共享激光器的分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)

李 雷，唐守鋒

（中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，徐州221116）

共享激光器的分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)

李 雷，唐守鋒

（中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，徐州221116）

為了實現(xiàn)遠(yuǎn)端多節(jié)點的高效檢測并降低成本，設(shè)計了一種新穎的分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用共享一個工作于特種波長的分布反饋半導(dǎo)體激光器，將其置于一個本地控制節(jié)點內(nèi)并通過雙向光纖鏈路串聯(lián)各遠(yuǎn)端檢測節(jié)點，同時使用特殊設(shè)計的遠(yuǎn)端節(jié)點結(jié)構(gòu)和光纖段，在每個檢測節(jié)點，用兩個Y型耦合器接入氣室，將系統(tǒng)中信號分為上行流和下行流，避免來自其它節(jié)點信號影響并直接實現(xiàn)時分復(fù)用；并以三節(jié)點系統(tǒng)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測為例進(jìn)行數(shù)值計算和實驗。結(jié)果表明，激光二極管占總成本比重可由約60%降至約38%，且增加循環(huán)檢測次數(shù)能使各節(jié)點測定氣體體積分?jǐn)?shù)的相對誤差降低，首個節(jié)點的相對誤差可降至0.2%以下，甚至更低，該方案能夠精簡高效地實現(xiàn)共享光源的分布檢測。

光電子學(xué)；分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)；分布反饋半導(dǎo)體激光器；光纖傳感器；氣體檢測

引 言

隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步，氣體傳感在生產(chǎn)及生活中的應(yīng)用日益廣泛，例如有毒和可燃性氣體檢測、燃燒控制、食品和飲料加工、醫(yī)療診斷等。而得益于日益蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用的激光技術(shù)和光子技術(shù)，各種新型的氣體傳感器不斷涌現(xiàn)，尤其是包含光纖氣體傳感器在內(nèi)的光學(xué)式氣體傳感器，得到了越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與深入研究，并提出了以可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)為代表的各種檢測技術(shù)［1-3］。另一方面，社會發(fā)展對信息交換和網(wǎng)絡(luò)融合的要求與日俱增，特別是借助于通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和傳感技術(shù)構(gòu)建多傳感器數(shù)據(jù)融合的分布式（氣體）傳感系統(tǒng)［4-7］，從而優(yōu)化整個傳感系統(tǒng)的可靠性、快速性和準(zhǔn)確性，同時可兼顧成本，即利用時分復(fù)用或波分復(fù)用技術(shù)在傳感系統(tǒng)中共享某些高成本／性能器件。此外，也可構(gòu)成混合傳感網(wǎng)［8］，實現(xiàn)光纖傳感和無線傳輸?shù)膬?yōu)勢互補。

盡管已對光纖氣體傳感器和分布式傳感系統(tǒng)開展了大量研究工作，并對相應(yīng)的新應(yīng)用進(jìn)行了探討［9-11］，其實用化所面臨的關(guān)鍵問題是光器件尤其是特種波長半導(dǎo)體激光二極管（laser diode，LD）的高昂價格。因而，值得研究的問題是如何在保證檢測精度的同時降低整個傳感系統(tǒng)的成本。本文中在此方面進(jìn)行了探討，提出了一種新穎的遠(yuǎn)程分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)，共享單一LD和使用更少的光器件，從而大大降低了檢測成本，為分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)的應(yīng)用提供一種合理高效的實用方案。

1 分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)

1.1 光纖氣體傳感系統(tǒng)光源的選擇

本文中采用基于紅外光吸收檢測的光纖氣體傳感器，檢測氣體以瓦斯（甲烷）為例。由于氣體近紅外吸收系數(shù)一般很小，若直接應(yīng)用光吸收檢測，所得信號中除了光路干擾外還有很大部分與其體積分?jǐn)?shù)無關(guān)，檢測靈敏度受到限制，因而目前采用的兩種典型方法是差分吸收檢測和波長調(diào)制諧波檢測［9-10］，這里選用檢測性能更佳的波長調(diào)制諧波檢測，并加入一路參考光，從而設(shè)計出光纖氣體傳感的一個基本框架結(jié)構(gòu)，見圖1，主要包括光源、氣室、光電檢測器、調(diào)制與控制、數(shù)據(jù)處理等模塊，此外還有光纖和若干無源光器件，比如3dB Y型耦合器和光連接器等。

Fig.1 Basic structure of optical fiber gas sensing using wavelength modulation harmonic measurement

光源的選擇是整個傳感系統(tǒng)最為重要的一環(huán)，對于特定氣體的檢測，應(yīng)當(dāng)測量其分子的紅外吸收光譜，吸收光譜可通過多原子分子的紅外吸收理論來解釋，并可通過HITRAN數(shù)據(jù)庫獲取，本文中使用HITRAN 2008獲取特定氣體的吸收線。若要采用諧波檢測技術(shù)，光源的中心波長必須有效鎖定在氣體吸收線中心，從而最大限度消除共模噪聲所引起的光強(qiáng)波動誤差，具體可選用分布反饋（distributed feedback，DFB）LD。然而找到工作波長和氣體吸收線中心波長完全一致的商用LD，往往是很困難的。以瓦斯（甲烷）為例，1.66μm附近的波長帶是最適合于檢測瓦斯的體積分?jǐn)?shù)，更準(zhǔn)確地說其波長值是1653.7nm［1］，但具有1653.7nm典型工作波長的DFB LD是價格很高的特種光源，若采用每個節(jié)點配置一個LD的模式，成本太高，難以實用化，因而更可行的是多個節(jié)點共享一個DFB LD。

1.2 共享激光器的遠(yuǎn)程分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)

本文中設(shè)計了一個新穎的結(jié)構(gòu)用于構(gòu)造分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)，如圖2所示，實現(xiàn)在若干遠(yuǎn)程節(jié)點處檢測氣體體積分?jǐn)?shù)時共享一個激光器。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣嵌瓤矗且粭l雙向光纖鏈路的串聯(lián)，以本地控制節(jié)點為起點，串起了全部遠(yuǎn)程節(jié)點，這是考慮到檢測環(huán)境一般都是狹長的坑道。這里以構(gòu)造三節(jié)點系統(tǒng)作為典型例子，可擴(kuò)展加入更多節(jié)點。進(jìn)一步，通過設(shè)計特殊的遠(yuǎn)程節(jié)點結(jié)構(gòu)和光纖段，可精簡而高效地實現(xiàn)共享激光器的分布檢測，圖3和圖4分別為本地控制節(jié)點和任一遠(yuǎn)程節(jié)點的光路，即將圖1中的功能分拆到不同節(jié)點中。

Fig.2 Structure of remote distributed optical fiber gas sensing system with shared laser

Fig.3 Optical circuit in the local control node

Fig.4 Optical circuit in each remote node

在此系統(tǒng)中，有兩個信號流，即上行流和下行流。上行流的路徑是一個環(huán)路，從本地控制節(jié)點的端口O1到節(jié)點3的端口O1，然后回到本地控制節(jié)點的端口I1。對上行流，這一結(jié)構(gòu)能有效保證上行流信號自始至終不帶有任何吸收信息，避免了遠(yuǎn)程節(jié)點之間的影響。具體而言，光信號自本地控制節(jié)點的DFB LD從端口O1發(fā)射，然后在每一個遠(yuǎn)程節(jié)點上從端口I1直接經(jīng)過3dB Y型耦合器到端口O1（見圖4），最后光信號在本地控制節(jié)點的端口I1由一個光電檢測器（positive-intrinsic negative，PIN）接收，并作為無任何吸收的標(biāo)準(zhǔn)信號。

下行流比上行流要復(fù)雜得多，包含了在各個遠(yuǎn)程節(jié)點通過氣室而可能發(fā)生改變的若干信號。在每一個遠(yuǎn)程節(jié)點，如圖4所示，由端口I1輸入的光信號通過氣室前后的兩個3dB Y型耦合器，一部分由上行流轉(zhuǎn)入下行流由端口O2輸出。具體而言，進(jìn)入氣室前的信號來自上行流，不帶有任何吸收信息，而通過氣室后，信號已加入本節(jié)點可能的吸收信息，同時又不會受到來自其它節(jié)點的信號的影響，該信號到達(dá)端口O2完全匯入下行流，而下行流中來自其它節(jié)點的信號，則從端口I2直接經(jīng)過3dB Y型耦合器到端口O2。最終，所有的信號會攜帶所有可能的吸收信息回到本地控制節(jié)點的端口I2。需要說明的是，一個遠(yuǎn)程節(jié)點上轉(zhuǎn)入下行流的信號，在通過端口O2時，不會與下行流中來自其他節(jié)點的信號沖突，因為它們在時間上是不重疊的。

綜合圖2、圖4可看出，經(jīng)過節(jié)點1的氣室的光信號共經(jīng)歷2條光纖段，類似地，對于節(jié)點2和節(jié)點3，光纖段數(shù)分別是4條和6條。這樣的效果就是通過不同節(jié)點氣室的信號本身就有不同的延時，因此，這一結(jié)構(gòu)可直接實現(xiàn)時分復(fù)用，無需光纖延時線。上述分析可以擴(kuò)展，以便加入更多節(jié)點。

2 數(shù)值計算與實驗

針對上述三節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計算與實驗驗證。檢測方法選擇的是波長調(diào)制諧波檢測，并考慮光路中的傳輸損傷［12］。表1中列出了主要參量的取值，主要計算結(jié)果如圖5、圖6所示。對于更多節(jié)點的系統(tǒng)，同理可得到結(jié)果。

Table 1 Values of themain parameters in the numerical experiments

Fig.5 Optical power in upstream and downstream at the local control node

Fig.6 Power of second harmonic（C1＝C2＝C3＝0.05）

根據(jù)調(diào)制頻率f、每時隙波數(shù)Nt、光纖每段長度Lf，可以計算出每個節(jié)點信號的時隙，記作Tn（單位s），具體公式為Tn＝Nt／f，同時，時隙間隔記作Ti（單位s），也可通過公式Ti＝2Lf（km）／（2×105）得到。這里Tn和Ti均為10μs。進(jìn)一步，空閑時隙數(shù)應(yīng)不小于2，若取值為2，則可以最小周期T＝3Tn＝30μs進(jìn)行3個節(jié)點的循環(huán)檢測，這里為了更清晰區(qū)分每個周期，且更有效防止脈沖重疊，取空閑時隙數(shù)為3，則周期T＝4Tn＝40μs。在本地控制節(jié)點處，自端口O1發(fā)出的上行流和最終由端口I2接收的下行流如圖5所示，可看出在下行流中，10μs～20μs，20μs～30μs，30μs～40μs依次到達(dá)來自節(jié)點1，2，3的信號脈沖，間隔10μs后開始第2次循環(huán)，以此類推。通過檢測二次諧波（及基波）可測得各個節(jié)點處的氣體體積分?jǐn)?shù)，如圖6所示，若全部3個節(jié)點都有氣體吸收，即C1＝C2＝C3＝0.05，則第1個周期中二次諧波出現(xiàn)在10μs至40μs，每個節(jié)點對應(yīng)的時隙間隔為10μs，由于要通過更多的光纖段和Y型耦合器，來自節(jié)點2的信號功率要小于來自節(jié)點1的，類似的，節(jié)點3的又小于節(jié)點2的。

若循環(huán)檢測次數(shù)記作Nl，通過對多個周期的檢測數(shù)據(jù)處理，即對節(jié)點i，其氣室氣體體積分?jǐn)?shù)為：

式中，Cr，i為節(jié)點i氣室的實際氣體體積分?jǐn)?shù)。

循環(huán)次數(shù)與氣體體積分?jǐn)?shù)及其相對誤差的關(guān)系如圖7所示。圖7a為逐次循環(huán)所測得的各節(jié)點Ci，j值；圖7b為氣室氣體體積分?jǐn)?shù)的相對誤差。由圖7b可見，增加循環(huán)檢測次數(shù)，可以進(jìn)一步降低所測得的氣室氣體體積分?jǐn)?shù)的相對誤差；當(dāng)Nl取值超過35時，δC，i可降至0.2%以下，甚至更低。

式中，Ci，j為節(jié)點i的第j次循環(huán)測得氣室氣體體積分?jǐn)?shù)。氣室氣體體積分?jǐn)?shù)的相對誤差為：

Fig.7 Relative errors of gas volume fraction and the number of loop detection（C1＝C2＝C3＝0.05）a—gas densities b—relative errors

實驗系統(tǒng)的搭建如圖8所示，采用自武漢歐迪電子科技有限公司定制的特種波長激光器（DFB 1653nm），并為遠(yuǎn)程節(jié)點設(shè)計制作了10cm光程的反射型氣室，光纖傳回的下行流信號由同軸尾纖PIN光電探測器（1100nm～1700nm）接收并放大，通過數(shù)據(jù)采集（data acquisition，DAQ）卡做A／D變換為電信號并送入計算機(jī)處理。由于采用分布式傳感，將氣體檢測的各功能模塊拆分到本地控制節(jié)點和各遠(yuǎn)程節(jié)點中，因而可在本地控制節(jié)點中結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，完成光源的調(diào)制信號生成（這里利用數(shù)據(jù)采集卡的D／A變換并用直流穩(wěn)壓電源（DC power supply，DPS）和驅(qū)動控制，同時進(jìn)行光電探測器（經(jīng)前置放大）之后的數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、諧波提取、數(shù)據(jù)處理和存儲。

Fig.8 Experimental setup of the system

圖9 為數(shù)據(jù)采集卡獲得的一段氣體吸收傳感信號，縱坐標(biāo)的采樣數(shù)據(jù)已用節(jié)點1的直流做了歸一化處理，為更清楚地觀察噪聲的影響，這里在光源驅(qū)動電流中額外加入一定的噪聲，3個節(jié)點對應(yīng)的信噪比依次是16.2dB，12.2dB，8.3dB。通過降低系統(tǒng)的電路及光路噪聲并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪和諧波提取，可獲得更好的測量結(jié)果，如圖10所示。通過循環(huán)檢測，當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)在0.03～0.15范圍變化時，所測得的各節(jié)點對應(yīng)的氣室濃度曲線Ci－Cr，i（i＝1，2，3）均有良好的線性關(guān)系，這是由于采用諧波檢測，考察的是信號波形中二次諧波與基波的相對關(guān)系，因而對外界的干擾具有較好的抑制作用。而要比較各節(jié)點的檢測效果，則應(yīng)看氣室氣體體積分?jǐn)?shù)的相對誤差δC，i，整個測量范圍內(nèi)節(jié)點1的δC，1均低于0.2%，而節(jié)點2的δC，2要大些，但整體仍低于0.8%，節(jié)點3的則高于前兩個節(jié)點，且所測氣體體積分?jǐn)?shù)越低相對誤差的劣化越明顯。關(guān)于節(jié)點間的檢測效果差異，是由于節(jié)點序號越大，距本地控制節(jié)點越遠(yuǎn)，序號每增大1個，其信號要多經(jīng)過1次Y型耦合器分光和2段光纖鏈路傳輸，則信號衰減增大而噪聲累計也增加，對含有吸收信息的二次諧波的干擾更大，導(dǎo)致相對誤差增大。就本傳感系統(tǒng)所測結(jié)果來看，需要改善的關(guān)鍵問題是光源工作的穩(wěn)定性和遠(yuǎn)程節(jié)點間的均衡性，特別是離本地控制節(jié)點更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程節(jié)點。進(jìn)一步，進(jìn)行成本的大致估算，與非共享激光器情形相比，總成本約降為原來的52%，相應(yīng)地，LD占總成本的比重也由約60%降至約38%。若在成本允許情況下，提高LD的輸出功率，或者在每個遠(yuǎn)程節(jié)點的3dB Y型耦合器與氣室之間，加入光放大器，則信號質(zhì)量更好，并能擴(kuò)展為更多的節(jié)點，LD占總成本的比重降低也更大。

Fig.9 Gained sensing signal of gas absorption in a3-node experimental system

Fig.10 Measured volume fraction of gas and their relative errors

3 結(jié) 論

本文中提出的遠(yuǎn)程分布式光纖氣體傳感系統(tǒng)能夠用于一定數(shù)量的節(jié)點氣體體積分?jǐn)?shù)檢測。通過共享激光器和雙向光纖鏈路串聯(lián)系統(tǒng)，在成本降低的同時仍能獲得等效的檢測結(jié)果，數(shù)值計算與實驗證明了這一結(jié)果。

（1）本傳感系統(tǒng)可實現(xiàn)在若干遠(yuǎn)程節(jié)點處檢測氣體體積分?jǐn)?shù)時共享一個激光器，從而大大降低成本。僅對三節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行成本的大致估算，與非共享激光器的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的總成本約降為原來的52%，相應(yīng)地，LD占總成本的比重也由60%降至38%，節(jié)點越多則降低越多。（2）所設(shè)計的雙向光纖鏈路串聯(lián)系統(tǒng)，包括其中新穎的遠(yuǎn)程節(jié)點結(jié)構(gòu)，使得通過不同節(jié)點氣室的信號本身就有不同的延時，所以無需光纖延時線也可實現(xiàn)時分復(fù)用。（3）特別是所設(shè)計的遠(yuǎn)程節(jié)點結(jié)構(gòu)，可有效保證進(jìn)入每個節(jié)點的氣室的上行流信號不帶有任何吸收信息，而通過氣室后轉(zhuǎn)入下行流，此時信號已包含本節(jié)點可能的吸收信息，同時又不會受到來自其它節(jié)點的信號的影響，從而能夠?qū)崿F(xiàn)時分復(fù)用，攜帶所有可能的吸收信息。另外增加循環(huán)檢測次數(shù)，可使較近的遠(yuǎn)程節(jié)點所測體積分?jǐn)?shù)的相對誤差降至0.2%以下甚至更低，但較遠(yuǎn)的節(jié)點的相對誤差較大，需權(quán)衡成本增加光功率以提高遠(yuǎn)程節(jié)點間的均衡性。

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Distributed optical fiber gas sensing system w ith shared laser

LILei，TANG Shoufeng
（School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China）

In order to realize the efficient detection of remote multiple nodes and reduce the cost，a distributed feedback semiconductor laser working at special central wavelength was shared and placed at a local control node being connected to each remote detection node with bi-directional fiber links in series.Furthermore，a novel distributed optical fiber gas sensor system was designed by using the special structure of remote nodes and fiber segments.At each detection node，the gas cell was added between two Y-couplers.There were the upstream signal and the downstream signal in the system，which could avoid the influences of the signals from other nodes and implement time divisionmultiplexing directly.The numerical calculation and experimentswere carried out in a3-nodemethane detection system.The results show that the proportion of the laser diode in the total cost drops from about60%to about38%.When the loop number is increased，the relative error of themeasured gas density at each node can be reduced，and particularly the relative error at the first node can be reduced to below 0.2%or even lower.Distributed sensing with a shared light source can be achieved efficiently.

optoelectronics；distributed optical fiber gas sensing system；distributed feedback semiconductor laser；optical fiber sensor；gas detection

TP212.4＋4

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.022

1001-3806（2014）03-0384-05

國家八六三高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目（SS2012AA062105）

李 雷（1978-），男，博士，講師，現(xiàn)主要從事光通信、光電檢測方面的研究。

E-mail：llsiee＠cumt.edu.cn

2013-06-11；

2013-09-05