专利名称：基于无源光网络的分布式多通道光纤布拉格光栅传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤布拉格光栅传感技术领域，特别涉及一种基于无源光网络的分布 式多通道光纤布拉格光栅传感系统。
背景技术：
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数 与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态 等)发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。 光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器是光纤传感器的一种，基于光纤布拉 格光栅的传感是利用待测物理参量对光纤布拉格(Bragg)周期的调制来获取传感信息的， 是一种波长调制型光纤传感器。
由于光纤布拉格光栅与光纤之间天然的兼容性,很容易将多个光纤布拉格光栅串 联在一根光纤上构成一条光纤布拉格光栅传感器通道，实现准分布式传感。光纤布拉格光 栅除具有普通光纤的许多优点外，其本身的传感信号为波长调制，使得测量信号不受光源 功率起伏波动、光纤弯曲损耗、以及系统损耗等影响，因此光纤布拉格光栅在传感领域的应 用引起了世界各国有关学者的广泛关注和极大兴趣。自从1989年Morey等人首先对光纤 布拉格光栅的应变和温度传感特性进行了研究后，光纤布拉格光栅传感器的应用领域不断 拓展，现在人们已将其逐步应用于多种物理量的测量，制成了各种传感器。
但是由于现有技术中使用的宽带光源(例如SLED)的谱宽一般为40nm 50nm， 而每个FBG的谱宽通常为O. 07nm O. 6nm,且在检测外界信号时，FBG中心波长通常要漂 移I 2nm ;在实际的工作状态下，为了使不同FBG的反射谱不相互重叠，每个通道内能够 接入的FBG传感器一般不超过30个。而一个大型工程往往需要同时对成百上千个位置进 行监测，且布设位置分布范围较大，单通道FBG传感系统显然无法适应大规模的应用，由于 FBG传感器解调仪价格昂贵，增加解调仪数量将极大增加成本，因而具有高可扩展性的分布 式多通道光纤布拉格光栅传感系统是一种有效的方案。
当前实现分布式多通道光纤布拉格光栅传感主要有两种方式，分别是并行解调方 式和光开关切换控制方式并行解调方式通常是利用光滤波器控制的多个PIN管来实现分 布式多通道光纤布拉格光栅传感系统的解调。并行解调方式可并行工作，具有较好的实时 性。但由于PIN管的分光�？橛虢獾髂？樵谖锢砩夏岩苑挚笙拗屏� FBG布设的空间 扩展性。光开关切换控制方式则是利用光开关实施多通道切换控制来实现分布式多通道 FBG传感系统。光开关切换控制方式中分光�？榻弦资迪郑蚬饪氐耐ǖ狼谢槐匦胧� FBG解调�？榈目刂疲衷斐闪斯饪赜虢獾髂？槟岩栽谖锢砩戏挚沟肍BG布设的 空间扩展性被极大限制。发明内容
(一 )要解决的技术问题
针对上述缺点，本发明为了解决现有技术中分布式多通道光纤布拉格光栅传感系统的传感通道无法灵活扩展的问题，提供了一种基于无源光网络的分布式多通道光纤布拉格光栅传感系统，能够在系统中灵活地扩展光开关的数量，从而可有效地增加传感通道的数量。
( 二 )技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于无源光网络的分布式多通道光纤布拉格光栅传感系统，所述系统包括传感�？楹屯ǖ狼谢豢刂颇？椋�
所述传感�？榘ㄍü庀讼嗔拥拇薪獾鞯ピ�、第一光分/合路器、至少一个光开关以及至少一个传感器阵列；
所述通道切换控制�？榘ㄍü庀讼嗔拥墓庀呗分斩�、第二光分/合路器以及至少一个光网络单元；
其中，所述通道切换控制模块中的光线路终端连接所述传感�？橹械拇薪獾鞯ピ凰鐾ǖ狼谢豢刂颇？橹械墓馔绲ピ胨龃心？橹械墓饪匾灰欢杂α樱辉谇谢皇笨逃筛鞴馔绲ピ刂朴胫嗔墓饪亟星谢徊僮鳎惫庀呗分斩讼虼薪獾髂？橥ㄖ敫鞴饪氐牧ㄐ畔�。
优选地，所述传感�？橹械拇薪獾鞯ピü庠础⒐怦詈掀饕约按薪獾髌鳎� 其中，通过所述光耦合器连接所述光源与所述传感解调器，所述光耦合器还同时连接所述第一光分/合路器；在所述光源与所述光耦合器连接的一端，通过光隔离器进行隔离。
优选地，所述光开关与传感器阵列一一对应连接，每个所述传感器阵列由η个通道构成，所述光开关为IXn光开关，其中，η为自然数。
优选地，每个传感器阵列的所述η个通道中，第I通道中不包括FBG传感单元，第 2至第η通道中的每个通道包括至少一个FBG传感单元。
(三)有益效果
本发明中利用无源光网络PON(Passive Optical Network)中各网络单元之间严格的时间同步特点，通过扩展光开关的数量来有效增加传感通道的数量，本发明的系统不受限于传感解调�？橹刑讲馄鞯氖考耙桓龉饪氐亩丝谑康脑际砺凵峡芍С值拇型ǖ雷芰渴堑ジ龉饪氐亩丝谑宋拊垂馔缰械挠没Ф耸蚨哂泻芮康拇型ǖ览┱剐�。
图1为本发明中基于无源光网络的分布式多通道光纤布拉格光栅传感系统结构示意图2为测试本发明系统性能的验证系统结构示意图3a_d为采用验证系统分别连续10次测量A21、B21、B22、C31四个传感器得到的结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明基于无源光网络PON中各网络单元之间严格的时间同步特点，利用无源光网络中多个用户单元实施对多个光开关的全局同步的开关控制，以时分复用(Time Division Multiplex,TDM)方式实现传感解调�？橛敫鞔型ǖ�(传感通道可分别与不同光开关相连)的连通，对于每一个传感通道上的多个传感器，传感解调端以波分复用的方式进行探测解调。此方案通过扩展光开关的数量可有效增加传感通道的数量，不受限于传感解调�？橹刑讲馄鞯氖考耙桓龉饪氐亩丝谑浚砺凵峡芍С值拇型ǖ雷芰渴堑ジ龉饪氐亩丝谑宋拊垂馔缰械挠没Ф耸蚨哂泻芮康拇型ǖ览┱剐�。
基于无源光网络的分布式FBG传感网络原理如图1所示。图中的虚线将系统分为上下两部分，虚线以上是FBG传感器网络及解调部分，简称传感模块；虚线以下是控制解调单元与多个传感通道进行连通切换的切换控制�？椋次拊垂馔绮糠�。对于传感�？椋诖薪獾鞯ピ攵喔龃衅髡罅兄洌梢桓鯥 XN光分/合路器I (ODNl)、N个光开关、以及用于连接的光纤构成了信号传输通道，该信号传输通道连接分FBG传感器网络的传感器阵列与传感解调�？椴⒔写行畔⒋�。
图1传感�？橹杏冶呖蛲疾糠治喔龃衅髡罅�(图1中示意性画出传感器阵列 I和传感器阵列N)，其中，每一个传感器阵列由η个通道(通道I至通道η)构成，这η个通道与一个I X η光开关相连接，η个通道中的第I通道中没有FBG传感单元，用于消除此传感器阵列的光谱反射，从而避免在其它传感器阵列的传感探测时间周期中产生反射波干扰， 其它的η-1个传感器通道(第2至第η通道)中，每个通道由多个FBG传感单元构成(图1中均示意性地画出4个FBG)。
图1中传感�？榈淖蟊卟糠治庠醇按薪獾鞯ピ庠从氪薪獾鞯ピü怦詈掀飨嗔樱渲泄庠次ǔ�1520-1570nm的宽带光源，光源与光耦合器之间还通过光隔离器进行隔离。为了实现传感解调单元以TDM的方式与多个传感器阵列中的多个传感通道连通，本发明的系统中利用无源光网络进行通道切换控制无源光网络中各网络单元(包括光线路终端OLT与各用户端0NU)之间具有严格的时间同步特性，本发明中将无源光网络与分布式传感网络的系统结构对应一致设置，利用无源光网络中各网络单元的时间同步方式来对分布式传感网络进行通道切换控制。其中，利用无源光网络中的 OAM(Operation、Administration、Maintenance)通道或基于 MPCP(Multiple Point Control Protocol，多点控制协议)设置各光开关实施切换的时刻，并在该切换的时刻由各 ONU控制与之相连的光开关进行切换操作，同时由OLT向传感解调�？橥ㄖ嘤Φ墓饪亓ㄐ畔�。具体地，在OLT及ONU端同时运行有定时触发�？椋贠LT与ONU的时间同步性，在实施切换的时刻，根据系统设定的光开关触发信息，所有ONU均向各自的光开关发出导通控制信息，同时OLT向光解调�？橥ㄖ敫鞴饪氐牧ㄐ畔�(即当前应被触发的光开关信息)。根据无源光网络发出的上述信息，光开关触发信息中应被触发而处于与传感解调模块联通周期内的光开关在对应ONU控制下将与本光开关相连的传感器阵列的各传感通道顺次导通至传感解调�？椋溆嗟拇τ诜橇ㄖ芷谀诘母鞴饪卦诟髯缘腛NU控制下，均将相连的传感器阵列的第一通道(即通道I)与传感解调�？榈纪ā�
通过上述方式，利用无源光网络的时间同步特性，本发明的分布式多通道光纤布拉格光栅传感系统实现了对光开关切换和对传感解调模块导通的独立控制和实时同步控制。因而本发明的系统可以不通过传感解调�？槎怨饪亟星谢唬沟霉饪匚锢砩喜辉僖览涤诮獾髂？椋蟮乩┱沽� FBG的布设空间；此外，本发明的系统结构简单，只需根据情况调整IXN光分/合路器和/或IXn光开关的路数(即N、n值)即能在系统中增加或减少传感器阵列。因而本发明的系统实现简单，且极易实现系统规模及传感器阵列的扩展，可充分满足大型工程中大规模检测的需求。
为了验证本发明的系统的性能，搭建了相关验证系统进行测试，验证系统如图2 所示，主要由五部分构成传感解调器a、宽带光源b、FBG传感器阵列cl_c3、实施通道切换控制操作的EPON系统中的OLT模块d及ONU�？閑。其中，传感解调器a采用可调谐FBG匹配滤波的检测机制，具体实现方案如图2所示，可调谐FBG周期调节�？橛捎氩浇缁嗔囊晃鹘谄�、步进电机、步进电机的控制系统可编程控制器PLC及安装在PC中的控制软件组成。实验系统中大扭矩步进电机的单脉冲旋转度是1. 8° /40，一维调节器的调节柄旋转一周调节器的直线调节距离是O. 5mm,计算得步进电机每步进一步产生的直线调节距离为 O. 5mm/[360° /(1. 8。/40)] =62. 5nm ;可调谐匹配FBG(反射谱中心波长为 1544.1Onm) 被制作在一根光纤上，光纤的一端固定在系统基座上，另一端连接在一维调节器的调节端上，光纤两固定端的距离约为O. 05m，匹配FBG位于光纤两固定端的中间位置。
实验测得步进电机步进10步，匹配FBG的周期改变量Δ λ O. Olnm。当可调谐匹配FBG的中心波长和FBG传感器的中心波长匹配时，PIN 二极管光电探测器探测到的光功率最弱，此时PIN管所在的0/E转换模块产生电脉冲信号，将脉冲信号传送到PLC的一个触发端，PLC将当前的位移信息通过RS232串行口传送到PC机上，PC机根据PLC传送的位置信息，计算出FBG传感器当前的反射波长 。
为了简化原理验证系统的复杂性，同时为了验证系统的可扩展特性，系统使用了 3 个FBG传感器阵列cl-c3，其中，第一 FBG传感器阵列cl中只包含两个通道(通道I与通道2)共计I个FBG传感器A21，第二 FBG传感器阵列c2中也只包含两个通道(通道I与通道2)共计2个FBG传感器B21、B22,第三FBG传感器阵列c3中同样只包含两个通道(通道I与通道2)共计I个FBG传感器C31。FBG传感器A21、B21、B22、C31的反射谱中心波长分别为 1546. 21nm、1545. 16nm、1547. 44nm、1546. 83nm，反射谱宽半峰全宽(FffHM)分别为O.20nm、0. 45nm、0. 46nm、0. 40nm，反射率分别为 75% ,95% ,95% ,80% 宽带光源�？椴捎玫腁SE光源，1520nm-1570nm范围功率大于-15dBm。
对与光开关1、光开关2及光开关3相连的三个传感器阵列中的共计六个通道与解调�？榈牧ǹ刂朴蒃PON系统中的ONU及OLT�？榭刂仆瓿伞６杂ι鲜龅募蚧珽PON 系统也仅由一个OLT及三个ONU构成，且OLT与三个ONU由一个1X4的光分路/合路器 2(0DN2)进行连接。为了验证系统的可扩展特性，实验测试分两次进行第一次仅对图2中光开关I及光开关2所连接的四个通道进行了测试，此次测试中不包含图中虚线所示的光开关3及光纤连接部分；第二次测试在第一次测试的基础上加入了图2中虚线所示的光开关3及光纤连接部分。为了简化对原理系统的实验验证，在第一次验证中，ONUl与0NU2共发出两种控制信号，分别实现光开关I和光开关2中的一个处于传感通道连通状态，另外一个光开关处于传感通道非连通状态；在第二次验证中，0NU1-3共发出三种控制信号，分别实现三个光开关中的一个处于传感通道连通状态，另外两个光开关处于传感通道非连通状态。同样为了简化对原理系统的实验验证，在两次验证过程中，OLT也并没有发送触发时间信息，而是利用传感解调�？橹凶约旱氖奔渑卸细魍ǖ赖牧ㄇ榭�。
利用EPON系统中各ONU之间严格的时间同步特点，在第一次实验中，由OLT设定 ONUl所控制的FBG传感器阵列I中的传感通道I与0NU2所控制的FBG传感器阵列2中的传感通道2同时连通，并设定ONUl所控制的FBG传感器阵列I中的传感通道2与0NU2所控制的FBG传感器阵列2中的传感通道I同步连通，从而实现光开关I的通道I及光开关2 的通道2同时与解调�？榱ǎ饪豂的通道2及光开关2的通道I同时与解调�？榱ǎ苊獠煌現BG传感单元的反射信号间相互干扰。在第二次实验中，由OLT设定ONUl所控制的FBG传感器阵列I中的传感通道2、0NU2所控制的FBG传感器阵列2中的传感通道1、以及0NU3所控制的FBG传感器阵列3中的传感通道I同时连通，设定ONUl所控制的FBG 传感器阵列I中的传感通道1、0NU2所控制的FBG传感器阵列2中的传感通道2、以及0NU3 所控制的FBG传感器阵列3中的传感通道I同时连通，并ONUl所控制的FBG传感器阵列I 中的传感通道1、0NU2所控制的FBG传感器阵列2中的传感通道1、以及0NU3所控制的FBG 传感器阵列3中的传感通道2同时连通，从而实现光开关I的通道2、光开关2的通道I及光开关3的通道I同时与解调�？榱ǎ饪豂的通道1、光开关2的通道2及光开关3 的通道I同时与解调�？榱ǎ饪豂的通道1、光开关2的通道I及光开关3的通道2 同时与解调�？榱ǎ苊獠煌現BG传感单元的反射信号间相互干扰。
可调谐匹配FBG的反射波长可调范围为1544.1Onm 1548.1Onm,因步进电机步进频率为20000步/秒，根据上述实验测得步进电机步进数与匹配FBG周期改变量的关系 (步进电机步进10步，匹配光栅的周期改变量Δ λ O. Olnm),当匹配FBG的反射波长在1544.1Onm 1548.1Onm范围内周期调谐时，需设置步进电机在匹配FBG的一个调谐周期内正向步进4000步，再反向步进4000步。基于上述关系，实验设置匹配FBG的调谐频率为2.5Hz，同时由EPON设置的传感通道切换频率也为2. 5Hz。
基于以上实验装置，分两次对系统进行了性能测试，其中第一次测试中断开0NU3 对光开关3的控制及0DN2与光开关3的连接；第二次测试中恢复0NU3对光开关3的控制及0DN2与光开关3的连接。两次测试中，分别将三个传感器阵列内三个传感通道中的四个 FBG传感器A21、B21、B22、C31置于恒温环境中，保持其反射波长不变，分别为1546. 21nm、1545.16nm、1547. 44nm、1546. 83nm。图 3a_d 分别为用本系统连续 10 次测量 A21、B21、B22、 C31四个传感器得到的结果；由图3a-d可知，多次测量同一 FBG周期，其测量值在±0. 06nm 的误差范围内，具有较好的重复测量稳定性。实验结果表明，本发明所提出的基于无源光网络的分布式多通道光纤布拉格光栅传感系统具有较好的重复测量稳定性，传感网络具有结构简单，可扩展性较好等特点。
以上实 施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的实际保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种基于无源光网络的分布式多通道光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述系统包括传感�？楹屯ǖ狼谢豢刂颇？椋� 所述传感�？榘ㄍü庀讼嗔拥拇薪獾鞯ピ�、第一光分/合路器、至少一个光开关以及至少一个传感器阵列； 所述通道切换控制�？榘ㄍü庀讼嗔拥墓庀呗分斩�、第二光分/合路器以及至少一个光网络单元； 其中，所述通道切换控制�？橹械墓庀呗分斩肆铀龃心？橹械拇薪獾鞯ピ凰鐾ǖ狼谢豢刂颇？橹械墓馔绲ピ胨龃心？橹械墓饪匾灰欢杂α樱辉谇谢皇笨逃筛鞴馔绲ピ刂朴胫嗔墓饪亟星谢徊僮鳎惫庀呗分斩讼虼薪獾髂？橥ㄖ敫鞴饪氐牧ㄐ畔�。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感�？橹械拇薪獾鞯ピü庠础⒐怦詈掀饕约按薪獾髌鳎渲校ü龉怦詈掀髁铀龉庠从胨龃薪獾髌鳎龉怦詈掀骰雇绷铀龅谝还夥�/合路器；在所述光源与所述光耦合器连接的一端，通过光隔离器进行隔离。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光开关与多通道传感器阵列一一对应连接，每个传感器阵列由n个通道构成，所述光开关为I Xn光开关，其中，n为自然数。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，每个传感器阵列的所述n个通道中，第I通道中不包括FBG传感单元，第2至第n通道中的每个通道包括至少一个FBG传感单元。
全文摘要
本发明涉及光纤布拉格光栅传感技术领域，提供了一种基于无源光网络的分布式多通道光纤布拉格光栅传感系统。本发明的系统包括FBG传感网络�？楹突谖拊垂馔绲耐ǖ狼谢豢刂颇？榱讲糠郑梦拊垂馔缰醒细竦氖奔渫教匦栽诟鱋NU控制下对多个光开关进行同步切换控制，实现各FBG传感通道与传感解调模块间的有序连通。本发明中通过扩展光开关的数量即可有效增加传感通道的数量，不受限于传感解调�？橹刑讲馄鞯氖炕蛞桓龉饪氐亩丝谑浚砺凵峡芍С值拇型ǖ雷芰渴堑ジ龉饪氐亩丝谑宋拊垂馔缰械挠没Ф耸蚨哂泻芮康拇型ǖ览┱剐�。
文档编号G01D5/34GK103033203SQ20111029338
公开日2013年4月10日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者李路明, 张治国 申请人:江西省电力公司信息通信中心, 北京邮电大学
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