孫 超， 丁建軍， 張 岡， 陳幼平

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

0 引 言

本文基于氣體光譜吸收檢測(cè)技術(shù)[1-2]，分析了基于單根光纖傳輸?shù)姆植际焦饫w傳感器組網(wǎng)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)分布式(特別沿巷道、管道布點(diǎn)的)氣體檢測(cè)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(wǎng)絡(luò)[3-4]。這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)將使研發(fā)出的氣體傳感器具有選擇性強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)間短、安全性高、體積小等特點(diǎn)，且具備接入物聯(lián)網(wǎng)的能力，能實(shí)現(xiàn)氣體的多點(diǎn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)測(cè)量，并顯著提升氣體測(cè)量的性能和安全性[5-6]。

光纖傳感器時(shí)分復(fù)用技術(shù)[7](Time Division Multiplexing，TDM)的實(shí)現(xiàn)是基于耦合于同一光纖上的多個(gè)傳感器，每2個(gè)傳感器之間由光纖相耦合，經(jīng)過耦合的光纖產(chǎn)生一段延時(shí)，由于這段延時(shí)導(dǎo)致不同位置的傳感器信號(hào)傳入接收端時(shí)間不同，該時(shí)間差在時(shí)域上產(chǎn)生分時(shí)效應(yīng)[8]，依靠輸出信號(hào)的分時(shí)效應(yīng)可以確定傳感器的位置以及每個(gè)傳感器返回信號(hào)中所攜帶的被測(cè)信息，通過解調(diào)各個(gè)傳感器的被測(cè)信息，可以得到每個(gè)點(diǎn)的被測(cè)值及其所對(duì)應(yīng)的位置。

首次提出多點(diǎn)光纖甲烷傳感器的是Stewart等[9]，使用的光纖分光器和多路復(fù)用技術(shù)來耦合各個(gè)氣室之間的1 665 nm的分布反饋(DFB)激光的功率。由單獨(dú)的光電二極管檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)的多個(gè)氣室的輸出，靈敏度可達(dá)×10-6級(jí)。1999年，Jini[10]研究了光纖氣體傳感器的TDM技術(shù),對(duì)檢測(cè)氣體吸收信號(hào)確定濃度信息，并建立了計(jì)算仿真模型，表明20個(gè)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(cè)靈敏度可以達(dá)到2 000×10-6。此后基于光纖的多點(diǎn)遠(yuǎn)距離的氣體濃度檢測(cè)研究受限于結(jié)構(gòu)以及光器件的發(fā)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(fù)用的實(shí)驗(yàn)和理論研究。研究了以混合配置復(fù)用的4個(gè)F-P傳感器。雙通道混合復(fù)用系統(tǒng)的最大傳感器數(shù)量達(dá)到26，當(dāng)源功率傳感器間隔為2 mW。為大規(guī)模復(fù)用F-P傳感器提供了一種新的可行方法。Floridia等[12]報(bào)道了一種新穎的甲烷泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，并在分析氣體的吸收區(qū)域中使用光時(shí)域反射計(jì)和光頻掃描?？梢允褂脗€(gè)5.5 cm的氣室完成數(shù)十公里范圍的單個(gè)探測(cè)器設(shè)備分析多個(gè)無源遠(yuǎn)程傳感器。

與傳統(tǒng)TDM結(jié)構(gòu)相比，本文設(shè)計(jì)了一種基于OTDR[13]的光復(fù)用結(jié)構(gòu)，減少了光耦合器的數(shù)量以及光纖長度完成準(zhǔn)分布式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)共用一根光纖傳輸，相比于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)每個(gè)測(cè)點(diǎn)需要一套檢測(cè)設(shè)備及傳輸光纜[14-15]，安裝和維護(hù)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(jié)構(gòu)中涉及的其他光器件：光環(huán)行器，分光器，最后根據(jù)靈敏度實(shí)驗(yàn)分析基于OTDR反射型傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大測(cè)量范圍及測(cè)量點(diǎn)數(shù)量。

1 OTDR反射型傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光路設(shè)計(jì)

基于光時(shí)域反射(OTDR)光路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，首先將光源調(diào)制成脈沖光源，脈沖光源的頻率根據(jù)氣室數(shù)量決定，光源的光經(jīng)過光環(huán)行器到達(dá)光耦合器1，并將光分為2路，第1路連接氣室1，第2路經(jīng)過光纖布局線到達(dá)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(dá)最遠(yuǎn)處的第n個(gè)氣室。光信號(hào)的返回是通過光環(huán)行器進(jìn)行的，含有所有氣室的氣體濃度信號(hào)的光經(jīng)過光環(huán)行器到達(dá)信號(hào)處理部分，通過信號(hào)解調(diào)分別將各個(gè)氣室的氣體濃度計(jì)算出來，并且各個(gè)氣室根據(jù)返回時(shí)間將氣體濃度與氣室對(duì)應(yīng)起來，在得到氣體濃度的同時(shí)也可以得到相應(yīng)氣室。

圖1 OTDR光路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

2 光路光器件的分析與設(shè)計(jì)

2.1 氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的光纖氣體傳感系統(tǒng)使用的氣室都是封閉設(shè)計(jì)的，只留下2個(gè)氣口：進(jìn)氣口與出氣口，或者僅有一個(gè)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(shè)計(jì)在戶外環(huán)境中應(yīng)用是很難湊效的：被測(cè)氣體很難根據(jù)需要進(jìn)入封閉的氣室中，導(dǎo)致封閉氣室內(nèi)外的氣體構(gòu)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(gè)問題，將氣室直接暴露于檢測(cè)環(huán)境中不僅可以保證氣室內(nèi)外氣體成分和濃度一樣，還能使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

本系統(tǒng)選擇基于自聚焦透鏡透鏡來對(duì)氣室進(jìn)行設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。傳統(tǒng)的吸收氣室存在光纖和光學(xué)元件耦合與準(zhǔn)直等問題，使用自聚焦透鏡和光學(xué)微調(diào)架可以有效的解決這兩個(gè)問題。

1-光纖準(zhǔn)直器，2-鍍金反射鏡，3-氣室基座

根據(jù)準(zhǔn)分布式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求，氣室由3個(gè)零件構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為反射結(jié)構(gòu)來滿足單根光纖的輸入輸出。光從光纖經(jīng)過自聚焦透鏡變?yōu)槠叫泄膺M(jìn)入氣室，與待測(cè)氣體吸收作用后，入射至反射鏡，反射鏡與光垂直，根據(jù)光的反射定律，反射光沿原路返回，再次經(jīng)過與待測(cè)氣體吸收作用后進(jìn)入自聚焦透鏡，匯聚到一點(diǎn)，最后沿光纖原路返回。

2.2 光環(huán)行器

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

光環(huán)形器插入損耗盡可能小，以減少光功率的損耗，經(jīng)過試驗(yàn)計(jì)算，所選光環(huán)行器插入損耗為0.6 dB。光環(huán)形器不相通端口隔離度應(yīng)較大，從而使有效信號(hào)更多地從正確端口輸出。

2.3 分光器及其最佳分光比

當(dāng)激光經(jīng)過環(huán)形器，需要經(jīng)過分光器之后，就會(huì)進(jìn)入傳感器單元，氣室。在此網(wǎng)絡(luò)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(huì)帶來損耗，考慮到接收硬件動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，設(shè)計(jì)該網(wǎng)絡(luò)需要保證各點(diǎn)輸出功率均衡，這樣還能得到在輸出端理論信號(hào)在幅值上是相同的。為了每個(gè)氣室在輸入光強(qiáng)度是一致的，假設(shè)氣室數(shù)量為n，那么第1個(gè)分光器的分光比是1∶(n-1)，第2個(gè)分光器的分光比是1∶(n-2)，以此類推，最后一個(gè)分光器的分光比是1∶1。

3 系統(tǒng)損耗測(cè)試及最遠(yuǎn)檢測(cè)距離分析

光纖的損耗指的是光在光纖中傳輸時(shí)的損耗。光在光纖中傳輸，光信號(hào)強(qiáng)度隨著光纖長度增長而減弱。當(dāng)光功率一定時(shí)，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(zhì)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(cè)波長在光纖的低損耗區(qū)，所引起傳輸衰減影響較小。系統(tǒng)其余部分的衰減是由以下幾個(gè)部分組成的：激光器與光纖耦合、環(huán)形器衰減、分光器的衰減、光纖本身的衰減。系統(tǒng)使用的是單模光纖，系統(tǒng)衰減實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：環(huán)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(dāng)光源的波長范圍覆蓋光譜吸收的一條或多條譜線范圍時(shí)，光強(qiáng)會(huì)有衰減，衰減強(qiáng)度滿足光譜吸收定理：當(dāng)吸收系數(shù)以及光路長度確定之后，氣體濃度僅與吸收強(qiáng)度的衰減有關(guān)。在損耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了傳輸光的衰減，使用激光器將其波長調(diào)整到1 653.7 nm。其中，分光器的分光與合光都會(huì)給信號(hào)帶來損耗，經(jīng)過試驗(yàn)得出分光器的損耗是4.6 dB。

對(duì)于反射型時(shí)分復(fù)用的準(zhǔn)分布式網(wǎng)絡(luò)來說，最大可檢測(cè)點(diǎn)數(shù)是一個(gè)重要的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。該指標(biāo)表明所應(yīng)用場(chǎng)合的空間范圍、最大檢測(cè)的點(diǎn)數(shù)與以下幾個(gè)條件有關(guān)。

(1) 光源的光功率。在保證光源輸出波長能夠?qū)?zhǔn)氣體吸收光譜的基礎(chǔ)上，光源的功率在可調(diào)范圍內(nèi)相對(duì)較大，保證衰減到更遠(yuǎn)的氣室，還有光可以達(dá)到探測(cè)要求。其次是光所經(jīng)過各光學(xué)器件的衰減：光功率的衰減決定了光到達(dá)最遠(yuǎn)處氣室的信號(hào)的信噪比，信噪比越大所測(cè)量值的精度和穩(wěn)定性更高，采集數(shù)目也更多。

(2) 檢測(cè)靈敏度的要求。考慮在工程中的應(yīng)用場(chǎng)合，所需要檢測(cè)的靈敏度是根據(jù)需求設(shè)計(jì)的，比如甲烷管道的濃度測(cè)量就是甲烷最低爆炸下限。根據(jù)上述限制條件，若要求最低檢測(cè)濃度就是甲烷的最低爆炸下限(LEL)，光功率的最大對(duì)準(zhǔn)范圍是15 mW，反射氣室長度1 cm，常溫常壓下，每個(gè)點(diǎn)的衰減是6.02 dB。

使用單點(diǎn)的算法來分析計(jì)算傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，3個(gè)氣室的反射衰減是由強(qiáng)度的衰減來計(jì)算的。通過計(jì)算衰減強(qiáng)度可以計(jì)算出第20個(gè)氣室的信號(hào)強(qiáng)度在最低測(cè)量范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)可以檢測(cè)20個(gè)氣室的氣體濃度。如果按照2 km每一個(gè)氣室來計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)40 km的測(cè)量距離。

4 靈敏度實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)精度分析

本文以甲烷為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)中使用單模光纖，各個(gè)光學(xué)器件以及光纖路徑是固定的信號(hào)噪聲，使用開放型氣室，環(huán)形器使用69傳感科技有限公司的1 650 nm三端口環(huán)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求。

靈敏度實(shí)驗(yàn)通過信噪比來計(jì)算，將濃度為0.1%～1%的甲烷氣體向氣室中加入，每種濃度測(cè)量20次，每次時(shí)間是30 s，采集數(shù)據(jù)是二次諧波的峰-峰值，取平均值。峰值的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為噪聲。

如圖3所示，3個(gè)氣室的靈敏度采集的分別是110×10-6， 350×10-6，960×10-6，所測(cè)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(jié) 語

本文提出了基于OTDR的光譜吸收型開放式氣室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)共用1根光纖傳輸，相比于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)每個(gè)測(cè)點(diǎn)需要一套檢測(cè)設(shè)備及傳輸光纜，安裝和維護(hù)成本大幅降低。針對(duì)該結(jié)構(gòu)以及戶外測(cè)量的要求，設(shè)計(jì)了開放反射吸收型氣室，相比于現(xiàn)有光纖氣體傳感器所采用的氣室，結(jié)構(gòu)更加小巧緊湊，更適合于傳感信息耦合入單根光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。同時(shí)，分析了在實(shí)驗(yàn)光路中，氣室、光環(huán)形器、分光器的衰減，討論了理論上可測(cè)量的最大的數(shù)量以及距離。

以甲烷為研究對(duì)象，完成了基于OTDR光時(shí)域反射型傳感器網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)精度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明在0，2，4 km處的靈敏度分別達(dá)到110×10-6，350×10-6和960×10-6，不僅所測(cè)量的靈敏度滿足最低爆炸極限的要求，其最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)40 km，與傳統(tǒng)時(shí)分復(fù)用的結(jié)構(gòu)相比，檢測(cè)精度以及檢測(cè)距離都有提高。

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