光纤光栅传感器的大规模组网技术

9/27/2004,本站消息，作者：刘育梁
　　摘要：本文讨论了光纤光栅传感器在组成大规模网络时的关键技术问题，报告了中国科学院半导体研究所与北京品傲光电科技有限公司等单位在光纤光栅传感网络方面的合作研究工作以及实施的若干重大应用工程。

一、 引言
利用光纤光栅技术发展起来的光纤光栅传感网络具有很多独特的技术和应用优势，比如：
1）全光测量及远距离测量（可超过45公里）；不受电磁干扰；
2）准分布式测量：单根光纤可以串接几十个光纤光栅传感器，只需占用解调设备（传感网络分析仪）的一个通道；
3）可以与光纤通信网络融合，适合在广阔的地域组网；
4）测量精度高：测温精度± 0.5 ℃，测温分辨率0.1℃；测量应变分辨率1με；
5）实时性好：在大规模网络中，所有监测点的单次测量时间最快小于10ms；
6）传感器检出量是波长信息，属于“数字”量，因此不受接头损失、光缆弯曲损耗等因素的影响，对环境干扰不敏感；
由于这些独特的优点，自从1989年MOREY首次报道将光纤光栅用作传感以来，光纤光栅传感器受到了世界范围内的广泛重视。研究工作重要集中在：
1）光纤光栅的封装；
2）光纤光栅传感器的可靠性和寿命研究；
3）交叉敏感的消除；
4）高功率密度的宽谱光源；
5）微小波长移动的并行、快速、低成本检测等方面。
    经过近十五年的发展，光纤光栅传感网络的基本技术已经成熟，正在从实验室走向大规模工业应用。目前研究的重点正在转向组网和工程应用的关键技术问题。
    中国科学院半导体研究所是国内较早开展光纤光栅技术研究的单位。在国家“863”计划的支持下，围绕着高速率、长距离光通信系统中的光纤光栅色散补偿器进行了攻关，解决和掌握了光纤光栅中心波长的精确控制技术、光纤光栅裂纹抑制、旁瓣抑制和时延抖动的控制技术。研制的光纤光栅色散补偿器经过了严格的光通信无源器件可靠性测试，应用于华为技术有限公司的光传输产品中。
    从2000开始，中国科学院半导体研究所将其成熟的通信光纤光栅技术向光传感领域发展，与北京品傲光电科技有限公司等单位组成战略合作伙伴，在中国科学院知识创新工程重大项目《光纤传感网与无线传感网的融合》、北京市火炬计划项目《光纤光栅传感网络分析仪及光纤光栅传感器》和上海市重大科技攻关项目《基于光纤光栅的分布式智能监测系统》的支持下，进行了组网技术研究、低成本产品化开发和工程应用研究。在国内若干重大基础建设中实现了光纤光栅传感网络的商用化。
    本文简要报告光纤光栅传感网络的若干组网关键技术和重大应用工程。

二、 光纤光栅传感网络工作原理
1、光纤光栅的敏感机制
    用于传感的光纤光栅一般是制作在光纤芯内的布拉格反射器。它利用光纤材料的紫外光敏性，在纤芯内部形成空间相位光栅。这样具有一定频谱宽度的光信号经过光纤光栅后，特定波长的光沿原路反射回来，其余波长的光信号则直接透射出去。光纤光栅的结构和光谱响应如图所示。

      

          图1 光纤光栅的结构和频谱特性
Fig. 1 The Structure and Spectrum Characteristic of Fiber Bragg Grating

根据耦合波理论，上述反射波长可以表示为：
                                           （1）
    此即光纤光栅的中心波长方程，其中 为纤芯的有效折射率， 为光栅周期。可以看出改变光栅的有效折射率或周期就能改变光栅反射的中心波长，利用这一特性可以将光纤光栅用于许多物理量的传感测量。例如温度和应力是光纤光栅能够直接敏感的两个物理量。温度引起光栅中心波长的漂移主要有两个方面的原因：起主要作用的光纤材料的热光效应，起次要作用热膨胀效应。应力的作用使光纤光栅受到机械拉伸而导致光栅周期的变化，另一方面由于石英材料的弹光效应也会引起的光纤光栅有效折射率的变化。这样光栅的中心波长漂移就反映了所处温度场或应变场的变化情况，从而达到测量的目的。由于光纤光栅中心波长随温度或应变的变化关系是线性的，所以可以非常方便地应用在传感领域。
2、光纤光栅传感网络
    光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式，多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。典型的光纤光栅传感网络结构如图所示，其基本功能部分可概括为：光发射和接收终端，传输线路，传感器阵列和信号处理系统四个部分。
      
           图2 光纤光栅传感网络原理图
Fig.2 Sensor Networks base on Fiber Bragg Grating Sensors.

    从宽谱光源或者连续扫描激光器出射的光经由光耦合器或光开关后分别到达相应通道的光纤光栅传感器阵列。由于光纤光栅是以波长编码的方式实现传感测量，因此在传感网络中可以采用光开关切换各个通道，互相并无串扰。各个通道可以采用相同波长的光纤光栅传感器阵列，从而有效的利用了频带资源。各传感器反射回来的波长信号经过耦合器和可调谐扫描滤波器后被光电探测器接收。当传感器阵列中某个传感器所处的环境（如温度场、应变场等）发生改变时，该传感器的中心波长就会发生漂移（一般为线性变化）；这种波长的微小漂移被探测、采样并将采样数据送到信号处理模块进行计算分析，从而得到传感器的相关参量和相应的温度或应力的测量结果。
    用于信号解调的光源、滤波器、探测器和信号处理与控制模块以及其它的相关光路元件通常集成在一个设备里，称做光纤光栅传感网络分析仪。

三、光纤光栅传感器的大规模组网技术
    光纤光栅传感技术的早期研究集中在传感器本身的封装、寿命、可靠性和各种解调技术的实现方面。当用光纤光栅传感器构成网络用于实际工程时，将会面对许多新的技术问题。与单独的传感器应用不同，当光纤光栅传感器组成网络时，必须进行网络规划和设计，以便解决好路径备份、温度补偿、频带利用和功率均衡等问题。网络规划和设计也对传感器自身提出了标准化的要求。
1、传感器的互换性
    光纤光栅传感器最重要的外部参数是初始波长以及波长随外界物理量变化的系数。在不同的精确度情况下，光纤光栅传感器的反射谱中心波长与被测物理量的对应关系有多种数学表达方法。比如，在中心波长与外部物理量之间建立关系；在中心波长变化量与外部物理量之间建立关系；按线性情况来处理；按多项式形式来处理；初始波长还可以选在不同的温度点上。由于没有统一的标准来约定，各研制单位和企业的产品采用各自选定的表征方法。目前也缺乏对整个波段内的传感器的工作波长进行规范的工作。所以传感器的初始中心波长也是根据工艺而随机确定的。这样，作为实际产品，在规范的大规模组网工程中往往不具有可替换性。
2、应变测量中的温度补偿问题
    由于光纤光栅的弹光系数只有热光系数的1/10之一左右，温度变化1°C引起的中心波长偏移与10με所引起的中心波长偏移相当。因此在应变测量中必须要剔除环境温度变化对光纤光栅传感器中心波长的影响，亦即要考虑应变测量中的温度补偿问题，这在大型结构的长期应变监测中尤为重要。但在这种实际应用场合，只考虑传感器作为独立个体时的温度系数没有意义。因为在实际工程中，传感器与被测对象复合后，它的温度系数发生了很大的改变。而新的温度系数与被测对象的材料性质、安装方法有很大关系，往往是不能预知的。
3、频带利用
    由于光源谱宽的限制、光纤光栅中心波长范围的限制，以及光路上其他各种部件的工作波长的限制，光纤光栅传感网络可用的频谱带宽是有限的。目前一般采用1310nm或1550nm波段。随着DWDM光通信技术和产业的发展，1550nm波段的器件供应商越来越多，成本越来越低，C波段已经成为光纤光栅传感网络组网的首选工作波段。
    考虑C波段从1525nm到1565nm的40nm的波长范围内，采用波分复用的方式在一条链路上串接光纤光栅传感器。当波长相临的两个传感器的反射谱的中心波长接近到0.4nm时，解调系统就难以分辨。因此，在不考虑每个传感器的量程（中心波长的移动范围）的极端情况下，一条链路上可以串接的传感器的最大数目是100个左右。实际上，在大多数情况下每个传感器都应有1nm的波长移动范围，所以，实际组网时，一条链路的传感器数目在30个左右。
如果把C、L和S波段全部利用，则每条链路可串接的传感器数目可以大大增加。
4、功率均衡
    假定从解调设备里发出的光信号在整个工作波长范围内功率密度是比较一致的。不同频率的光信号在光路的不同位置被反射回来，它们经过的光器件、连接器或融接点的数量也不同，因此造成回传的不同信号的功率水平不同。在比较恶劣的情况下，某些传感器的旁瓣噪声甚至会超过其他传感器的有用信号，造成网络可以识别的传感器的数量下降。因此在工程组网时，必须进行正确的功率均衡设计。
5、光纤传感网与无线传感网的融合
    我国幅员辽阔，经常有待监测的同种类型的大型设施分布在一个很大的区域的情况。在实际工程中需要由若干个距离在10公里以上的子网组成更大规模的网络，以便实现集中监测。光纤传感网络尽管有利用光纤低损耗传输的特点可以实现长距离组网的优势，但在某些缺乏通信基础设施的地区，没有现成可用的光缆来实现子网的互通。在这种情况下，专门铺设光缆的成本是非常昂贵的。因此在子网之间通过无线链路进行互通有很强的实用性。
    中国科学院半导体研究所与上海信息与微系统技术研究所在中国科学院知识创新工程重大项目及上海市重大科技攻关项目的支持下，开展了光纤传感网与无线传感网络互相融合的研究，并正在将相关技术应用于工程现场。
6、网络、设备与器件标准
    对于大量的组网应用，一个明确的网络标准是非常必要的。它通过对网络接口，频谱划分、功率均衡、线路备份、器件和设备质量标准进行规范，可以保证各厂家产品的质量、互换性和工程的可靠性。目前还缺乏这样的网络规范，使得在实际工程中，各厂家产品的互通没有依据。解决这个问题可以加速光纤光栅传感网络的大规模推广应用。
在现阶段，在同一个工程中选择一家厂商进行网络设计并提供所有设备对保证工程质量是非常必要的。

四、若干特殊应用对光纤光栅传感网络的技术挑战
     目前，光纤光栅传感器及其网络技术的成熟度，已经达到了能满足大部分桥梁、大型建筑和管道的健康监测的水平。然而，各个行业的应用需求是层出不穷的。在某些特殊应用需求中，光纤光栅传感器网络仍然面对着一定的技术挑战。
1、0.1℃精度的光纤光栅传感网络
    尽管大量的科学研究表明，光纤光栅中心波长与环境温度或所受应变有非常好的线性关系，但当它与各种封装材料结合后，其线性度会有下降。特别需要指出的是，即使在线性度好于0.999的情况下，由于封装材料自身的迟滞特性，对同一物理量的正反行程的测量也会略有不同，进而引入一定的测量误差。此外，考虑到不少解调设备的波长重复性在10pm量级，当它与上述传感器组成网络后，要实现诸如0.1℃精度的温度探测来满足地质、化工等领域的很多应用依然是一个挑战性的工作。
2、大规模网络的~KHz以上高频采样 
    在传感器的响应频率之内，光纤光栅传感网络的采样速度决定于解调设备对光学频谱的分析和处理能力。目前商用产品的解调速度在100Hz左右，可以满足大部分应用场合。不过还不能满足地质监测等大规模网络的实时高速采样。由于F-P可调谐滤波器的调谐速度是有限的，光谱分析的数据处理量也非常大，所以在目前的基于F-P可调谐滤波器的解调方案基础上进一步提高解调设备的速度有很大的困难。
3、在300℃环境中使用的光纤光栅传感网络
    石油工业中的一类需求，是希望采用光纤光栅传感网络探测油井的油况，以便决定采油方案，提高采油效率。这种使用环境要求光纤光栅传感器能够耐受300℃高温。在普通环境中使用的光纤光栅传感器一般是按照适用温度在-40℃—+80℃来设计的。选用的普通单模光纤、封装材料以及封装方法都不能保证器件在300℃环境中使用。一般方法制造的光纤光栅在300℃温度时，光栅将被擦除而不具有敏感性。因此为了使光纤光栅传感器能在300℃环境使用，需要解决很多细致的技术问题。

五、重大工程应用范例
    中国科学院半导体研究所与北京品傲光电科技有限公司合作，进行了光纤光栅传感网络组网技术研究和工程化工作。已经先后在深圳会展中心、国家西气东输工程、大庆输送管道、国家游泳馆、京杭大运河大桥工程、汾河特大桥工程等多项国家大型基础设施的安全监测中得到商业化应用。也已应用于飞机关键部件质量评测、高炉部件质量评测、电力系统安全监测等许多领域。
1.深圳会议展览中心施工监测和长期监测
    深圳会议展览中心位于深圳市中心区中轴线南侧，占地220000平方米，主体结构跨度120多米，高度超过40米，是深圳市最大的单体建筑，也是目前国内民用建筑中用钢量最大的工程。其东西长540米、南北宽282米、总高度60米，总建筑面积为28万平方米。钢结构工程是整个工程的核心工程之一，总用钢量为3.3万吨。
会展中心主体部分采用大跨度钢梁结构，如下图所示。

     

            图3 深圳会议展览中心主体钢结构图
Fig.3 Steel Framework of Shenzhen Conference and Exhibition Center

    钢梁拱顶采用箱式钢架结构，中间悬空部分采用高强度拉杆连接。由于在施工过程中需要对拉杆施加一定的预拉力，并且在会展中心的后期使用过程中要对钢梁及拉杆的应力情况进行长期监测，因此必须采用既能适用于短期高精度测量又可用于长期监测的应力监测系统。光纤光栅传感系统可以非常好地满足这些要求。
    整个工程共采用北京品傲光电科技有限公司生产的光纤光栅贴片式应变传感器350只，光纤光栅传感网络分析仪一台。
    在实际工程中，有效地解决了光纤光栅传感器这种精密的光学器件在传统粗放式工程施工过程中的存活率问题，解决了整个结构温度场不均匀所带来的温度补偿问题。施工时间段正处于深圳强台风期间，布设的光纤光栅传感器网络经受了恶劣的自然环境的考验。
    在布设光纤光栅传感网络的同时，还采用了传统的电阻应变片进行同步的监测。监测结果表明，在施工过程中光纤光栅传感器和传统电阻应变片的测量结果完全吻合。由于光纤光栅传感器没有电阻应变片的零漂现象，在长期监测中具有电阻应变片无法比拟的优势。
2.国家西气东输管道监测
    西气东输工程是国家战略性工程。西气东输管道西起新疆塔里木天然气田轮南，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、浙江、上海10个省市区，干线全长4000公里。据测算，西气东输工程静态总投资约为1400亿元人民币，其中管道工程总概算投资约为400亿元，因此输送管道的安全状况就尤显重要。铺设管道的沿途地质结构复杂，在发达地区，管道还与公路要上下交叉，因此除了在施工过程中需要对管道的受力情况进行现场监测外，还需要对其投入使用后的长期受力和应变情况进行监测。中国科学院半导体研究所、品傲光电科技有限公司及中国科学院上海信息与微系统技术研究所共同合作，采用光纤光栅传感网络在华东段实施了短期工程监测和长期监测。
         

                图4 西气东输工程

4.3 汾河大桥安全监测
    山西汾河大桥位于山西太原，又称为太原西北环高速公路汾河双矮塔斜拉桥，是国道主干线二连浩特至河口公路的重要组成部分。斜拉桥全长550米，主跨150米，墩高27米，塔高28米，桥面宽26米，双向四车道，在同类桥梁中跨径为全国之最、世界第二。山西汾河大桥结构为单索面、两塔固接、塔墩分离，据专业人员评价，是世界桥梁史上最难建造的桥梁之一。
         

                     图5 山西汾河大桥
Fig.5 The Bridge over The Fen River in Shanxi Province

    本项监测工程是为了辅助和改进对桥梁结构所进行的人工监测和评估工作。整个光纤光栅传感网络由光纤光栅传感链、传输光缆、光纤光栅传感网络分析仪、以太网集线器和服务器组成。可以报告桥梁的工作温度环境，报告桥梁的主要构件的实际内力分布和振动状况，报告桥梁的主要构件是否有损害，或累积性损坏，并且给桥梁的营运管理和维修决策者提供桥梁的警告信息。

六、总结
    光纤光栅传感网络技术已经逐步成熟，正在从实验室研究走向工程商用，中国作为经济高速增长、地域辽阔的发展中国家，大量的基础设施建设为我们提供了一个远远超过其他国家的广阔的应用环境。以应用牵引研究，是这个阶段技术发展的新特点。

作者简介：
刘育梁，男，1966年生，中国科学院“百人计划”特聘研究员，博士生导师，中国科学院半导体研究所集成技术工程中心副主任。上海交通大学、长春理工大学和太原重型机械学院兼职教授。主要研究方向为：1、大规模光纤传感网络的关键技术及其工业应用；2、用于下一代智能光网络的半导体光子芯片及其混合集成子系统。
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