FBG传感网络技术研究

OPTICAL　COMMUNICATION　TECHNOLOGY

中国无线电电子学、电信技术类核心期刊

Vol.25No.2

FBG传感网络技术研究

a

鲍吉龙　章献民　陈抗生　周　文

(浙江大学信电系　杭州　310027)

摘要　系统分析和总结了现有FBG传感技术的复用结构和系统性能,并依据复用方式的频域、时域和空间特性,从网络拓扑结构的角度,提出把FBG传感网络划分为波分复用网络、时分复用网络、空分复用网络、频分复用网络和混合复用网络,在此基础上比较了各种复用方式的优缺点,并针对网络

实用化开发提出了自己的观点,从而为FBO传感网络拓扑结构及性能的研究提供了参考。关键词　光纤光栅　传感器　FBG网络　FBG复用中图分类号　TP212　　文献标识码　A

0　引言

光纤布喇格光栅(FBG)无疑是过去10多年来所开发的最有希望的新型光纤传感技术之一,因为它具有集成化、本征性、低成本、能串接复用、能提供各种物理参量的精确和绝对测量等优点,而且因为它们的物理截面和力学强度小,在粘贴或嵌入到主材料中时不会对其性能和结构造成影响,因而在结构监控应用中特别有用[2]。然而,大型和复杂结构的监控经常需要大量传感器。例如,飞机结构监控需要近5000个传感器才能有足够的覆盖;此外,许多应用不仅需要大规模传感阵列,也要求对每个传感器的取样速率很高(高达10kHz)。这种需求已经超出了现有FBG复用技术的能力。因此,大规模、高速率、高灵敏传感网络系统的研究引起了人们的关注。

传感网络系统的主要性能指标为:(1)波长位移或应变、温度分辨率;(2)复用传感器数量或网络规模;(3)对系统中每个传感器的取样速率。这3项指标中,波长位移分辨率主要取决于传感系统所采用的波长探测技术或波长解码系统以及系统的信噪比;取样速率主要取决于传感网络的规模、网络所采用的拓扑结构和系统所采用的波长探测技术,目前现有的解码方案包括F-P腔滤波器探测技术、声-光滤波器探测技术、单色仪波长探测技术、干涉滤波器探测

a

[4]

[5][3][1]

技术、匹配接收并行探测技术、匹配接收串联探

[9]

测技术[8]、CCD并行探测技术等等,不同的探测技术具有不同的波长分辨率和工作速率,可根据实际情况作出选择;网络规模则主要决定于光源的发射功率、网络的拓扑结构和波长解码系统的接收灵敏度。针对不同的应用场合,这三项指标虽要求不尽一致,但基于目前FBG网络的复用能力尚不能满足大型和复杂的监控目标的规模要求,因此,在经济、实用的前提条件下,FBG传感网络所能复用的传感器数量即网络规模,就成了共同追求的目标。

本文系统分析和总结了现有FBG传感技术的复用结构和系统性能,并依据复用方式的频域、时域和空间特性,从网络拓扑结构的角度,提出把FBG传感网络划分为波分复用(WDM)网络、时分复用(TDM)网络、空分复用(SDM)网络、频分复用(FBM)网络和混合复用(HBM)网络,在此基础上比较了各种复用方式的优缺点,从而为FBG传感网络拓扑结构及性能的研究提供了参考。

[6][7]

1　波分复用FBG传感网络

众所周知,光纤布喇格光栅传感器的基本原理是:当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折射率的变化,

鲍吉龙　男,1965年生,副教授,博士生2000-05-08收稿2001年第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　鲍吉龙等:　FBG传感网络技术研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　85　　　

从而产生光栅布喇格信号的波长位移,通过监测布喇格波长位移情况,即可获得待测物理量的变化情况。光栅布喇格反射信号的带宽约为0.3nm。因此,最朴素的想法是,利用宽带光源照射同一根光纤上多个中心反射波长不同的布喇格光栅,从而实现多个布喇格光栅的复用,这就是波分复用的思想。

波分复用是FBG传感网络的最直接的复用技术,至今已有不少报道,它是构成各种复杂和大型网络的最基本复用技术。1.1　典型的WDM网络

图1显示了一个典型的波分复用FBG传感网络。不同反射波长的N个布喇格光栅沿单光纤长度排列,分别放置于监测对象的N个不同监测部位,当这些部位的待测物理量发生变化时,各个布喇格光栅反射回来的波长编码信号就携带了相应部位的待测物理量的变化信息,通过接收端的波长探测系统进行解码,并分析布喇格波长位移情况,即可获得待测物理量的变化情况,从而实现对N个监测对象的实时、在线监测。

设法提高FBG网络的频带利用率,于是,密集波分复用技术引起了人们的兴趣,其中采用码分多址(CDMA)技术的DWDM方案尤为吸引人。CDMADWDWFBG网络是波分复用技术和码分多址扩频技术的有机结合。CDMA技术广泛应用于通信领域,应用于光纤传感领域还是最近几年的事[10～12],而应用于FBG传感网络则刚刚开始。在FBG传感网络中采用CDMA技术的特殊优点在于:由于使用相关技术以便从传感器群返回的复合信号中提取特殊传感器的信号,因此,允许传感器反射信号的频谱互相重叠,甚至完全相同,这样就使传感器之间的波长间隔比普通WDM系统小得多,从而使单光纤的复用能力大大增强,实现了密集波分复用;此外,码分多址技术和相关技术共同作用的结果,可以有效地抑制信道噪声和各传感器串音,极大地提高了信噪比。

图2是一个采用CDMA技术的DWDMFBG网络实验原理[13]。这里光源的输出受伪随机位序列码(PRBS)的调制,FBG传感阵列对一个给定的PRBS的响应与延迟一定时间的同一个PRBS进行相关运算,相关运算结果经由低通滤波器后即得到某一个特定传感器上返回的波长编码信号。经过预先设置传感器位置,经调制后的光源输出信号到达某一传感器并返回到探测器所需的时间是确定的,则适当选择送到

图1　WDMFBG传感网络原理图

相关器的PRBS的延迟时间,就可确定相关运算的结果来自于哪个传感器。

WDM网络能复用的FBG传感器数量,主要取决于光源带宽和待测物理参量的动态范围。例如,若光源带宽为50nm,待测应变的变化范围为±1500LE,相应于各光栅间的中心波长间隔为3nm,则该网络最多可复用16个传感器。若应变动态范围增大,相应地可复用的传感器数量将减少。

系统可达到的分辨率和工作速率与网络解码系统所采用的波长探测技术的方案有关。

WDM网络属于串联拓扑结构,网络中的FBG各占据不同的频带资源,因此,由各频率成份携带的光源功率可以被充分利用,功率利用效率很高,这一特点对于能量资源有限的大型FBG网络是十分诱人的。同时,因各FBG的带宽互不重叠,避免了串音现象,因此,WDM系统的信噪比很高。1.2　密集波分复用(DWDM)FBG网络

既然WDM技术是构成大型FBG传感网络的基础,那么,单光纤上能复用的传感器的数量就希望越多越好。但受光源带宽和待测物理参量的动态范围等因素的制约,能够在单光纤上复用的FBG是有限的。为了进一步提高单光纤上FBG的复用能力,就必须图2　CDMA-DWDM传感网络原理图

但是,在CDMA-DWDM中,由于采用相关技术

区分各传感器,因此,相邻FBG之间的时间延迟至少必须达到1个切普(PRBS的1个码元)时间,因此,对于给定长度的PRBS,单光纤上可复用的FBG也要受到。例如,采用8位PRBS,则最多可复用的

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FBG为2-1=127个。同时,由于各FBG的频谱很接近,因此功耗很大。

2　时分复用FBG传感网络

大家知道,WDM网络的复用传感器数量有一定的,主要是由于系统的频带资源有限。通过仔细分析可知,在串接复用的情况下,从任何两个相邻传　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　通　信　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2001年第2期86

感器上返回的布喇格信号在时间上是间隔开的,反射信号这种时域上的隔离特性,使得在同一根光纤上间隔一定距离复用相同或不同中心反射波长的多个FBG成为可能,从而避免了网络中的各传感器抢夺有限频带资源的问题,这就是时分复用的思想。图3显示了一个TDMFBG传感网络原理图[14],从图中可以看出,各传感器之间的时间延迟通过它们之间的光纤长度来实现。在接收端,来自于FBG阵列的布喇格反射脉冲在时间上的隔离通过由电子延迟脉冲控制的高速电子开关阵列实现,电子延迟脉冲被调节到与特定传感器相对应的光延迟相匹配。利用该实验系统已实现了4个FBG复用,2nE/Hz的应变分辨率和大于10Hz的工作频率。从TDM的原理可以看出,TDM系统中,光源带宽和被测对象的动态范围不再是可复用传感器数量的制约因素,因此,理论上TDM网络可复用的FBG是很可观的,且由于采用串联拓扑,功率利用效率也很高。但在实际系统中,随着FBG数目的增大,由于脉冲持续时间和空闲时间之比增加,将导致信号清晰度和信噪比下降,因此,可复用的FBG也要受到。同时,取样速率也由于光纤长度的增加而减小。

SDM网络

[15]

图4　SDMFBG网络原理图

,实现了32个FBG复用,应变分辨率和

Hz、0.036℃/

[9]

温度分辨率分别达到了0.36LE/

Hz。若采用CCD并行探测技术,则可实现2.3pm波长分辨率和>2kHz的取样速率。

SDM网络的突出优点是:由于采用并行拓扑,各传感器相互工作,互不影响,因此串音效应很小,信噪比较高;同时,复用能力不受系统频带资源的;若采用合适的波长探测方案,例如CCD并行探测技术,则网络规模可以很大,且取样速率高于串联拓扑网络。缺点是功率利用效率较低。

3　空分复用FBG网络

对于许多实际应用,诸如航空领域,需要进行许多点测量。网络中的FBG传感器要求能够相互地、可相互交换地工作,并能够在FBG传感器损坏时可替代,而不需要重新进行校准。这就需要网络中的所有传感器应具有相同的特征,这一点可通过在相同的条件下生产FBG来达到。工作和可相互交换性的实现对于象TDM和WDM这样的串联拓扑结构是难于达到的。于是一个采用并行拓扑结构的SDM网络被提了出来,原理如图4所示。

分辨率和工作速率与采SDM网络的复用能力、用的探测技术有很大的关系,RaoYJ等人提出的

4　副载波强度调制频分复用FBG网络

副载波强度调制频分复用FBG网络也是新近才

提出的网络方案[16],其原理如图5所示。

图5　FDMFBG网络原理图

N个FBG阵列由一个宽带光源驱动,每一个FBG由一根作为信道的光纤输入光进行照射,输入光强度受副载波频率X的调制。系统中所用的FBG具有相同的布喇格波长,强度调制通过在每个信道输入端插入简单的调制器实现。调制器受外部电开关的控制。在任一时间,只有一个调制器被打开工图3　TDMFBG网络原理图

2001年第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　鲍吉龙等:　FBG传感网络技术研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　87　　　

作,其它的则关闭。这意味着来自于一个由开关选中的特定信道上的光信号被调制,其它的不受调制。受调制和未受调制的反射光信号共同输入到可调谐滤波器和光探测器。副载波调制频率使被调制的传感器输出与其它传感器输出隔离开来,这项工作由中心频率为X的带通滤波器完成。被隔离的传感器信号的幅度正比于可调谐滤波器的光谱响应与FBG光谱响应的卷积。

可调谐滤波器由外加驱动电压调谐,当可调谐滤波器被调谐时,经过带通滤波器后的电压信号幅度将发生变化,并在可调谐滤波器中心波长等于光栅布喇格反射波长时取得最大值。然后,外加到可调谐滤波器上的电压可用于测量光栅布喇格反射波长的变化,其变化正比于待测物理量的变化。

从FDMFBG网络工作原理可知,该方案可复用的FBG数量理论上不受,同时,由于采用副载波强度调制,因此信噪比较高。但很显然,随着FBG复用的增加,系统的功率利用率较低,系统的取样频率也将随之下降。

5.2　SDM/WDM混合FBG网络

SDM和WDM相结合就构成了SDM/WDM混合FBG网络[19,20]。SDM/WDM混合FBG网络具有M路光纤上的FBG各自工作、互不干扰的优点,故可以避免由于光纤断裂等意外事故而导致整个网络瘫痪,同时,由于结合了WDM的优点,网络规模要比纯粹的SDM网络大得多。若采用合适的波长解码系统,则还可使波长分辨率和取样速率分别达到pm量级和几个kHz,因此,SDM/WDM混合FBG网络是构成大型FBG网络的最实用的技术之一。SDM/WDM混合FBG网络的波长分辨率和取样速率取决于所采用的波长探测和解码技术。

图7是一个典型的SDM/WDM混合FBG网络[9]。宽带光谱的光经星形耦合器分成M路光路,每路有不同反射波长的N个FBG,FBG的反射信号经1×2耦合器进入下行光纤,并被送到探测系统。探测系统是集成二维光纤光谱仪,2DCMOS随机存取图像传感器放置在光谱仪的输出口,下行光纤的端口按CMOS的Y方向(垂直于纸面)一字排列,放置在光谱仪的输入口,图像传感器的放置使象素列(Y轴)平行于二维光栅的槽和光纤端口排列线。CMOS的数字输出信号送至PC机处理。

图像系统把不同光纤的光隔离开来,沿象素列即Y方向分布,由于光栅的衍射效应,每路光纤上不同波长的光将被衍射到不同的位置(X轴方向),从而在图像传感器的象素行上的不同位置形成亮点。从而,因为系统有M条光纤,每纤上有N个FBG传感器,因此,图像处理器阵列将有M×N的离散点矩阵。矩阵的列代表不同光纤上的同一波长或相近波长的FBG,矩阵的行代表沿同一光纤的不同FBG。换句话说,光纤中每一个FBG的位置被编码成沿图像传感器的Y轴的位置,而FBG的波长被编码或X轴的位置。因此,FBG传感器的精确的中心波长,可通过沿图像传感器象素阵列的X轴相应点的精确位置来确定。

5　混合复用FBG网络

从前面的论述可知,作为的FBG网络方案,WDM、TDM、SDM和FDM各有千秋。但如果被监测对象有成千上万个监测点时,需要一个庞大的FBG传感网络,这时无论是哪一种方案,都无法理想地达到要求,因此,结合了各种FBG网络方案的混合复用方案相继被提出来,它们互为补充,使网络的复用规模大幅度增加,基本上可满足各种场合的要求。5.1　WDM/TDM混合FBG网络

WDM和TDM技术相结合就构成了混合波分、时分复用(WTDM)FBG网络。它们能够复用大量的FBG传感器,被复用的传感器总数是单一WDM阵列的FBG数目N与光纤延迟线数目M的乘积,相当于比WDM网络规模扩大了M倍。WTDM网络的工作原理如图6所示。

WTDM网络结构可能是准分布传感最有希望的技术之一。WTDM网络实用化的过程中,要解决的主要问题是噪声。

[17,18]

图6　TDM+WDMFBG网络原理图

图7　一个典型的SDM/WDM混合FBG网络　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　通　信　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2001年第2期88

图9　SDM/WDM/TDM混合FBG网络原理图

图8　混合SDM/TDM网络原理图

方案的基础上,引入TDM思想,使这种SDM/WDM

混合系统进一步增加其复用能力,就构成了SDM/WDM/TDM混合FBG网络。

一个11单元的SDM/WDM/TDM混合FBG传感系统如图9所示

[21]

该SDM/WDM混合FBG网络的复用规模可达19个FBG,波长分辨率2.3pm,取样速率达到>2kHz。

5.3　SDM/TDM混合FBG网络

SDM和TDM结合就构成了SDM/TDM混合FBG网络。

图8说明了一个最近报道的具有漂移补偿波长位移探测的SDM/TDM混合FBG网络。基于这种拓扑结构的一个8单元FBG阵列的SDM/TDM混合网络已有报道[21]。

5.4　SDM/WDM/TDM混合FBG网络

像TDM和WDM这样基于单光纤连接的串联复用拓扑,在功率的利用上是有效率的。而SDM这样的并行拓扑,允许网络中的每一个FBG传感器地、可互换地和在破坏性事件中可替代地工作。为了综合串联和并联拓扑的优点,从而建立一个有效的二维准分布FBG传感网络,在SDM和WDM组合

,该系统用于测量复合材料,其

Hz,复用规模>100。

应变分辨率可达到1L/E

6　讨论

从上面的讨论可知,WDM、DWDM、TDM网络属于串联拓扑结构,SDM网络属于并行拓扑结构,

FDM既可以是串联也可以是并行拓扑结构。从总体上来说,并行拓扑结构的网络可靠性高,抗噪声性能好,系统工作频率也较高,但系统资源利用率如功率、频带等则不如串联拓扑结构。因此,从优化组合的角度出发,要构造大型的、高分辨率、高速率、高噪声比和可靠的FBG传感网络,综合考虑了串联和并行拓扑结构各自优势的混合网络,例如采用CCD并行探测技术的SDM/WDM网络,是网络实用化开发的首选拓扑结构。

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FBGsensornetworktechnology

BaoJilong,ZhangXianmin,ChenKangsheng,ZhouWen

(Dept.ofInformation&ElectronicEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027)

Abstract　ThemultiplexingarchitecturesandcharacteristicsofvarioustypesofFBGsensornetworksareanalyzedandreviewed.Asviewedfromnetworktopology,itissuggestedthatFBGsensornetworkscanbeclassifiedintowavelength-division-multiplexing(WDM)networks,time-division-multiplexing(TDM)networks,spatial-division-multiplexing(SDM)networks,frequency-division-multiplexing(FDM)networksandhybridmultiplexing(HBM)networks,accordingtothecharacteristicsofmultiplexingtechniquesinthesensornetworks.Theperformanceofthesetypesofmultiplexingschemesisinvestigated,whichisbeneficialtothedevelopmentandpracticalapplicationofFBGsensornetworks.Keywords　fibergrating;sensor;FBGnetwork;FBGmultiplexing