一種光柵陣列的相位?強度定位方法技術

一種光柵陣列的相位?強度二維定位方法，步驟1：寬帶的連續非相干光，經過電光調制后形成寬帶光脈沖，再經注入串行光柵陣列，陣列中不同空間位置的光柵依次反射光脈沖；步驟2：以電光調制脈沖的上升沿為時間參考零點，調節選擇光開關控制脈沖的時延來分離不同光柵的反射信號；步驟3：以電光調制脈沖的相位為參考，精確調節選擇光開關控制脈沖與電光調制脈沖之間的相位差(或者時延)；步驟4：對不同相位差對應的光柵反射信號的強度進行比較，記錄峰值信號強度時延和相位差；步驟5：計算光柵的精確位置。本發明專利技術從相位和強度兩個維度對光柵進行定位，從而獲得亞厘米級的定位精度，實現高精度定位。

【技術實現步驟摘要】
一種光柵陣列的相位-強度定位方法
本專利技術涉及傳感器
，具體而言涉及一種光柵陣列的相位-強度定位方法，該定位方法適用于高反射率的波分復用(WDM)光柵陣列和低反射率的時分復用(TDM)陣列。
技術介紹
基于光纖光柵陣列的傳感網絡具有復用能力強、響應速度快、抗電磁干擾、可靠性高等特點，廣泛應用于火災報警、周界圍欄等的安全監測。在大多數工程應用中，除了需要對溫度、應變、振動等物理量進行監測外，還需要對事件發生點進行快速定位。傳統光柵傳感網絡多采用高反射率光柵WDM復用構建，但這種網絡只能復用幾十個光柵，很難滿足大規模(如數百個監測點)的要求。2013年,武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室首次實現光纖光柵陣列的在線制備，在普通低損耗光纖上大規模自動化刻寫弱光柵。這種在線制備的光柵陣列機械性能好，傳輸損耗低，大大提升了陣列的復用數量和傳感距離，這為大規模光纖光柵傳感網絡的推廣應用奠定了基礎。但光柵陣列規模的急劇擴大，也給光柵制備及鋪設質量的檢測提出新的要求。例如，在光柵陣列制備時，需要檢測光柵的位置及間隔的變化，而在裸光柵陣列成纜后，更需要對各光柵的絕對位置進行標定和編號，以方便針對敏感區進行監測時，根據預先確定的光柵位置進行有效鋪設。因此，如何對陣列中的光柵進行準確定位，是大規模光纖光柵傳感網絡技術發展的必然要求。光時域反射儀(OTDR)是OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射而制成的精密的光電一體化儀表，它被廣泛應用于光纜線路的維護、施工之中，可進行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。傳統高反射率光柵多采用OTDR進行定位，這種光柵能有效反射OTDR光源入射的光信號，各光柵的位置可作為“事件”反映在衰減曲線上。但由于OTDR多采用法布里-泊羅型激光器(FP-LD)作為光源，FP-LD光源光譜呈梳狀的高斯分布，即中心波長附近梳齒的功率高，邊緣波長附近梳齒的功率很低，且齒縫之間波長的功率遠低于梳齒功率，使得光柵對FP-LD光源的反射信號具有選擇性。對于反射率不高的光柵，光柵的反射波長與FP-LD的梳齒波長失配時，光柵反射信號的功率會大大降低，甚至低于背向光散射信號的強度，此時檢測電路將無法識別光柵的反射信號，從而導致光柵的定位困難。此外，由于OTDR的定位精度受脈沖寬度和盲區的影響，其定位誤差一般在+/-1m左右，飽和盲區和衰減盲區均大于2m。因此，對于定位精度要高、光柵間距小的陣列，OTDR檢測存在較大困難。中國專利“一種極弱光纖光柵傳感系統及其查詢方法”(專利號：201210391578.5)，探討了相位掃描查詢光柵的相關技術，但這種技術仍然采用單一的時間維度來定位光柵，誤差甚至都大于傳統的OTDR定位技術，因此很難應用于大規模光柵陣列制備及鋪設質量的檢測，定位精度也很難進一步優化。如何進一步提升光柵定位的精度，探索準確定位光柵的新方法，具有重要的工程意義。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種光柵陣列的相位-強度定位方法，該方法基于光柵反射信號的特征，從相位和強度兩個維度對光柵進行定位，從而獲得亞厘米級的定位精度，實現方案監測，可適用于TDM陣列和WDM陣列中光柵的定位檢測，為大規模光纖光柵陣列制備及質量檢測提供了優秀解決方案。為解決上述技術問題，本專利技術提供一種光柵陣列的相位-強度定位方法，包括如下步驟：步驟1：寬帶的連續非相干光，經過電光調制后形成寬帶光脈沖，再經光環形器注入串行光柵陣列，陣列中不同空間位置的光柵依次反射光脈沖。步驟2：以電光調制脈沖的上升沿為時間參考零點，調節選擇光開關控制脈沖的時延來分離不同光柵的反射信號。當控制脈沖的時延與目標光柵反射信號的時延交疊時，該光柵的反射信號可以通過，而其它光柵的反射信號被吸收。則目標光柵距離電光調制器的距離Li為：(tdi-tw)c/2ne≤Li≤(tdi+tw)c/2ne式中，tw光開關脈沖的寬度，tdi這兩路信號之間的時延差，ne為光纖的有效折射率，c為真空中的光速。如說明書附圖中的圖4所示，是相位調節過程中，精調相位差(或時延)與光度變化的示意圖。步驟3：當捕捉到光柵的反射信號后，以電光調制脈沖的相位為參考，精確調節選擇光開關控制脈沖與電光調制脈沖之間的相位差(或者時延，兩者量綱不同，但具有相同的物理意義，相位可以通過脈沖的周期進行折算，獲得對應的時延值)，并監測通過選擇光開關后信號強度的變化。假定通過信號功率的歸一化面積為1，可以用相位差t的函數S(t)來描述光功率隨延時變化，則：步驟4：對不同相位差對應的光柵反射信號的強度進行逐次比較，查找信號的峰值強度，并記錄峰值信號強度所對應的時延和相位差。步驟5：根據下面的公式計算光柵的精確位置：式中，ttotal為粗調時延與精調相位差(或時延)的和。在一般情況下，粗調時延多用于光柵反射信號捕捉，步距越大，光柵查詢速度越快，但這意味著定位精度越低。精調時延的步距較小，由于光柵反射信號的強度對相位敏感，微小時延的變化即可引起光強的變化，精調步距越小，查找光強信號峰值的不確定度越小，定位精度越高。所述光柵的定位誤差還與光脈沖寬度、相位調節精度有關。在相位調節最小步距一定的情況下，光脈沖寬度越窄，相位失配所引起的功率變化越明顯，信號強度的峰值點查找越準確，從而有利于縮小尋峰誤差；而在光脈沖寬度一定的情況下，相位精確調節的步距越小，查找峰值時的不確定誤差越小，從而改善定位精度。一種光柵陣列的相位-強度定位方法，應用于高反射率WDM陣列光柵的精確定位。在WDM光柵陣列中，為了避免傳感波長之間的串擾，考慮光柵1nm的動態工作范圍，相鄰通道光柵之間的波長間隔約為1nm。因此，對于WDM陣列，光源需選用譜寬較寬的寬帶自發發射光源(如40nm)。當寬帶的連續經電光調制后，帶有多波長信息的光脈沖入射到WDM光柵陣列，各光柵反射信號攜帶不同的波長和位置信息，經過選擇光開關后，通過對反射信號進行相位-強度檢測，實現對光柵的精確定位。一種光柵陣列的相位-強度定位方法，應用于光纜線路接續盒的定位和標識管理。在光纜傳輸線路中，通常光纜的標準長度只有2km，需要逐段接續來構建長距離傳輸線路，并設置接續盒保護每段的節點。但在線路建設完成后，眾多接續盒的標識管理存在一定困難。通過在不同接續盒中接入不同波長的光柵，可以根據波長和位置對接續盒進行二維編碼管理，對于光纜線路工程的管理十分有效。一種光柵陣列的相位-強度定位方法，采用光放大器對電光調制脈沖進行放大后，可應用于低反射率TDM光柵陣列的精確定位。在TDM光柵陣列中，為了提高陣列的復用能力，光柵多采用低反射率光柵。因此，對光源的譜寬要求不高，對系統的功率預算要求較高。小帶寬光源經過電光調制后的光脈沖，經過光放大器提升光功率后入射到TDM光柵陣列，各光柵反射信號經過選擇光開關后，通過對反射信號進行相位-強度檢測，實現對光柵的精確定位。依據上述專利技術的方法，可實現對傳感光柵的準確定位，且技術實現方案簡單，無需設計復雜的軟硬件結構及算法，可滿足目前主流WDM光柵陣列的定位要求，也能對大規模弱光柵陣列進行定位，為弱光柵陣列制備及敷設質量的檢測提供了較好的解決方案。綜上所述，與現有技術相比，本專利技術的有益效果在于：1)、定位精本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種光柵陣列的相位?強度二維定位方法，其特征在于包括如下步驟：步驟1：寬帶的連續非相干光，經過電光調制后形成寬帶光脈沖，再經光環形器注入串行光柵陣列，陣列中不同空間位置的光柵依次反射光脈沖；步驟2：以電光調制脈沖的上升沿為時間參考零點，調節選擇光開關控制脈沖的時延來分離不同光柵的反射信號，當控制脈沖的時延與目標光柵反射信號的時延交疊時，該光柵的反射信號可以通過，而其它光柵的反射信號被吸收；步驟3：當捕捉到光柵的反射信號后，以電光調制脈沖的相位為參考，精確調節選擇光開關控制脈沖與電光調制脈沖之間的相位差或者時延，并監測通過選擇光開關后信號強度的變化；步驟4：對不同相位差對應的光柵反射信號的強度進行逐次比較，查找信號的峰值強度，并記錄峰值信號強度所對應的時延和相位差；步驟5：根據峰值強度對應的總時延，計算光柵的精確位置。

【技術特征摘要】
1.一種光柵陣列的相位-強度二維定位方法，其特征在于包括如下步驟：步驟1：寬帶的連續非相干光，經過電光調制后形成寬帶光脈沖，再經光環形器注入串行光柵陣列，陣列中不同空間位置的光柵依次反射光脈沖；步驟2：以電光調制脈沖的上升沿為時間參考零點，調節選擇光開關控制脈沖的時延來分離不同光柵的反射信號，當控制脈沖的時延與目標光柵反射信號的時延交疊時，目標光柵的反射信號可以通過，而其它光柵的反射信號被吸收；步驟3：當捕捉到光柵的反射信號后，以電光調制脈沖的相位為參考，精確調節選擇光開關控制脈沖與電光調制脈沖之間的相位差或者時延，并監測通過選擇光開關后信號強度的變化；步驟4：對不同相位差對應的光柵反射信號的強度進行逐次比較，查找信號的峰值強度，并記錄峰值信號強度所對應的時延和相位差；步驟5：根據峰值強度對應的總時延，計算光柵的精確位置Li；<...

【專利技術屬性】
技術研發人員：羅志會，劉亞，潘禮慶，曾曙光，肖焱山，陳小剛，
申請(專利權)人：三峽大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42