專利名稱：全同低反射率光纖光柵單纖復(fù)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖分布式傳感領(lǐng)域，具體涉及一種基于OTDR(Optical Time DomainReflectometer)技術(shù)的全同低反射率光纖光柵在單根光纖上的復(fù)用方法，對(duì)設(shè)計(jì)性價(jià)比高的分布式光柵傳感網(wǎng)絡(luò)具有指導(dǎo)意義。

背景技術(shù)：
自從1978年K.O.Hill[1]報(bào)道了世界上第一個(gè)光纖光柵以來(lái)，由于其可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便等特性使其在急速發(fā)展的光纖通信領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用，并得以迅速地發(fā)展。而光纖光柵的中心波長(zhǎng)極易隨環(huán)境溫度和應(yīng)變的影響，光纖光柵這一在光纖通信應(yīng)用中需要克服的缺點(diǎn)卻很快地在傳感與測(cè)量領(lǐng)域成為一種得到廣泛認(rèn)可并具有巨大潛力的傳感技術(shù)。經(jīng)過(guò)二十多年的研究和開(kāi)發(fā)，不斷出現(xiàn)了用于多種參量測(cè)量的光纖光柵傳感器。然而，到目前為止，這種傳感技術(shù)在實(shí)際工程中還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。究其原因，其中昂貴的波長(zhǎng)解調(diào)部分是主要的限制因素[2]。另一方面，在許多應(yīng)用場(chǎng)合，如智能結(jié)構(gòu)等需要進(jìn)行大范圍的分布測(cè)量，因此光纖光柵的有效復(fù)用技術(shù)也成為光纖光柵傳感技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。同時(shí)，也寄希望于采用復(fù)用技術(shù)來(lái)降低單個(gè)測(cè)量點(diǎn)的成本，從而使光纖光柵傳感技術(shù)具有競(jìng)爭(zhēng)力。
目前，已見(jiàn)有多種復(fù)用方法的報(bào)道，如SDM(空分復(fù)用)、TDM(時(shí)分復(fù)用)、WDM(波分復(fù)用)、SCM(副載波復(fù)用)和FMCW(頻率調(diào)制連續(xù)波復(fù)用)等及這些復(fù)用方法的各種組合[3-8]。雖然這些復(fù)用方法各有特點(diǎn)，但都沒(méi)能很好地解決復(fù)用度、成本、連接難易程度等因素之間的關(guān)系，也即它們之中沒(méi)有一種復(fù)用方法能在同一根光纖上復(fù)用多個(gè)具有相同特征波長(zhǎng)的光纖光柵。若能解決這一問(wèn)題，再與以上任何方法進(jìn)行結(jié)合，就可獲得具有更大復(fù)用度的系統(tǒng)。
本發(fā)明就是提出一種基于OTDR技術(shù)和全同低反射光纖光柵實(shí)現(xiàn)在同一根光纖上實(shí)現(xiàn)大量光柵復(fù)用的方法。
[1]Hill K O，F(xiàn)ujii Y，Johnson D C，and Kawasaki B S，Photosensitivity in optical fiber waveguidesApplicationto reflection filter fabrication.Appl.Phys.Lett.，1978，32647-649 [2]Jiang De-sheng，He Wei，Review of Applications for Fiber Bragg Grating Sensors，Journal ofOptoelectronics·Laser，2002，13(4)420-430 [3]Kersey A D，Interrogation and multiplexing techniques for fiber grating strain sensors.SPIE 1993，207130-48 [4]Rao Y J，In-fiber Bragg grating sensors.Meas.Sci.Technol.，1997，8355-375 [5]Idriss R L，Kodindouma M B，Kersey A D et al..Multiplexing Bragg grating optical fiber sensors for damageevaluation in highway bridges，Smart Material Structure，1998，7209-216 [6]Davis MA，Bellemore D G，Putnam M A et al..A 60 element fiber Bragg grating sensor system，Proc.OFS12th，1997100-103 [7]Weis R S，Kersey A D，Berkoff T A.A four-element fiber grating sensor array with phase-sensitive detection，Photon.Technol.Lett.，1994，61469-1472 [8]Chan P K C，Jin W，Demokan M S.FMCW multiplexing of fiber Bragg grating sensors，J.LightwaveTechnol.，2000，6(5)756-763 [9]Liu Jiansheng，Application No.69902011，National Natural Science Foundation of China，1999. [10]Choi Han-Sun，Siems L.Characterization of FBG reflector arrays by wavelength tuning of a pulsed DFBlaser，SPIE 2000，4185166-169 [11]Valente L C G，Braga A M B，Ribeiro A S.et al..Time and wavelength multiplexing of fiber Bragg gratingsensors using a commercial OTDR，Optical Fiber Sensors Conference Technical Digest，OFS 2002，11151-154 [12]Derickson D.Fiber Optic Test and Measurement，1998，ISBN 0-13-534330-5，Prentice-Hall Inc.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于OTDR技術(shù)和低反射率光纖光柵在同一根光纖上復(fù)用大量全同光纖光柵的復(fù)用方法。通過(guò)全同光纖光柵的使用，可以實(shí)現(xiàn)使用單一模版的在線制造技術(shù)，使光纖光柵的制造成本更低、可靠性更好；低反射率光纖光柵的使用，可以大大提高光柵系統(tǒng)的復(fù)用度，有利于光纖光柵在復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用；OTDR技術(shù)的使用，可以實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)的定位檢測(cè)。
本發(fā)明采用波長(zhǎng)可調(diào)的單脈沖注入由以上全同低反射率光纖光柵串接構(gòu)成的分布多點(diǎn)系統(tǒng)，并測(cè)量反射的時(shí)間變化信號(hào)(OTDR)，從而進(jìn)行信號(hào)和波長(zhǎng)解調(diào)。如圖1所示，波長(zhǎng)可調(diào)的單脈沖經(jīng)耦合器L進(jìn)入光柵串接構(gòu)成的單光纖系統(tǒng)，一部分信號(hào)將在光柵G1處發(fā)生反射，剩余發(fā)生部分透射并到達(dá)光柵G2，再次發(fā)生反射和透射，剩余的透射光部分再繼續(xù)到達(dá)光柵G3、G4......最后經(jīng)各級(jí)光柵反射回的脈沖串將經(jīng)過(guò)耦合器L進(jìn)入濾波和檢測(cè)單元。通過(guò)檢測(cè)反射信號(hào)的強(qiáng)弱，確定光柵中心波長(zhǎng)的位置；通過(guò)檢測(cè)脈沖返回時(shí)間的先后，確定脈沖來(lái)自哪個(gè)光纖光柵。
減小全同光柵的反射率可以大大增加系統(tǒng)的復(fù)用數(shù)，如圖2所示。其中，D為系統(tǒng)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。
本發(fā)明所涉及的系統(tǒng)采用的光柵的反射率均小于5％，反射率越低，系統(tǒng)的復(fù)用度越高。但在實(shí)際中，反射率的減小不能是任意的，要受Rayleigh散射、光柵間多次反射以及光纖損耗等因素的影響。
首先考慮Rayleigh散射的影響。由于光纖光柵的特征反射譜與光纖中的Rayleigh散射光譜重疊，因此，為區(qū)分反射信號(hào)光與Rayleigh散射光，在反射率的選定上應(yīng)使光柵反射的光功率大于相應(yīng)激勵(lì)光脈沖產(chǎn)生的后向Rayleigh散射光的功率。考慮最后一個(gè)光柵(最差情況)，則應(yīng)使 PFBG(K)＞PRayleigh 實(shí)際上，為保證有效地提取信號(hào)光信息，可使 PFBG(K)≥10PRayleigh 由以上可得，由Rayleigh散射光限制的光柵復(fù)用數(shù)目為 其中，ρ是光柵反射率，S是光纖的后向散射光集光系數(shù)，αS是光纖的Rayleigh散射系數(shù)，Δl為激勵(lì)光脈沖在光纖中的長(zhǎng)度。
其次，應(yīng)考慮光柵間多次反射的影響。由于采用全同的光柵，所以當(dāng)某時(shí)刻恰巧所有光柵處的溫度或應(yīng)力都相同時(shí)，所有光柵的反射譜就會(huì)完全重疊，產(chǎn)生這些來(lái)自不同位置光柵的、與被測(cè)點(diǎn)光柵具有相同譜線的光信號(hào)經(jīng)多次反射后和被測(cè)點(diǎn)光柵反射光信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收機(jī)的現(xiàn)象，從而引起測(cè)量錯(cuò)誤，如圖4所示。
為評(píng)價(jià)這種多次反射對(duì)光柵復(fù)用度的影響，這里使用極端情況——即認(rèn)為系統(tǒng)中所有光柵的中心波長(zhǎng)碰巧都相同、且要測(cè)量最后一個(gè)光柵的情況進(jìn)行考慮。由于這類系統(tǒng)采用的光柵的反射率小于5％，各級(jí)多反射光的強(qiáng)度都相差104量級(jí)，因此，這里只考慮一級(jí)多反射現(xiàn)象的影響。
當(dāng)光柵等間隔均勻分布時(shí)，通過(guò)排列、組合可得對(duì)于串接K個(gè)全同光柵的系統(tǒng)，與最后一個(gè)光柵反射光同時(shí)到達(dá)接收機(jī)的一級(jí)多反射的路徑個(gè)數(shù)N為 不論是使用掃頻光源或?qū)捵V源加濾波器進(jìn)行檢測(cè)，最終到達(dá)探測(cè)器的光的光譜很窄，需要考慮干涉效應(yīng)；且由于同時(shí)到達(dá)，因此為相加干涉。同時(shí)，為了保證有效識(shí)別，設(shè)信號(hào)光強(qiáng)是一級(jí)多次反射光強(qiáng)的10倍。以上經(jīng)推導(dǎo)可得，當(dāng)光柵等間隔均勻分布時(shí)，所能取得的最大復(fù)用數(shù)Kmax為 可以看出，由光柵間的多次反射限制的光柵復(fù)用數(shù)與全同光柵的反射率的平方根成反比，如圖5所示。
一般情況下，由于光纖的損耗很小，帶來(lái)的誤差很小，來(lái)自光纖損耗的影響是可以忽略的。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)本發(fā)明所涉及的全同低反射率光纖光柵單纖復(fù)用方法大大提高了系統(tǒng)的復(fù)用度，有利于光纖光柵在復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用。
(2)本發(fā)明所涉及的全同低反射率光纖光柵單纖復(fù)用方法可使用單模板的制造技術(shù)，使光纖光柵的制造成本更低，可靠性更好。
(3)本發(fā)明所涉及的全同低反射率光纖光柵單纖復(fù)用方法可以使光纖光柵在使用維護(hù)中更便宜、更方便。
(4)本發(fā)明中的復(fù)用系統(tǒng)只需使用單套光源和解調(diào)器，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。



圖1全同低反射率光纖光柵復(fù)用方法示意圖；其中，L為耦合器；G1，G2，G3，G4為光纖布格光柵。
圖2系統(tǒng)復(fù)用數(shù)與全同光柵的反射率的分析結(jié)果圖；其中，橫軸為全同光纖的反射率(Reflectivity)，縱軸為系統(tǒng)復(fù)用度(Numbers of Multiplexing)。
圖3低反射率光纖光柵的單纖時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)構(gòu)成方式的示意圖，其中A為直接調(diào)制；B1，B2，B3為探測(cè)器；C1，C2為超輻射器件；D1，D2為濾波器；E1，E2為外調(diào)制器；F為波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器；G1，G2，G3為光纖布拉格光柵；L1，L2，L3為耦合器。
圖4光柵間的多次反射示意圖；其中，光線3經(jīng)二級(jí)多次反射，光線2經(jīng)一級(jí)多次反射，光線1與光線2同時(shí)返回接收端，對(duì)信號(hào)光線1來(lái)說(shuō)，光線1為干擾。
圖5光柵等間距串接系統(tǒng)反射率與復(fù)用度的分析結(jié)果圖；其中，橫軸為光柵等間距串接系統(tǒng)反射率(Reflectivity)，縱軸為系統(tǒng)復(fù)用度(Multiplexibility)。

具體實(shí)施例方式 圖3是本發(fā)明所涉及低反射率光纖光柵的單纖時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的構(gòu)成示例圖。以圖(c)為例，由波長(zhǎng)可調(diào)諧激光光源產(chǎn)生波長(zhǎng)可調(diào)的單脈沖，該脈沖經(jīng)過(guò)外調(diào)制器所得的調(diào)制信號(hào)將注入由光纖布拉格光柵串接構(gòu)成的分布多點(diǎn)系統(tǒng)，再將所得反射信號(hào)接入探測(cè)器，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的低反射率光纖光柵的單纖時(shí)分利用系統(tǒng)。
假設(shè)該系統(tǒng)采用反射率ρ＝0.01％的光柵，光柵相距1m，且激勵(lì)光脈沖寬度W＝1m。應(yīng)綜合考慮Rayleigh散射、光柵間多次反射等因素對(duì)系統(tǒng)復(fù)用度的影響。
由(1)式可知，由Rayleigh散射限制的光柵復(fù)用數(shù)可多達(dá)上千個(gè)，因此，Rayleigh散射對(duì)復(fù)用度的影響很小。
當(dāng)反射率為0.01％時(shí)(Rayleigh散射系數(shù)為10-7/m[12])，由公式(3)可得，多次反射限制的光柵的復(fù)用數(shù)約為120個(gè)。
因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮Rayleigh散射、光柵間多次反射以及光纖損耗等因素的影響，在最大程度上發(fā)揮全同低反射率光纖光柵單纖復(fù)用方法的優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
1.一種在單根光纖上的進(jìn)行大數(shù)量的光纖光柵復(fù)用方法。
2.權(quán)利要求1中所述的復(fù)用方法中，使用的光纖光柵為中心波長(zhǎng)、反射率和反射譜等參數(shù)都相同的全同光纖光柵。
3.權(quán)利要求1中所述的復(fù)用方法中，使用的全同光纖光柵為低反射率光纖光柵，光纖光柵的反射率均小于5％，反射率越低，復(fù)用度越高。
4.權(quán)利要求1中所述的復(fù)用方法中，光纖光柵的反射率不能任意降低，要受Rayleigh散射、光柵間多次反射等因素的影響，光柵間多次反射限制的光柵復(fù)用數(shù)與全同光柵反射率的平方根成反比。
5.權(quán)利要求1中所述的復(fù)用方法中，使用OTDR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單根光纖光纖光柵復(fù)用結(jié)構(gòu)的光柵定位。
6.基于權(quán)利要求1-5的任何光纖光柵復(fù)用系統(tǒng)。
全文摘要
一種在單根光纖上的光纖光柵利用方法，采用光纖光柵進(jìn)行串接復(fù)用，從而構(gòu)成大的單纖準(zhǔn)分布系統(tǒng)。從理論上分析和研究了一種基于OTDR技術(shù)并使用全同低反射率光纖光柵的復(fù)用方法。分析表明，光柵間的多次反射是限制復(fù)用數(shù)目的主要原因。應(yīng)用這種復(fù)用方法，可以在不增加多少?gòu)?fù)雜程序的基礎(chǔ)上，把單光纖光柵檢測(cè)系統(tǒng)用于在同一根光纖上由成百個(gè)光纖光柵構(gòu)成的大的分布系統(tǒng)的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01D5/26GK101738216SQ200810226340
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者劉建勝, 王帥, 李昕, 鄭錚, 譚鈞戈, 陳浩宇, 徐曉萍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)