光時域反射型傳感器網絡的設計

孫 超， 丁建軍， 張 岡， 陳幼平

(1. 江漢大學 物理與信息工程學院， 武漢 430056； 2. 華中科技大學 國家數控技術工程研究中心， 武漢 430074)

0 引 言

本文基于氣體光譜吸收檢測技術[1-2]，分析了基于單根光纖傳輸的分布式光纖傳感器組網及拓撲結構。針對分布式(特別沿巷道、管道布點的)氣體檢測需求，采用光纖傳感器及單根傳輸光纜所組建甲烷氣體傳感器網絡[3-4]。這些技術優勢將使研發出的氣體傳感器具有選擇性強、反應時間短、安全性高、體積小等特點，且具備接入物聯網的能力，能實現氣體的多點遠距離實時測量，并顯著提升氣體測量的性能和安全性[5-6]。

光纖傳感器時分復用技術[7](Time Division Multiplexing，TDM)的實現是基于耦合于同一光纖上的多個傳感器，每2個傳感器之間由光纖相耦合，經過耦合的光纖產生一段延時，由于這段延時導致不同位置的傳感器信號傳入接收端時間不同，該時間差在時域上產生分時效應[8]，依靠輸出信號的分時效應可以確定傳感器的位置以及每個傳感器返回信號中所攜帶的被測信息，通過解調各個傳感器的被測信息，可以得到每個點的被測值及其所對應的位置。

首次提出多點光纖甲烷傳感器的是Stewart等[9]，使用的光纖分光器和多路復用技術來耦合各個氣室之間的1 665 nm的分布反饋(DFB)激光的功率。由單獨的光電二極管檢測器進行檢測的多個氣室的輸出，靈敏度可達×10-6級。1999年，Jini[10]研究了光纖氣體傳感器的TDM技術,對檢測氣體吸收信號確定濃度信息，并建立了計算仿真模型，表明20個甲烷氣體傳感器組成的光纖氣體傳感器，均采用的吸收氣室，檢測靈敏度可以達到2 000×10-6。此后基于光纖的多點遠距離的氣體濃度檢測研究受限于結構以及光器件的發展并沒有在精度上有明顯提高。2014年，Ou等[11]提出了基于頻移干涉法的光纖法布里-珀羅(F-P)傳感器混合復用的實驗和理論研究。研究了以混合配置復用的4個F-P傳感器。雙通道混合復用系統的最大傳感器數量達到26，當源功率傳感器間隔為2 mW。為大規模復用F-P傳感器提供了一種新的可行方法。Floridia等[12]報道了一種新穎的甲烷泄漏檢測系統，并在分析氣體的吸收區域中使用光時域反射計和光頻掃描。可以使用個5.5 cm的氣室完成數十公里范圍的單個探測器設備分析多個無源遠程傳感器。

與傳統TDM結構相比，本文設計了一種基于OTDR[13]的光復用結構，減少了光耦合器的數量以及光纖長度完成準分布式測量，實現了多個檢測點共用一根光纖傳輸，相比于現有網絡每個測點需要一套檢測設備及傳輸光纜[14-15]，安裝和維護成本大幅降低。這種方法使用了反射型氣室，而透射氣室與此相比，需要使用多1倍的光耦合器以及更長的光纖距離，衰減更大。本文還分析了該結構中涉及的其他光器件：光環行器，分光器，最后根據靈敏度實驗分析基于OTDR反射型傳感器網絡拓撲結構的最大測量范圍及測量點數量。

1 OTDR反射型傳感器網絡拓撲結構光路設計

基于光時域反射(OTDR)光路拓撲結構如圖1所示，首先將光源調制成脈沖光源，脈沖光源的頻率根據氣室數量決定，光源的光經過光環行器到達光耦合器1，并將光分為2路，第1路連接氣室1，第2路經過光纖布局線到達光耦合器2，光耦合器2將光分為2路……，光這樣一直傳輸下去，直到到達最遠處的第n個氣室。光信號的返回是通過光環行器進行的，含有所有氣室的氣體濃度信號的光經過光環行器到達信號處理部分，通過信號解調分別將各個氣室的氣體濃度計算出來，并且各個氣室根據返回時間將氣體濃度與氣室對應起來，在得到氣體濃度的同時也可以得到相應氣室。

圖1 OTDR光路拓撲結構

使用光譜吸收法檢測氣體濃度，激光被調制電流信號耦合到的光環行器、分光器以及自聚焦透鏡(GRIN)準直器進入氣室。反向散射光通過透鏡反射以及光環行器傳送至至光探測器，獲取氣體濃度信號信息。在測量過程中的重要組成部分是檢測氣體與相應波長激光的相互作用的路徑。光學路徑主要包括光纖、光與氣體作用的氣室、環形器以及分光器。

2 光路光器件的分析與設計

2.1 氣室結構設計

傳統的光纖氣體傳感系統使用的氣室都是封閉設計的，只留下2個氣口：進氣口與出氣口，或者僅有一個氣口與外界氣體相通，甚至有的氣口為了過濾掉不需要的氣體還帶有選擇性透過膜，這種氣室的設計在戶外環境中應用是很難湊效的：被測氣體很難根據需要進入封閉的氣室中，導致封閉氣室內外的氣體構成及其濃度很難一致。相比于封閉氣室的氣體不流通性，開放式氣室不存在這個問題，將氣室直接暴露于檢測環境中不僅可以保證氣室內外氣體成分和濃度一樣，還能使系統的響應速度加快，提高了系統的實時性。

本系統選擇基于自聚焦透鏡透鏡來對氣室進行設計。與傳統透射式自聚焦透鏡氣室相比，反射式氣室由于光的反射作用，增加了1倍光程，其結構簡圖如圖2所示。傳統的吸收氣室存在光纖和光學元件耦合與準直等問題，使用自聚焦透鏡和光學微調架可以有效的解決這兩個問題。

1-光纖準直器，2-鍍金反射鏡，3-氣室基座

根據準分布式的拓撲結構要求，氣室由3個零件構成，光與氣室耦合的輸入輸出方式為單根光纖的耦合。所以將氣室的結構設計為反射結構來滿足單根光纖的輸入輸出。光從光纖經過自聚焦透鏡變為平行光進入氣室，與待測氣體吸收作用后，入射至反射鏡，反射鏡與光垂直，根據光的反射定律，反射光沿原路返回，再次經過與待測氣體吸收作用后進入自聚焦透鏡，匯聚到一點，最后沿光纖原路返回。

2.2 光環行器

由于本試驗系統采用的是反射式氣室，當光由環形器接口1進入，接口2輸出至分光器、氣室并經過反射后會沿原光纖原路返回，返回至環形器接口2輸入后經由光環形器接口3作用，傳回的有效信號由另一端口射出。為提高系統的精度，保證系統的分辨率：基于光環形器波長敏感性較強，需要選擇工作波長與系統光源波長匹配的光環形器，針對不同氣體的吸收波長段，可選擇不同波長段的環形器。

光環形器插入損耗盡可能小，以減少光功率的損耗，經過試驗計算，所選光環行器插入損耗為0.6 dB。光環形器不相通端口隔離度應較大，從而使有效信號更多地從正確端口輸出。

2.3 分光器及其最佳分光比

當激光經過環形器，需要經過分光器之后，就會進入傳感器單元，氣室。在此網絡中，采用1端輸入，2端輸出的分光器，分光器的合束、分束都會帶來損耗，考慮到接收硬件動態響應范圍，設計該網絡需要保證各點輸出功率均衡，這樣還能得到在輸出端理論信號在幅值上是相同的。為了每個氣室在輸入光強度是一致的，假設氣室數量為n，那么第1個分光器的分光比是1∶(n-1)，第2個分光器的分光比是1∶(n-2)，以此類推，最后一個分光器的分光比是1∶1。

3 系統損耗測試及最遠檢測距離分析

光纖的損耗指的是光在光纖中傳輸時的損耗。光在光纖中傳輸，光信號強度隨著光纖長度增長而減弱。當光功率一定時，傳輸距離由損耗決定。光纖的損耗包括吸收損耗以及散射損耗。吸收損耗包括光纖的本證吸收和雜質離子吸收；散射損耗主要是光纖本證散射以及制作缺陷，包括了瑞利散射和拉曼散射等。光纖的衰減可以由下式給出：

其中：Pin、Pout分別表示為光纖輸入、輸出光功率：L為光纖長度。

本文中，由于甲烷氣體的檢測波長在光纖的低損耗區，所引起傳輸衰減影響較小。系統其余部分的衰減是由以下幾個部分組成的：激光器與光纖耦合、環形器衰減、分光器的衰減、光纖本身的衰減。系統使用的是單模光纖，系統衰減實驗結果如下：環形器及接口0.6 dB，氣室及接口0.42 dB，耦合器及接口4.6 dB，光纖及接口0.4 dB。

當光源的波長范圍覆蓋光譜吸收的一條或多條譜線范圍時，光強會有衰減，衰減強度滿足光譜吸收定理：當吸收系數以及光路長度確定之后，氣體濃度僅與吸收強度的衰減有關。在損耗測試實驗中，測量了傳輸光的衰減，使用激光器將其波長調整到1 653.7 nm。其中，分光器的分光與合光都會給信號帶來損耗，經過試驗得出分光器的損耗是4.6 dB。

對于反射型時分復用的準分布式網絡來說，最大可檢測點數是一個重要的網絡性能指標。該指標表明所應用場合的空間范圍、最大檢測的點數與以下幾個條件有關。

(1) 光源的光功率。在保證光源輸出波長能夠對準氣體吸收光譜的基礎上，光源的功率在可調范圍內相對較大，保證衰減到更遠的氣室，還有光可以達到探測要求。其次是光所經過各光學器件的衰減：光功率的衰減決定了光到達最遠處氣室的信號的信噪比，信噪比越大所測量值的精度和穩定性更高，采集數目也更多。

(2) 檢測靈敏度的要求。考慮在工程中的應用場合，所需要檢測的靈敏度是根據需求設計的，比如甲烷管道的濃度測量就是甲烷最低爆炸下限。根據上述限制條件，若要求最低檢測濃度就是甲烷的最低爆炸下限(LEL)，光功率的最大對準范圍是15 mW，反射氣室長度1 cm，常溫常壓下，每個點的衰減是6.02 dB。

使用單點的算法來分析計算傳感器網絡的數據，3個氣室的反射衰減是由強度的衰減來計算的。通過計算衰減強度可以計算出第20個氣室的信號強度在最低測量范圍內，預計可以檢測20個氣室的氣體濃度。如果按照2 km每一個氣室來計算，可以實現40 km的測量距離。

4 靈敏度實驗及檢測精度分析

本文以甲烷為研究對象，實驗中使用單模光纖，各個光學器件以及光纖路徑是固定的信號噪聲，使用開放型氣室，環形器使用69傳感科技有限公司的1 650 nm三端口環形器，其工作波長為1 610～1 650 nm，插入損耗小于1 dB，最小隔離度不小于30 dB，工作溫度-5～70 ℃，滿足實驗系統的要求。

靈敏度實驗通過信噪比來計算，將濃度為0.1%～1%的甲烷氣體向氣室中加入，每種濃度測量20次，每次時間是30 s，采集數據是二次諧波的峰-峰值，取平均值。峰值的標準偏差作為噪聲。

如圖3所示，3個氣室的靈敏度采集的分別是110×10-6， 350×10-6，960×10-6，所測量的靈敏度滿足最低爆炸極限的要求。

(a) 0 km

(b) 2 km

(c) 4 km

5 結 語

本文提出了基于OTDR的光譜吸收型開放式氣室網絡拓撲結構，實現了多個檢測點共用1根光纖傳輸，相比于現有網絡每個測點需要一套檢測設備及傳輸光纜，安裝和維護成本大幅降低。針對該結構以及戶外測量的要求，設計了開放反射吸收型氣室，相比于現有光纖氣體傳感器所采用的氣室，結構更加小巧緊湊，更適合于傳感信息耦合入單根光纖網絡進行傳輸。同時，分析了在實驗光路中，氣室、光環形器、分光器的衰減，討論了理論上可測量的最大的數量以及距離。

以甲烷為研究對象，完成了基于OTDR光時域反射型傳感器網絡多點精度實驗，實驗證明在0，2，4 km處的靈敏度分別達到110×10-6，350×10-6和960×10-6，不僅所測量的靈敏度滿足最低爆炸極限的要求，其最遠檢測距離可達40 km，與傳統時分復用的結構相比，檢測精度以及檢測距離都有提高。

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