专利名称：基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感技术领域，特别是针对弱布拉格反射周期结构光纤在分布式传感 中的应用。其基于分布式光纤的连续后向散射效应和波长调制传感特点，结合“光波长时域 反射(0WTDR)”创新技术进行参量检测和定位，获得沿光纤沿线待测参量的空间场分布，构 成基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感报警系统。
背景技术：
材料与结构的智能化是21世纪具有挑战性的课题。利用智能结构分析监测工程 结构损伤，评估高危设备工作状况，对于防止灾难性事故的突发、保护人民生命财产的安全 具有十分重要的意义。因而，光纤传感技术近年来得到了迅速发展，也受到人们越来越多的 关注。其中，分布式光纤传感(DOFS)更是成为了目前国际上研究的热点。目前已经报道的 分布式光纤传感技术主要有三类①基于光纤后向散射的光时域反射(OTDR)技术；②长距 离干涉技术(Interferometer)；③基于光纤布拉格光栅(FBG)复用的准分布传感技术等。基于光后向散射技术的分布式传感利用光时域反射探测技术实现根据后向散射 光的特性(光强、偏振态、频率等)改变确定待测参量大小，根据回波时间确定位置，由此获 得待测参量的空间分布，空间分辨率由脉冲宽度决定。这类传感器光收、发在光纤的同一 端，单光源工作，系统简单，但是后向散射光非常弱，单次探测灵敏度较低，多次平均测量则 实时性较差，对数据处理能力要求非常高。同时，光强度传感表现为输出信号光功率的变 化，在长距离探测中容易受到诸多因素的影响，测量准确性和可靠性很难保证；光偏振态传 感要求采用保偏光纤，成本高，且提取偏振态演化信息在技术实现上难度较高。将长程马赫一泽德、萨格纳克以及迈克尔逊等干涉仪混合使用，可对随时间变化 的扰动进行分布式测量。例如，萨格纳克/马赫一泽德、萨格纳克/迈克耳逊、萨格纳克/ 萨格纳克、马赫一泽德/马赫一泽德以及差分环/环等双干涉仪结构，其中包括单光源单探 测器和单光源双探测器等类型。这类传感器依靠正向传输的光信号干涉传感和特定结构定 位，具有灵敏度高、动态信号检测、传感距离长、实时性好等优点。但是干涉表现为输出信号 光功率的变化，在长距离探测中容易受到诸多因素的影响，测量准确性和可靠性很难保证; 作为传感光纤的通信光缆中的偏振衰落现象难以解决；相位调制型的干涉原理导致难以实 现多点同时检测；结构复杂。因此，干涉技术难以在长距离分布式传感中实用化。FBG传感表现为中心波长调制(或波长编码)，通过对FBG反射波长移动的监测即 可测量外界参量的变化，探测能力不受光源功率波动、光纤弯曲损耗、探测器老化等因素的 影响，适合长期安全监测。但基于FBG的分布式传感面临的一大难题是系统复用容量受到 光源和滤波器带宽的限制，一个阵列一般只能复用15个左右的光栅，这对于长距离高密度 的分布式检测是远远不够的。因此光纤光栅复用技术的研究受到广泛关注，该方法解决了 波分复用技术中复用数目受光源和波长解调器带宽限制的问题，但是仍然需要解调反射光 波长才能确定温度最大值，而且最大的缺点是无法分辨发生超温的具体位置。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有的分布式光纤传感技术存在的问题，提 供一种基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感系统，使其在温度、应力和振动等参量的 长距离传感报警中获得广泛应用，本发明具有很高的检测灵敏度和振动定位精度，该系统 容易实现、成本较低，而且运行可靠。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案
基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感系统，包括SG-DBR可调谐激光器、电光调制 器、光隔离器、光环形器、弱布拉格反射周期结构光纤，它们依次相连；SG-DBR可调谐激光 器由波长调谐控制电路控制，电光调制器由脉冲函数发生器控制，光环行器上还接有光探 测器，波长调谐控制电路和电光调制器输出的控制信号与光探测器输出的电信号共同进入 数据采集卡，处理后送入数据分析设备。所述弱布拉格反射周期结构光纤包括依次相连的加有保护装置的参考光栅和全 同弱布拉格反射周期结构，光环行器接至加有保护装置的参考光栅。所述弱布拉格反射结构光纤包括外层的紫外透明涂覆层和内层的光纤纤芯，光纤 纤芯上序列分布弱布拉格反射结构。本发明与现有技术相比，主要具有以下优点
其一，本发明采用弱布拉格反射结构(WBRS)作为传感单元，反射率比后向散射技术要 高出数个数量级，探测更为容易且测量精度更高，反射率可根据应用要求灵活设计。其二，本发明探测的是波长变化，而不是强度变化，不受光源功率波动影响，性能 上更为可靠。其三，本发明采用全同弱布拉格反射结构(WBRS)，各个位置的后向反射率极低，可 以满足长距离检测而不会遗漏任何位置的测量信息。因此，传感距离和检测密集度将得到 质的提高。其四，本发明采用光波长时域反射(OWTDR)技术，同时实现探测与定位，无需波长 解调，实时性高，成本低。本发明能够突破现行光纤传感技术的困境，大幅度提高传感系统容量以及传感距 离，可广泛应用于桥梁安全控制、输变电线路监控、区域周界安全警戒、核电站安全监测和 海底监视等监控领域。


图1为基于弱布拉格周期结构光纤的分布式传感报警系统原理示意图。图2是本发明的弱布拉格反射周期结构光纤结构示意图。图中图中1.取样光栅 分布布拉格反射(SG-DBR)可调谐激光器；2.波长调谐控制电路；3.脉冲函数发生器；4.电 光调制器；5.光隔离器；6.光环形器；7.弱布拉格反射周期结构光纤(WBF) ;8.光探测器； 9.数据采集卡；10.数据分析设备；11.加有保护装置的参考光栅；12.全同弱布拉格反射 周期结构(WBRS) ;13.紫外透明涂覆层；14.弱布拉格反射周期结构；15.光纤纤芯。
具体实施例方式本发明提供了基于弱布拉格反射周期结构光纤的分布式传感报警方法及其系统。
本发明在长距离光纤上内刻一系列全同弱布拉格反射结构(WBRS)，作为系统的传 感单元。第一个WBRS为参考单元(图1中的11)，置于环境保持恒定的保护装置内，其中心 波长作为参考波长，其他WBRS的中心波长均以此为标准来判断波长漂移量。采用取样光栅 分布布拉格反射(SG-DBR)可调谐激光器作为系统光源，由波长调谐控制电路驱动，程控输 出波长按设定好的信道间隔和转换速率变化。SG-DBR属于电流注入型激光器，可以达到很 高的调谐性能调谐带宽30nm，信道间隔1pm，波长转换时间100ns，线宽4MHz。SG-DBR激 光器输出的窄带直流光通过由脉冲函数发生器驱动的电光调制器变成脉冲光，经过光隔离 器和光环形器入射弱布拉格反射周期结构光纤(WBF)。WBRS的后向散射脉冲光通过光环形 器耦合进入光探测器。波长调谐控制电路、脉冲函数发生器和探测器的输出电信号经过数 据采集及信号分析，测算出分布式传感检测结果，并发出异常报警信号。本发明采用高速多路同步数据采集卡采集波长调谐控制电路、脉冲函数发生器和 探测器的输出电信号，然后将三路信号送入计算机进行数据分析。波长调谐控制电路的输 出信号反映激光器激射波长随时间的变化，脉冲函数发生器的输出信号反映入射WBF的脉 冲序列随时间的分布，探测器的输出信号反映WBF中后向散射光信号随时间的变化。光纤 上间隔地内刻n+1只WBRS，其中第一只为参考单元。设波长调谐周期为Td=HiTtl，每一个波 长保持时间为I。波长调谐速率和脉冲调制重复频率一致，即在每个Ttl内只发射一个光脉 冲。以脉冲发射时间为基准，如果WBRPS能够对发射的光脉冲反射，则光探测器应分别在 延迟、、τι、τ2、…、τ η的时间位置探测到反射光脉冲。在这种情况下，WBRPS的中心波 长和空间位置都与时间有关，因此虽然光探测器探测到的反射信号光强只随时间变化，但 实质是与WBRPS中心波长和位置息息相关的。在每个Ttl内，分别记录反射信号在^、T1, τ2、…、τη时间位置的光强值，则在波长的整个调谐周期Td内，将会测得每个WBRPS对波 长λ i λ m的反射率，于是得到每个WBRPS的反射谱。由于每只WBRPS受到的外界参量作 用不同，相应的反射谱中心波长不同。将传感单元WBRPS的中心波长Ari (i=l、2、3…η)与 参考单元WBRPS的中心波长λ r0作比较即可测算出每只WBRPS的中心波长漂移，从而获得 场分布。由此提出“光波长时域反射(0WTDR)”概念，即根据光信号在波长域和时间域二维 空间中的数据分析传感并定位待测参量的分布。WBRS是一种传输方向相反的模式之间发生耦合而反射特定波长 的光纤滤波器，在受到外界环境的温度、应力、应变或振动的影响时，其窄 带弱反射谱的中心波长发生线性移动。以应力传感为例，WBRS的中心波长 4与应力Γ的线性变化关系为
权利要求
1.基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感系统，其特征在于其包括SG-DBR可调谐 激光器(1)、电光调制器(4)、光隔离器(5)、光环形器(6)、弱布拉格反射周期结构光纤(7)， 它们依次相连；SG-DBR可调谐激光器(1)由波长调谐控制电路(2)控制，电光调制器(4)由 脉冲函数发生器(3)控制，光环行器(6)上还接有光探测器(8)，波长调谐控制电路(2)和电 光调制器(4)输出的控制信号与光探测器(8)输出的电信号共同进入数据采集卡(9)，处理 后送入数据分析设备(10)。
2.根据权利要求1所述的分布式传感系统，其特征在于弱布拉格反射周期结构光纤 (7)包括依次相连的加有保护装置的参考光栅(11)和全同弱布拉格反射周期结构(12)，光 环行器(6 )接至加有保护装置的参考光栅(11)。
3.根据权利要求1所述的分布式传感系统，其特征在于弱布拉格反射结构光纤(7)包 括外层的紫外透明涂覆层(13)和内层的光纤纤芯(15)，光纤纤芯(15)上序列分布弱布拉 格反射结构(14)。
全文摘要
本发明提供了一种基于弱布拉格反射结构光纤的分布式传感系统，其包括SG-DBR可调谐激光器(1)、电光调制器(4)、光隔离器(5)、光环形器(6)、弱布拉格反射周期结构光纤(7)，它们依次相连；SG-DBR可调谐激光器(1)由波长调谐控制电路(2)控制，电光调制器(4)由脉冲函数发生器(3)控制，光环行器(6)上还接有光探测器(8)，波长调谐控制电路(2)和电光调制器(4)输出的控制信号与光探测器(8)输出的电信号共同进入数据采集卡(9)，处理后送入数据分析设备(10)。本发明实现温度、应力和振动等参量的长距离分布式传感报警，具有很高的检测灵敏度和定位精度，而且容易实现、成本较低，运行可靠。
文档编号G01D5/353GK102102998SQ20101059035
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者刘德明, 孙琪真, 张满亮, 李晓磊, 沃江海, 王梓 申请人:华中科技大学