一种光栅阵列的相位-强度定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种光栅阵列的相位-强度定位方 法，该定位方法适用于高反射率的波分复用（WDM)光栅阵列和低反射率的时分复用（TDM) 阵列。
【背景技术】
[0002] 基于光纤光栅阵列的传感网络具有复用能力强、响应速度快、抗电磁干扰、可靠性 高等特点，广泛应用于火灾报警、周界围栏等的安全监测。在大多数工程应用中，除了需要 对温度、应变、振动等物理量进行监测外，还需要对事件发生点进行快速定位。传统光栅传 感网络多采用高反射率光栅WDM复用构建，但这种网络只能复用几十个光栅，很难满足大 规模（如数百个监测点）的要求。2013年，武汉理工大学光纤传感国家工程实验室首次实 现光纤光栅阵列的在线制备，在普通低损耗光纤上大规模自动化刻写弱光栅。这种在线制 备的光栅阵列机械性能好，传输损耗低，大大提升了阵列的复用数量和传感距离，这为大规 模光纤光栅传感网络的推广应用奠定了基础。但光栅阵列规模的急剧扩大，也给光栅制备 及铺设质量的检测提出新的要求。例如，在光栅阵列制备时，需要检测光栅的位置及间隔的 变化，而在裸光栅阵列成缆后，更需要对各光栅的绝对位置进行标定和编号，以方便针对敏 感区进行监测时，根据预先确定的光栅位置进行有效铺设。因此，如何对阵列中的光栅进行 准确定位，是大规模光纤光栅传感网络技术发展的必然要求。
[0003] 光时域反射仪（OTDR)是OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反 射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表，它被广泛应用于光缆线路的维护、 施工之中，可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。传统高反射 率光栅多采用OTDR进行定位，这种光栅能有效反射OTDR光源入射的光信号，各光栅的位置 可作为"事件"反映在衰减曲线上。但由于OTDR多采用法布里-泊罗型激光器（FP-LD)作 为光源，FP-LD光源光谱呈梳状的高斯分布，即中心波长附近梳齿的功率高，边缘波长附近 梳齿的功率很低，且齿缝之间波长的功率远低于梳齿功率，使得光栅对FP-LD光源的反射 信号具有选择性。对于反射率不高的光栅，光栅的反射波长与FP-LD的梳齿波长失配时，光 栅反射信号的功率会大大降低，甚至低于背向光散射信号的强度，此时检测电路将无法识 别光栅的反射信号，从而导致光栅的定位困难。此外，由于OTDR的定位精度受脉冲宽度和 盲区的影响，其定位误差一般在+/-lm左右，饱和盲区和衰减盲区均大于2m。因此，对于定 位精度要高、光栅间距小的阵列，OTDR检测存在较大困难。中国专利"一种极弱光纤光栅传 感系统及其查询方法"（专利号：201210391578. 5)，探讨了相位扫描查询光栅的相关技术， 但这种技术仍然采用单一的时间维度来定位光栅，误差甚至都大于传统的OTDR定位技术， 因此很难应用于大规模光栅阵列制备及铺设质量的检测，定位精度也很难进一步优化。如 何进一步提升光栅定位的精度，探索准确定位光栅的新方法，具有重要的工程意义。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种光栅阵列的相位_强度定位方法，该方法 基于光栅反射信号的特征，从相位和强度两个维度对光栅进行定位，从而获得亚厘米级的 定位精度，实现方案监测，可适用于TDM阵列和WDM阵列中光栅的定位检测，为大规模光纤 光栅阵列制备及质量检测提供了优秀解决方案。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种光栅阵列的相位-强度定位方法，包括如 下步骤：
[0006] 步骤1 :宽带的连续非相干光，经过电光调制后形成宽带光脉冲，再经光环形器注 入串行光栅阵列，阵列中不同空间位置的光栅依次反射光脉冲。
[0007] 步骤2:以电光调制脉冲的上升沿为时间参考零点，调节选择光开关控制脉冲的 时延来分离不同光栅的反射信号。当控制脉冲的时延与目标光栅反射信号的时延交叠时， 该光栅的反射信号可以通过，而其它光栅的反射信号被吸收。则目标光栅距离电光调制器 的距离1^为：
[0008] (tdi-tw)c/2ne^L(tdi+tw)c/2ne
[0009] 式中，tw光开关脉冲的宽度，tdi这两路信号之间的时延差，ne为光纤的有效折射 率，c为真空中的光速。如说明书附图中的图4所示，是相位调节过程中，精调相位差（或 时延）与光度变化的示意图。
[0010] 步骤3 :当捕捉到光栅的反射信号后，以电光调制脉冲的相位为参考，精确调节选 择光开关控制脉冲与电光调制脉冲之间的相位差（或者时延，两者量纲不同，但具有相同 的物理意义，相位可以通过脉冲的周期进行折算，获得对应的时延值），并监测通过选择光 开关后信号强度的变化。假定通过信号功率的归一化面积为1，可以用相位差t的函数S(t) 来描述光功率随延时变化，则：
[0011]
[0012] 步骤4:对不同相位差对应的光栅反射信号的强度进行逐次比较，查找信号的峰 值强度，并记录峰值信号强度所对应的时延和相位差。
[0013] 步骤5 :根据下面的公式计算光栅的精确位置：
[0014]
[0015] 式中，ttotal为粗调时延与精调相位差（或时延）的和。在一般情况下，粗调时延 多用于光栅反射信号捕捉，步距越大，光栅查询速度越快，但这意味着定位精度越低。精调 时延的步距较小，由于光栅反射信号的强度对相位敏感，微小时延的变化即可引起光强的 变化，精调步距越小，查找光强信号峰值的不确定度越小，定位精度越高。
[0016] 所述光栅的定位误差还与光脉冲宽度、相位调节精度有关。在相位调节最小步距 一定的情况下，光脉冲宽度越窄，相位失配所引起的功率变化越明显，信号强度的峰值点查 找越准确，从而有利于缩小寻峰误差；而在光脉冲宽度一定的情况下，相位精确调节的步距 越小，查找峰值时的不确定误差越小，从而改善定位精度。
[0017] 一种光栅阵列的相位-强度定位方法，应用于高反射率WDM阵列光栅的精确定位。 在WDM光栅阵列中，为了避免传感波长之间的串扰，考虑光栅lnm的动态工作范围，相邻通 道光栅之间的波长间隔约为lnm。因此，对于WDM阵列，光源需选用谱宽较宽的宽带自发发 射光源（如40nm)。当宽带的连续经电光调制后，带有多波长信息的光脉冲入射到WDM光栅 阵列，各光栅反射信号携带不同的波长和位置信息，经过选择光开关后，通过对反射信号进 行相位-强度检测，实现对光栅的精确定位。
[0018] -种光栅阵列的相位-强度定位方法，应用于光缆线路接续盒的定位和标识管 理。在光缆传输线路中，通常光缆的标准长度只有2km，需要逐段接续来构建长距离传输线 路，并设置接续盒保护每段的节点。但在线路建设完成后，众多接续盒的标识管理存在一定 困难。通过在不同接续盒中接入不同波长的光栅，可以根据波长和位置对接续盒进行二维 编码管理，对于光缆线路工程的管理十分有效。
[0019] 一种光栅阵列的相位_强度定位方法，采用光放大器对电光调制脉冲进行放大 后，可应用于低反射率TDM光栅阵列的精确定位。在TDM光栅阵列中，为了提高阵列的复 用能力，光栅多采用低反射率光栅。因此，对光源的谱宽要求不高，对系统的功率预算要求 较高。小带宽光源经过电光调制后的光脉冲，经过光放大器提升光功率后入射到TDM光栅 阵列，各光栅反射信号经过选择光开关后，通过对反射信号进行相位-强度检测，实现对光 栅的精确定位。
[0020] 依据上述发明的方法，可实现对传感光栅的准确定位，且技术实现方案简单，无需 设计复杂的软硬件结构及算法，可满足目前主流WDM光栅阵列的定位要求，也能对大规模 弱光栅阵列进行定位，为弱光栅阵列制备及敷设质量的检测提供了较好的解决方案。
[0021] 综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0022] 1)、定位精度大幅提高。比较传统的OTDR定位，该方法从两个维度进行定位，定位 精度从米级提升到〇. 1米以下。
[0023] 2)、解决了弱光栅的制备及敷设质量检测的问题。由于OTDR无法检测到弱光栅的 反射信号，目前弱光栅检测存在较大困难。该方法能有效检测到