出不同的光栅，并根据脉冲信号的峰值强度分别得到各个传感光栅的波长变化情况。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及在光纤光栅测量或传感领域利用时分复用和匹配光栅实现对压力、应变或者温度等环境参数进行测量的方法
技术介绍
光纤光栅（或称光纤布喇格光栅，Fiber Bragg Grating - FBG）是目前光纤传感领域研究和应用的一大热点。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰，精度高，有效使用寿命长，波长编码复用能力强等优点，近年来在传感领域获得广泛的应用。光纤光栅传感器的突出优点之一是可以实现准分布式的传感,即在一根或多根光纤上刻入多个光纤光栅,并利用复用技术实现对各种传感量的准分布式测量。在此基础上研究的重点集中到了光纤布拉格光栅传感网络的设计与开发上。目前研究及应用较多的复用技术是波分复用技术（如图1所示，各个光纤光栅的中心波长不同）。在使用波分复用技术的光纤光栅传感系统中,对光纤光栅的解调速度和系统寿命受制于关键的F-P机械扫描光学滤波器。使用边沿滤波器对光纤光栅的中心反射波长变化量进行强度解调可以避免机械器件的限制，但是通常在同一根光纤中只能容纳一个光纤光栅，无法利用一根光纤串联多个光栅进行准分布式测量。另一方面，有的技术也基于时分复用技术，但只能利用对窄带光源进行调制后的脉冲序列进入传感光栅序列，而所有传感光纤光栅由于光源带宽所限，只能采用同一中心波长但不同的反射率（一般靠近光源的反射率较低，逐个增大）进行时域分析（如图2所示，光栅的中心波长一致，但反射率不同）。这样的解决方案主要存在不同反射点之间的串扰大和传感精度不够的问题。
技术实现思路
鉴于现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种解调速率较快而且容量较大的光纤光栅传感网络技术，使之可以在一个光栅传感网络中容纳多组中心反射波长匹配的光纤光栅对。本专利技术的目的是通过如下手段实现的：基于时分复用和匹配光纤光栅技术的准分布式传感网络，宽带光源由高频窄脉冲序列信号直接进行调制，然后经光环形器后进入传感光纤光栅序列和具有边沿滤波功能的匹配光纤光栅序列，最后经光电探测器接收后由高速电路基于光时域反射原理对光纤光栅传感信号进行检测与分析。本专利技术利用窄脉冲信号序列对宽带光源进行直接高速调制，宽带光源发出的光脉冲经过隔离器和环行器进入到传感光纤光栅和匹配光纤光栅序列中，光脉冲在传播过程中随光纤光栅位置的不同而反射回不同时延的光脉冲序列，经过光电探测器进行光电转换，形成电脉冲信号序列。脉冲序列在时域上的排列位置与形成反射的光纤光栅在传感网络中的空间位置相关，这样基于高速电路对信号进行处理，根据脉冲信号的时间位置关系区分出不同的光栅，并根据脉冲信号的峰值强度分别得到各个传感光栅的波长变化情况。可以-->在一个光栅传感网络中容纳多组中心反射波长匹配的光纤光栅对。本专利技术利用时分复用组网的优势和匹配光栅高速的优势，有效地解决了传统方案中针对同一个串联网络，不同位置处光纤光栅反射回来的连续光信号在光电探测器出叠加无法有效分辨的问题，使得光纤光栅传感网络能以较快的解调速率进行准分布式测量，具有重要的使用价值。附图说明如下：图1为典型的波分复用光纤光栅传感网络结构示意图。图2为典型的时分复用光纤光栅传感网络结构示意图。图3为本专利技术提出的光纤光栅传感网络结构示意图。图4为匹配光纤光栅传感原理图。图5为本专利技术提出的光纤光栅传感网络另一种结构示意图。图6为光电探测器接收到的脉冲序列与光纤光栅排列位置的关系示意图。图7为本专利技术典型实施系统结构图。图8为本专利技术的应用举例。图9为基于本专利技术组成更大的传感网络结构示意图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。如图3所示，宽带光源100由窄脉冲序列信号101直接进行调制，然后经光环形器102（光源100和光环形器102之间也可以增加隔离器进一步提高对光源的保护）后进入传感光纤光栅序列103，传感光纤光栅序列中各个光栅的中心反射波长不同，这样宽带光脉冲就会被各个光纤光栅分别反射回一部分；反射回的光再次通过光环形器102后进入具有边沿滤波功能的匹配光纤光栅序列104，对反射光分别进行边沿滤波；边沿滤波后的光脉冲达到光电探测器105进行光电转换生成电脉冲序列信号，电脉冲序列信号在时间上的位置顺序与进行准分布式测量的光纤光栅在光纤链路中的排列位置相关；使用高速电路106将获取的电脉冲序列信号进行处理和分析，根据在时间上的先后顺序判处出不同位置处的光纤光栅的反射信号，并根据脉冲信号的峰值高度变化（依据后面所述的匹配光纤光栅原理）计算得到传感光纤光栅中心反射波长的变化量。更仔细一些来说，传感光纤光栅序列103由一系列具有不同中心波长的光纤光栅组成（1031, 1032, …103N），而匹配光纤光栅序列104也由一系列具有不同中心波长的光纤光栅组成（1041, 1042, …104N），但是，对于这两个序列中同一位置的光纤光栅则具有完全一致的特性（如中心波长），实现匹配功能。利用匹配光栅进行传感的原理如图4所示，在最初状态下，两个光栅（FBG1和FBG2）特性一致，在光谱上完全重合，当其中一个光栅受外界影响波长发生漂移后（通常另外一个光栅不受外界影响，作为参考光栅），两个光栅之间的重合情况（图4中的阴影部分）也将发生改变，因此，只需要通过检测两个光栅重合部分对应的功率改变就可以实现对外界情况的传感，而且由于两个光纤光栅对温度的反映完全一致，可以消除温度对传感结果的影响。匹配光纤光栅序列与传感光纤光栅序列置于同一外界环境下消除温度影响或经过初始温度差标定，实现温度不敏感的应变或压力传感。因此，这种方法具有结构简单、温度不敏感和可以实现高速传感（只需功率检测）的优点。类似的原理还可以采用图5所示的方式进行，宽带光源200经201进行高速驱动-->调制后，经环行器202进入到光纤光栅序列，与图3不同的是，将两个光纤光栅序列（传感光纤光栅序列和匹配光纤光栅序列）分布在同一链路上，其中传感光纤光栅序列为2031，2032…203N，而匹配光纤光栅序列为2031’,2032’,…203N’。排列方式按照2031、2031’、2032、2032’…203N、203N’的次序。如图3类似，不同序号的光栅其中心反射波长不同，而两个序列中同一序号的光纤光栅（FBGi 和FBGi￠，如2031 和2031’）作为匹配光栅对，具有一样的性质（原始中心波长），其中传感光栅用于测量外界参数的变化，而匹配光栅起参考作用，原理在图4中已作过说明。值得注意的是，作为匹配光栅对（FBGi 和FBGi￠），这两个光栅之间的距离应该小于系统探测的空间分辨率（由高速电路和光源性质决定）。整个传感网络反射回的光信号经环行器202后进入光电探测器204接收后由高速电路205进行分析处理。另外，基于时分复用的测量原理与光时域反射测量原理有些类似。宽带光源在窄脉冲信号序列的直接调制下发出光脉冲信号序列，该脉冲信号的时域宽度取决于进行准分布式测量的光纤光栅阵列中光纤光栅间的光纤连接线的最小长度，一般可由以下公式计算得到其中t为窄脉冲信号的时域宽度，△L为进行准分布式测量的光纤光栅阵列中光纤光栅间的光纤连接线的最小长度，n为光纤的有效折射率，c为光在真空中的传播速度。相邻窄脉冲间的发射时间间隔T取决于进行准分布式测量的光纤光栅阵列中光纤连接线的总长度，一般可由以下公式计算得到其本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．基于时分复用和匹配光纤光栅技术的准分布式传感网络，其特征在于，宽带光源由高频窄脉冲序列信号直接进行调制，然后经光环形器后进入传感光纤光栅序列和具有边沿滤波功能的匹配光纤光栅序列，最后经光电探测器接收后由高速电路基于光时域反射原理对光纤光栅传感信号进行检测与分析。
【技术特征摘要】
1.基于时分复用和匹配光纤光栅技术的准分布式传感网络，其特征在于，宽带光源由高频窄脉冲序列信号直接进行调制，然后经光环形器后进入传感光纤光栅序列和具有边沿滤波功能的匹配光纤光栅序列，最后经光电探测器接收后由高速电路基于光时域反射原理对光纤光栅传感信号进行检测与分析。2.根据权利要求1所述之基于时分复用和匹配光纤光栅技术的准分布式传感网络，其特征在于，具有传感功能的光纤光栅序列FBG1、FBG2…FBGi…FBGN串联在同一个光纤链路上，具有边沿滤波功能的匹配光纤光栅序列FBG1￠、FBG2￠… FBGi￠…FBGN￠串联在同一个光纤链路上，传感光纤光栅序列和匹配光纤光栅序列位于光环行器的不同端口，传感光纤光栅序列反射回的光再次通过光环行器后进入匹配光纤光栅序列。3.根据权利要求1所述之基于时分复用和匹配光纤光栅技术的准分布式传感网络，其特征在于，传感光纤光栅序列FBG1...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫连山，张兆亭，潘炜，罗斌，周国华，张志勇，易安林，温坤华，王圣根，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：90
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