基于光码分多址技术的光纤光栅轨道传感系统

1.基于光码分多址技术的光纤光栅轨道传感系统，采用如下的工作方式对轨道沿线多个测量点物理量进行准分布式传感探测：宽带光源发射的编码光脉冲经过光隔离单元进入沿轨道布置的若干个传感光纤光栅阵列，光纤光栅阵列的反射光经过一个光滤波器进入光电接收单元后以电信号方式进入控制分析单元；所用编码序列及其长度、比特时隙由控制分析单元存储和控制，所述宽带光源发射的编码光脉冲是调制模块使用特定编码序列对宽带光源输出的连续光进行编码后得到的光脉冲信号；所述控制分析单元根据滤波后的光强换算出光栅中心反射波长，并通过同一个光脉冲由传感阵列中不同光栅反射造成的时延差和相关运算来区分不同光纤光栅的反射光。

基于光码分多址技术的光纤光栅轨道传感系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及在轨道交通(铁路交通、城市地铁交通、轻轨交通、矿山轨道交通)中使用光码分多址技术(OCDMA)的光纤光栅传感系统来实现对轨道温度、压力或应变信息的监测。\n背景技术\n[0002] 光纤光栅(或称光纤布喇格光栅，Fiber Bragg Grating-FBG)是目前传感领域研究和应用的一大热点。与常规传感技术相比，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性能，越来越受到特殊场合或恶劣环境应用的青睐。光纤光栅传感器已经广泛应用在土木工程(桥梁、矿井、隧道、大坝和建筑物等)、航空航天、海洋、医学、电力、石油化工等领域，相关技术越来越成熟。光纤光栅特别适合在恶劣的轨道交通环境中实现对多个物理量的准分布式测量。\n[0003] 光纤光栅的传感信息采用波长编码，如何分辨出准分布式光纤光栅传感系统中光栅的位置和检查光栅中心反射波长的移动，即传感光纤光栅阵列中光栅的复用及解调技术是当前研究的热点。工程应用中也迫切需要一种简便易行的大容量光纤光栅复用及解调技术。目前最基本的准分布式光纤传感系统采用波分复用(WDM)的复用方式结合波长扫描的解调技术来实现对多个光纤光栅的解调。波分复用传感网络中复用光纤光栅的数量，主要取决于光源的光谱宽度和待测物理量的动态范围。一般各光纤光栅间的中心波长间隔应该不小于3nm，而光源光谱带宽为30-80nm。波分复用方式一般采用串联网络结构，网络中的光纤光栅分别位于不同的波长间隔中，各光栅的带宽互不重叠，不会出现串音现象，系统的信噪比很高，光源功率的利用效率也很高。单独采用波分复用方式能够复用的光栅数量仍然有限(一般为16个光栅左右)，在准分布式测量中需要对数十乃至数百个传感点进行监测，实际使用中往往将空分复用(SDM)和波分复用(WDM)相结合就构成了SDM/WDM混合的光栅网络，采用星形网络拓扑，若干个波分复用(WDM)网络通过光开关连接起来，采用轮询的方式分别对每个WDM网络中的光栅进行波长解调。SDM/WDM混合网络中可以服用光栅的数量理论上没有限制，与并联的WDM网络数量成正比。而且可以避免一条光纤断裂造成整个网络瘫痪。但是整个系统的解调速度会随着并联WDM网络的增加而降低(F.Ye，L.Qian，Y.Liu，and B.Qi，“Using Frequency-Shifted Interferometer for Multiplexing a Fiber BraggGrating Array”，IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.20，no.17，pp.1488-1490，\n2008)。除此之外，常见的光栅复用技术还有：(1)副载波频分复用技术：使用带通滤波器来区分被不同调制频率副载波调制的光栅(P.K.C.Chan，et al，“Switched FDM operation of fiber Bragggrating sensors using subcarrier intensity modulation”，SPIE，\n1998，3330：237)，该方法可复用的光栅数量理论上不受限制，信噪比也很高，但系统的利用率随复用数量的增加而降低，解调速率也随之下降；(2)光频域反射复用技术：对光源进行频率按三角形线性变化的强度调制，将光栅反射光光电转换后的新后与原始的三角波信号相乘产生拍频信号，利用拍频的差异来区别不同位置处的光栅(P.K.C.Chan，W.Jin，J.M.Gong，and M.S.Demean，“Multiplexing of fiberBragg grating sensors using an FMCW technique”，IEEE PhotonicsTechnol.Lett.，vol.11，pp.1470-1472，Nov.1999)；(3)基于分光计的复用技术：复用光栅的反射光进入由衍射光栅和CCD阵列组成的分光计后，反射光会因波长不同而被衍射到CCD阵列的不同位置，以此来区分不同的光栅。该方法响应速度快、抗干扰能力强，缺点是工作在980nm波段，不适应目前主要应用的1310nm，1550nm波段的光(G.Atkins，M.A.Putnam，E.J.Friable，“Instrumentation for interrogatingmany-element fiber Bragg grating arrays embedded in fiber/resincomposites”，SPIE，Smart Sensing Processing and Instrumentation，1995：\n257-266)；(4)时分复用技术(TDM)：利用同一根光纤上不同位置处的光栅反射光存在的时间延迟差来区分不同的光栅(R.S.Weis，A.D.Kersey，and T.A.Berkoff，“A four-element fiber grating sensor arraywith phase-sensitive detection，”IEEE Photonics Technol.Lett.，vol.6，no.12，pp.1469-1472，Dec.1994)。采用串联拓扑，功率利用率很高，但随着复用光栅数目的增加信噪比下降，解调速度也随之下降。\n[0004] 波分复用技术是构成大型光栅传感网络的基础，但受光源带宽和待测物理量动态范围的制约在单根光纤上复用的光栅数量有限。为了进一步提高单根光纤上光栅复用的能力，必须提高光栅网络的频带利用率，采用码分多址技术的光栅密集波分复用方案可以大大提高单根光纤的光栅复用数量。采用光码分多址技术的光纤传感系统使用自相关解调技术从光栅阵列返回的混合信号中提取特定光栅的信号，允许光栅的反射谱互相重叠，不需要带宽间隔从而使单根光纤复用几十上百个光栅，实现了对光栅的密集波分复用；此外自相关解调技术可以有效抑制高斯噪声，极大提高了传感信号的信噪比。光码分多址技术与基于边缘滤波的强度解调技术相结合拥有极高的解调速度(H.Huan，C.Lu，P.K.A.Wai，H.Y.Tam，“Large-scale FBG sensorsutilizing code division multiplexing”，2008，CLEO/QELS 2008)。\n[0005] 在轨道交通中，需要在轨道沿线不同位置处布置大量的传感光纤光栅来构成准分布式传感系统，来实时监测温度、压力或应变信息(H.Y.Fu，H.L.Liu，H.Y.Tam，P.K.A.Wai，“Long-distance andquasi-distributed FBG sensor system using a SOA based ring cavityscheme”，OSA 1-55752-830-6)。传统的光栅复用网络受制于复用数量和解调速度，无法满足轨道交通领域对大范围、高解调速度的准分布式传感网络系统的要求。\n发明内容\n[0006] 因此本发明的目的就是将光码分多址技术(OCDMA)和边缘滤波解调方法相结合，构造出一种适合轨道交通尤其是高速轨道交通的准分布式光纤光栅传感系统，相比申请号为200820109965.4的专利申请书中公开的系统不需要机械调谐器件，解调速度大大提高，成本降低。满足对列车定位，铁轨温度应变测量等多反面的需求。\n[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：\n[0008] 基于光码分多址技术的光纤光栅轨道传感系统，宽带光源(101)发射的编码光脉冲经过光隔离单元(103)进入沿轨道布置的若干个传感光纤光栅阵列(104)，光纤光栅阵列的反射光经过一个光滤波器(102)进入光电接收单元(106)后以电信号方式进入控制分析单元(107)；所用编码序列及其长度、比特时隙由控制分析单元存储和控制所述宽带光源发射的编码光脉是调制模块使用特定编码序列对宽带光源输出的连续光进行编码后得到的光脉冲信号。\n[0009] 与使用传统的光纤光栅网络复用技术的传感系统相比，本发明结构简单，组网灵活、复用数量大大增加，解调速度高等优点，特别适合对轨道交通大范围内多个物理参量的准分布式测量。\n[0010] 附图说明如下：\n[0011] 图1为本发明的结构示意图。\n[0012] 图2为本发明控制分析单元结构组成框图。\n[0013] 图3为本发明实施范例图。\n[0014] 图4为本发明对轨道区间内实施铁轨温度应变测量时光纤光栅阵列布置示意图。\n[0015] 图5为本发明对轨道区间内实施列车计轴时光纤光栅阵列布置示意图。\n[0016] 图6为本发明采用的不同编码序列的自相关特性。\n具体实施方式\n[0017] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。\n[0018] 图1是本发明实施的一个典型装置图，宽带光源(ASE或SLED)(101)由调制模块(102)按照特定的编码序列S1进行强度调制，所用编码序列及其长度、比特时隙由控制分析单元(107)存储和控制。编码序列的长度与自相关运算后的串话抑制效果和系统解调速度有关，一般取128或256个比特长度。输出的编码光脉冲经光环行器(103)(光隔离单元可以是光环形器也可以是光耦合器加光隔离器)进入按照一定长度间隔排列的传感光纤光栅阵列(104)，光纤光栅阵列反射回的光再经环行器由边缘滤波模块(105)进行强度解调。滤波后的光脉冲信号由光电转换单元(106)进行光电转换后得到电脉冲信号传递给控制与处理单元(107)。控制分析单元的组成结构如图2所示，其中编码序列控制器(201)控制图1中的调制模块按照特定编码序列对宽带光进行调制。电脉冲经过放大器(202)放大后由模数转换芯片(203)变为数字信号序列。将得到的脉冲信号存储得到与编码序列长度相同的一个序列S2。再将S2分别与S1通过(204)、(205)、(206)后生成的不同序列分别进行自相关运算即得到特定光栅反射信号的强度解调结果。光脉冲自对应光栅反射回来所经历的时间延迟与比特时隙的比值即为S1进行位移的比特长度。由于采用自相关解调技术区分不同的光纤光栅，相邻光纤光栅之间的时间延迟必须达到所用编码序列的一个比特时隙。所用光纤光栅的中心波长可以相同也可以不相同，若中心波长有相同者其最大反射率必须远小于100％。\n[0019] 实际实施时，我们按照图3所示结构进行了验证。整个实验装置介绍如下：宽带光源(301)在控制分析单元(302)控制下发射的编码光脉冲经过光隔离单元(303)进入沿轨道布置的若干个传感光纤光栅阵列(304)，光纤光栅阵列的反射光经过一个光滤波器(305)进入光电接收单元(306)后以电信号方式进入调理电路(307)进行I-V转换，电压放大处理，数模转换器(308)对放大后的电压信号进行采样将其转换为数字信号后交给控制分析单元(302)进行分析得到测量物理量的解调结果；所用编码序列及其长度、比特时隙由控制分析单元(302)存储。\n[0020] 本发明对轨道交通实施铁轨温度应变准分布式测量时，光纤光栅阵列布设方式如图4所示，以级联方式分别在轨道上需要监测温度应变的位置如铁路道岔等处布置光纤光栅，通过光纤光栅中心波长可以换算出光栅布设出的铁轨温度应变。\n[0021] 本发明对轨道交通中进行列车计轴时，光纤光栅阵列布设方式如图5所示，在轨道沿线设置若干个计轴检测点，每个监测点上分别布置传感光栅和温度补偿光栅。其中传感光栅以粘贴或焊接方式布置在铁轨底部，以便从列车轮轴驶过产生的铁轨应变信息中获得计轴脉冲；温度补偿光栅用于消除环境温度变化对应变测量的干扰。实际使用计轴点的数目根据实际灵活配置。\n[0022] 本发明对传感光纤光栅阵列中光纤光栅中心波长的解调采用基于边缘滤波器的强度解调方式。光纤光栅的反射普带宽一般为0.1nm～0.5nm，光纤光栅反射光可视为窄带光。边缘滤波器模块中使用一个边缘光滤波器对光纤光栅反射光进行滤波。滤波后的光强信号提供了光纤光栅中心反射波长的信息。使用的边缘光滤波器必须具有在系统满量程的波长范围内与波长呈线性相关的透光特性。边缘光滤波器的透射谱用下式来表示：\n[0023] F(λ)＝A(λ-λ0)\n[0024] 其中A为滤波斜率。光纤光栅反射光光谱分布可以近似为高斯形，设其中心波长为λB，带宽为Δλ，经过边缘光滤波器后的光强可以表示为：\n[0025] \n[0026] 其中I0为光纤光栅反射光强度，当光纤光栅在宽带光源光谱分布的平坦区内是是一个由光纤光栅反射谱决定的常量。当中心波长λB变化时，I呈线性变化。在边缘光滤波器模块中可以使用的边缘光滤波器种类有光纤光栅、FP滤波器、长周期光纤光栅(LFBG)等。\n[0027] 采用边缘光滤波器的强度解调方式对温度，压力或应变进行检测具有结构简单，成本低，高解调速度等明显的优点。将强度解调与光码分多址技术结合起来可以得到一种适合轨道交通中对多个物理量高速测量要求的分布式传感系统。在光电接收模块各光纤光栅的反射光叠加在一起无法区分，光码分多址技术可以将混叠在一起的传感信息区分开来。处理后的各光栅传感信号之间仍然有存在一定的相互干扰被成为串话，串话是由串联结构的光栅阵列间的光谱阴影效应和相关运算谱的旁瓣造成的，使用切址光栅、增加光栅间的中心波长间隔可以减小乃至消除光谱阴影造成的串话；相关运算旁瓣造成的串话与所用编码序列及其长度有关。不同编码序列的自相关特性分别如图6所示。\n[0028] 传感光纤光栅阵列可以是多个传感光纤光栅串联或并联组成。\n[0029] 与使用传统的光纤光栅网络复用技术的传感系统相比，本发明结构简单，组网灵活、复用数量大大增加，解调速度高等优点，特别适合对轨道交通大范围内多个物理参量的准分布式测量。更值得指出的，由于本发明所基于的单元技术都是非常成熟(如ASE或SLED光源、光调制器、FPGA等)，整个发明实用化应用和推广不存在问题。\n[0030] 针对轨道交通领域的具体需求，我们强调一下本发明的典型应用：\n[0031] (1)铁轨温度应变监测：(图4)\n[0032] (2)监测轨道区间或道岔区段的空闲与占用情况：由于铁路列车调度的需要，对铁路区间行驶的列车需要进行闭锁跟踪，确定区间内有无列车行驶，以免发生列车追及或相撞(图5)。\n[0033] 对铁路线上列车的定位：为了提高铁路调度系统的效率，需要对铁路闭锁区间内列车进行跟踪，本发明可以获得区间内列车位置及速度等信息，实现对列车的定位(图5)。