[发明专利]光纤多域传感系统及解调方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及对多维复用光纤传感系统以及光信号波长、频率和时延等多域信息的解调方法。

背景技术

分布式光纤传感网络具有灵敏度高，频带宽、测量动态范围大、抗电磁干扰、耐压耐腐蚀、质量轻体积小、传感距离远等优点，被广泛的应用于体育场、桥梁等大型建筑的健康监测当中。在煤矿、石油管道、长距离输电线等应用场景当中光纤传感网络远距离传感、大容量传感节点的优势使其具备其它传感器和传感网络无法替代的优势。且提升光纤传感网络传感节点的数目能够分担单个点的解调成本，大大提升探测的范围。目前光纤传感网络主要通过各种复用方式对单个光纤传感单元进行复用，提升光纤传感网络的复用容量。

以光纤光栅为例，光纤光栅可以采用时分复用、波分复用、空分复用等多种手段进行组网。从传感网络复用容量的角度来看，波分复用方式下受限于光栅和光源的带宽，一般复用容量在100以下；时分复用方式下，采用超弱反射的光栅，复用容量可以接近1000；空分复用方式下，复用容量受限于光开关的性能，最高可以做到数十个光栅的组网。对比可以看到目前的复用方式下，采用时分复用的方式可以获得较大的复用容量，但这时光栅的反射率将会低于0.01％，系统的信噪比将会大大降低。开发新的复用方式并将多种复用方法融合在一起是提升光纤传感网络复用容量的一个重要手段。

所采用光纤微结构在复用方式上与光纤光栅类似，除了上述的传统复用方式，微结构还可以通过微结构的腔长进行频分复用。考虑在单根光纤上的情况，微结构可以进行波分复用、频分复用和时分复用。采用多种复用方式融合的方法，微结构可以实现三维复用，以获得更大的复用容量。

采用多域复用的微结构传感系统，可以获得更大的传感单元复用容量，但波分复用要求宽的解调波段；频分复用要求高的光谱分辨率；时分复用要求高的数据采集速率。而这对于目前较为成熟的解调方案来说，三者是无法同时实现的。仍以目前较为成熟的光纤光栅传感网络解调装置作对比。

美国海军研究实验室T.A.Berkoff等人在论文TimothyA.Berkoff；MichaelA.Davis；DavidG.Bellemore；AlanD.Kersey；GlenM.Williams；MartinA.Putnam；Hybridtime-andwavelength-divisionmultiplexedfiberBragggratingsensorarray.Proc.SPIE2444,SmartStructuresandMaterials1995:SmartSensing,Processing,andInstrumentation,288(April20,1995)中提出了一个混合的时分、波分复用光栅传感系统，但是其时分信号解调无法达到实时性，并且解调精度过低导致无法进行频分复用。

专利号201110420315.8“基于微结构光纤法布里-珀罗谐振腔的准分布式传感器”也提出了波分、频分复用系统，其所使用的解调装置是成熟的光谱分析仪，系统的可拓展性不强，且无法进行时分复用。

Ball,G.A.等人在文章Ball,G.A.,W.W.Morey,andP.K.Cheo.Fiberlasersource/analyzerforBragggratingsensorarrayinterrogation.LightwaveTechnology,Journalof12.4(1994):700-703.中提出采用波长可调光源实现了2.3pm的波长解调精度，但是其波长探测范围在10nm以内，且无法进行时分复用。

虽然光纤传感解调系统已经日趋成熟，但能够对上述更大规模容量的微结构多域复用传感系统进行解调的装置仍然是一个空白。考虑到目前市场上已经有高精密的可调波长FP滤波器，在解调速度和波长扫描范围上都有着突出的优势。且相对于可调激光器，色散元件和其它波长相关滤波器而言，波长可调的FP滤波器能够通过FPGA和其它信号发生装置进行控制，能够更好的满足系统个性化的解调需求。基于高精密可调FP滤波器和高速FPGA的解调装置能够更好地满足大波长范围内微结构的高精度光谱解调。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出的一种涉及为基于光谱解调的光纤传感网络提供高分辨率的光谱解调、时域脉冲解调、频谱信息解调的系统和方法，弥补现有光纤传感解调装置无法对大容量多域微结构传感网络进行解调的缺陷，