文摘

市场上大部分光学传感器是光纤布拉格光栅(FBG)传感器反射率较低(通常是7 - 40%)和低副瓣抑制(SLS)比(通常SLS < 15分贝),它可以防止这些传感器被有效地用于远程监控和远程传感器网络解决方案。本研究是基于最优设计光栅结构的光纤光栅传感器和评估他们的最佳切趾法参数所需的传感器网络和远程监控解决方案。高斯函数、正弦和提高正弦切趾法研究了实现的主要需求,最大限度的高反射率(至少90%)和旁瓣抑制(至少20 dB),以及最大限度地窄带宽的应用< 0.2海里)与均匀光纤光栅(没有切趾法)。结果聚集在本研究提出高效光纤光栅光栅切趾法,可进一步的物理实现的光学传感器网络和远程监控解决方案(至少40公里)。

1。介绍

光纤布喇格光栅(FBG)的制造工艺技术是相对简单的,这样的传感器有很多技术的优势,例如,实现被动组件,抗电磁干扰(EMI)和腐蚀、体积小、精度高、多路复用能力。光纤光栅是一种最利用和发展光学传感器解决方案的技术。主要光学光纤光栅传感器是用来检测对象或环境温度、诱导菌株,应用压力,振动(1- - - - - -4]。

代替光学传感器、电传感器可以提到的,但他们的表现可以负面影响高电压和电磁field-electromagnetic干扰的存在。由于前面提到的,这取决于测量位置,很难甚至是不可能实现的使用电子传感器。电传感器实现的另一个主要缺点是,这种传感器需要一致的电能供应,但它可能是一个挑战提供电力远程传感器位置附近如果没有可用的来源。相比之下,纤维光学传感器是无源器件,不需要电力由于光纤是由电介质材料。在这些情况下,纤维光学传感器的使用是一个合适的解决方案(5]。

一个至关重要的领域光纤光栅技术多年来迅速改善结构健康监测(SHM等各种建筑的道路、桥梁、铁路、水坝、建筑和飞机)以及在医学、石油和天然气行业,和安全解决方案6,7]。光纤光栅波长可以应用在时间和多路复用技术和操作光学过滤器,色散补偿模块和传感器解决方案。

多个光纤光栅可以结合在一个单一的光纤,光纤光栅传感器系统可以同时使用和读过很多传感器,减少纤维的数量和简化他们的安装使用。光纤光栅传感器可以成功结合光纤数据传输系统(2]。光学传感器网络设计的一个重要前提是选择一个足够有效的信道间隔保持尽可能高光谱传感器网络的效率,避免重叠相邻之间可能会观察到光信号的光学传感器,如果他们参考波长/频率配置太接近对方。

随着光纤光栅传感器在不同的应用需求的增长,它是越来越重要的优化和定制他们的配置和参数,因此可用不同类型的光纤光栅传感器,它们的结构不同,建筑和设计技术。因此,有必要研究不同的光纤光栅类型和评估分析它们各自的优缺点来定义最优传感器类型和它们的参数(特别是对于传感器网络),以确保实现特定应用程序利用的地方。

光纤光栅是由合并形成的特定变化的折射率调制光纤核心组件是基于衍射光栅的原理。当光信号通过光纤光栅结构,一部分光被反射的每个光栅平面(见图1)。反射光的每个部分结合成一个统一的反射光束,这是可能的,只有在布拉格条件方程所描述的实现: 在哪里是光栅周期决定两个相邻光栅平面之间的距离,纤维芯的有效折射率,然后呢布喇格波长。

布喇格条件满足时,反射光形成逆向反射中心波长称为峰值 。布拉格光栅结构,开发的关系,就像一面镜子,反映了波长进一步和传输光信号在光纤(5,8,9]。

两个量确定光纤光栅的特性,这是光栅强度(也称为调制深度)和光栅长度。然而,一般来说,三个主要参数必须控制在设计光纤布拉格光栅,这些是反射率(%),带宽(nm)和SLS (dB)。

半宽度(应用反射信号的带宽3 dB功率。这带宽取决于几个参数,尤其是光栅长度。大多数传感器应用程序平均应用带宽为0.05到0.4 nm,但对于一些传感器,它甚至可能超过1 nm (5]。图2显示了一个典型的反映光纤光栅信号的频谱峰值,SLS和应用参数显示。直接反映了光信号的带宽取决于光栅强度;因此,可以使用光栅强度调整信号的带宽。

光栅长度可以配置为改善信号因为反射率取决于光栅的反射率强度和光栅长度。信号的反射率可以通过方程计算: 在哪里最大信号功率(dB)的光谱反射信号。

Apodized光栅光纤光栅的设计提供了一个显著的改善降低副瓣,同时保持反射率以及窄带宽的信号。几个孔障函数通常使用,如高斯、sin, sin,双曲正切,纳托尔和其他类型的切趾法(10- - - - - -12]。然而,旁瓣是一种不必要的额外的反射信号的失真,不能完全有效地控制这样一个简单的光栅优化;因此,额外的切趾法设计要做的改进提出了研究。这样的侧叶可以观察到在一个光学频谱调制折射率是恒定的整个长度的光纤光栅,然后迅速变化为零以外的光栅范围。

重要的是强调基于切趾法技术,调制的折射率均匀增加,均匀沿着光纤布喇格光栅的长度减少。然而,在这个配置总光栅长度的增加,可能需要达到一定峰值(反射率)的反射信号。

在本研究作进一步的解释,指定优化光纤光栅参数传感器网络最大限度地高SLS(至少20 dB)和最大限度地窄带宽的应用< 0.2海里),但对于远程监控解决方案,最大限度地高反射率(至少90%)和适当的SLS(至少20 dB)。基于这些要求,具体的光纤光栅传感器光栅设计,以下各部分将描述2和3这篇文章的。

2。数学建模和设计的光纤布拉格光栅

光纤布喇格光栅的特点,研究了在模拟环境中使用Optiwave的系统”OptiGrating“软件(13]。这个软件使用耦合模式理论模型光栅的光,使分析和合成。一个复杂的光栅是由一系列均匀细分和分析通过连接段与著名的传递矩阵法。这给设计师测试所需的信息和优化光栅设计为特定的目的。在仿真软件中,可以设置和更改等光栅参数如光栅形状,平均指数调制,唧唧喳喳,和切趾法类型。

耦合模理论方法表明,平静的或非耦合结构的模式应该是第一个定义和解决。之后,通过实现分析方法,推导出耦合模式方程可以解决。线性叠加的理论提出了非微扰结构的模式代表了耦合结构。这样的假设提供了一个足够深刻和准确的数学描述电磁波传播的各种实际情况。这个理论提供了分析手段共振附近引导模式的交互。此外,传递矩阵法(TMM)可用于耦合模式方程解决如果应用程序(设备)有多个光栅+相移。TMM也可以用于分析概周期光栅。TMM表明整个光栅结构分为若干均匀光栅部分(有分析转移矩阵)。由单独的传输矩阵相乘,整个结构的传递矩阵可以聚集14]。

对所有OptiGrating模拟执行,典型的参数的单模光纤芯直径9μm和包层直径125μm集。每个光栅光纤光栅的中心波长1550 nm,和段(飞机)的数量设置为25。

各种光纤光栅反射信号在不同的光栅光谱参数。每个孔障类型分析了光纤光栅在不同光栅的长度从1毫米到20毫米在不同光栅调制指数(纤维芯反射指数变化) , , ,和 (也可观察到的在图3)。制服(没有切趾法)、高斯、sin sin,长大切趾法研究了在这个阶段。描述这些切趾法与数学函数如下: 在哪里光栅长度,是锥形长度= 0.5,是光传播的坐标以及光栅的长度( )。

图3描绘了我们的示例生成数学几何形状的光纤光栅制服,高斯,sin sin,长大切趾法配置文件。几何形状时,说明光栅光纤光栅的长度是10毫米,光栅调制指数 ,和段的数量(飞机)是25。

几个参数(反射率、应用和SLS)的反射信号光谱测定分析中获得的数据的仿真结果,并讨论了结果部分。反射率、旁瓣功率和反射信号的应用价值从所有的实测光谱数据进行了分析。

3所示。结果与讨论

数据(反射率、应用和SLS)总结了反射信号获得光谱提供的表和在线公开库平台Zenodo [15]。包括所有的数据和视觉呈现数据4- - - - - -11。图4例如,显示了光纤光栅的反射信号频谱光学传感器,使用正弦光栅长度时切趾法(如图标记为“”)4、7、10、13毫米和调制指数 。通过增加光栅长度,反射率也增加(在 , = 6 dB→反射率为25%但在13毫米,90%),和光谱带宽变得窄( ,应用= 0.328海里,但如果 ,应用是0.173海里)。图5显示了该光纤光栅反射信号频谱对比与统一,高斯,正弦和正弦光栅长度时切趾法和调制指数13毫米 使用。我们可以看到在图5最有效的光谱部署光纤光栅传感器实现如果使用均匀光纤光栅。至于副瓣参数,最好是最小化利用正弦切趾法,但在那之后利用高斯切趾法。

因为它可以观察到,图6清楚地展示了反射率之间的连贯性,光栅长度和光纤光栅光栅的光栅调制指数。通过增加光栅的长度,也在%增加光纤光栅反射率。达到最高反射率与统一(没有切趾法)实现,然后遵循正弦切趾法,高斯切趾法之后,但相对最低反射率是利用正弦切趾法。从结果,可以得出结论,调制指数的使用 提供了相对最低的性能,因为90%的反射率是没有达到(1毫米)的光栅长度范围。最高反射率我们可以观察到在高调制指数的值,因此 和 。调制指数较高的值,可以实现首选的反射率,同时使用一个特定的光栅长度短。

在分析信号带宽,可以看出图(见图所示7),通过增加光栅长度、减少的价值的半最大值宽度。最快速的变化是观察1-5-millimeter-long光栅长度的光纤光栅。当使用2毫米的光栅长度时,应用带宽相比减少一半1毫米长光栅。例如,应用时0.74 nm宽1毫米统一选择光栅,但2毫米的光栅长度(同样的均匀光栅)导致0.38 nm(调制指数的应用 )。从结果,可以得出结论,光栅长度从1到5毫米不适合传感器网络,因为它相对较宽的带宽。因此,为了节省可用光学频谱和使用操作光学频率范围内更有效地计划,fgb应该选择较大的光栅长度,从而操作应用范围较窄。在图7,可以看出最窄的应用得到了应用最低时调制指数的值 。同样重要的是要强调切趾法,有特定的值额外增加光栅长度的光栅长度不提供一个重要的应用减少了。例如,至于统一类型、重要应用衰减可观测到光栅长度的6 - 8毫米,而对于高斯和正弦8 - 10毫米,提出正弦10 - 12毫米。这些值后,光栅长度的增加并不高度值影响的半最大值宽度。

如图8,通过分析模拟的结果与均匀光纤光栅,高斯切趾法,SLS是均匀减少通过增加光栅长度从1毫米到20毫米当使用所有四个调制指数的值( 来 )。

当使用正弦和提高正弦切趾法和调制指数( 和 ),图表显示的减少SLS当增加使用光栅长度;然而,在特定的值(图中可以看到8 (c)),SLS也开始随着光栅长度的进一步增加而增加。然而这个过程可以观察到特定的光栅长度,然后又进一步通过增加光栅长度,SLS又开始下降(函数是期刊)。我们可以看到类似的倾向在一篇科学论文16),更高的调制指数 使用时,看到SLS函数是期刊。SLS值最低为均匀光纤光栅记录(没有切趾法),他们没有达到定义的阈值(20 dB);因此,我们可以,这不是最适合光纤光栅传感器网络和远程监控的应用程序。当应用高斯、正弦和正弦切趾法,旁瓣抑制显著提高与统一的形象。

为了更好地分析和比较了光纤光栅反射率(图参数9),SLS(图10(图),的半最大值宽度11与切趾法配置文件)和他们的关系,比较了调制指数 。我们可以看到在图9之间的范围,而应用光栅1毫米和20毫米,反射率最高的结果可以保证通过使用统一的形象。至于第二——正弦切趾法概要文件。与提高正弦光栅和高斯切趾法提供了类似的结果相比,显示相对较低的反射率在1毫米20毫米光栅长度调制指数 是选择。

我们可以看到在图10,高斯切趾法确保最高的SLS (33 - 38 dB)结果在1毫米到7毫米光栅长度选择,但当光栅长度是9毫米至20毫米,最好的SLS (30 - 32 dB)结果显示,提出正弦apodized光纤光栅。均匀光纤光栅提供了最小的旁瓣抑制值使用光栅长度时的1毫米至20毫米。

在分析信号频谱带宽,可以看出图(见图所示11),通过增加光栅长度、减少的价值的半最大值宽度。最快速的变化是观察1 - 6毫米长光栅长度的光纤光栅。保存光学频谱乐队,较大的光栅长度(至少6毫米)fgb应该选择,因此操作应用范围较窄。最窄的带宽,当光栅长度1毫米和7毫米之间的选择是由均匀光纤光栅,然后由正弦函数和高斯切趾法。至于8毫米之间的光栅和20毫米长,最窄的带宽可以达到通过应用高斯然后sin切趾法。

为光纤光栅提供窄带宽的应用< 0.2海里)和高反射率(至少90%),较大的光栅长度的fgb应该选择。然而,长光纤光栅光栅并不总是保证更高的SLS参数值。由于,这是至关重要的估计最优类型为每个光栅光纤光栅参数见下一段。

表1总结了最优的光纤光栅光栅和切趾法参数评估从前面提到的数据和图表。这个表不包括前面提到的均匀光纤光栅数据类型,因为结果得到均匀光纤光栅不符合SLS阈值(至少20 dB)的要求。从表中我们可以看到1数据,提出正弦切趾法提供了相对相似的反射率和应用高斯切趾法一样,但对提高SLS值更好正弦切趾法比他们从高斯切趾法可以观察到。研究数据的基础上,提出正弦切趾法是最适合使用的传感器网络和远程监控,因为总的来说,相对最高质量参数时可以与这种类型的切趾法光栅调制提到使用索引。光栅的长度可以减少在应用更高的调制指数。然而,更高的调制指数增加了光谱带,因此一个光纤光栅的应用价值。

相对最好的光纤光栅的结果(反射率= 90.3%,应用= 0.112 nm, SLS = 35.6 dB)是观察正弦调制指数的切趾法 和光栅长度20毫米。

传感器网络与40个光纤光栅传感器的波长区间1530 - 1659 nm(传感器之间的间距是1海里)(“OptiGrating”软件)开发基于这些光纤光栅参数验证发现最优参数(正弦切趾法调制指数 和光栅长度为20 mm)。反射的光信号频谱如图12。

图12。表明发达40光纤光栅传感器网络具有较高的反射率(> 90%)和SLS价值(~ 30 dB)。传感器网络的SLS值略有恶化邻边叶重叠。

测试光纤光栅操作的距离,我们首先开发了一个额外的仿真设置(见图13)通过使用VPIphotonics数学建模软件。在这个模型中,光纤光栅传感器操作距离(SMF纤维光学循环器和光纤光栅传感器网络)之间的距离测量和测试。

在这个模拟的设置中,设置组件的参数根据实际参数的商业组件。发射机设置的一部分包括光学宽带光源(BLS)的半宽度(应用)= 80 nm波长1510 - 1590纳米。劳工统计局组件的输出光谱实验测量的时候扫描800询问机和上传到这个模拟设置。这里,劳工统计局输出连接到3端子光学循环器(OC),用于分离的可见光flows-transmitted和光纤光栅反射信号。插入损耗的OC方向1→2和2→3是1分贝,但隔离50分贝。OC端口(2)连接到SMF-28单模光纤(SMF)线。等SMF参数设置如下:衰减:0.18 dB /公里;色散:16 ps / (nm·公里);色散斜率:0.092 ps / (nm²·公里);PMD: 0.04 ps /√公里;有效面积:85μ米²;和非线性指数:1.27 (W×公里)¹。SMF与光纤光栅传感器网络,幅频响应(光纤光栅透射和反射光谱)和反射率等技术参数,应用,中心频率上传。光纤光栅传感器的反射信号从传输OC端口2→3的光学频谱分析仪和信号处理单元,为了分析接收到的光纤光栅传感器的光学光谱。

之后,测试和验证的目的,这样的光纤光栅传感器网络的设置然后在实验室环境中开发方案的架构是相同的(见图14)。

然而,特定的40个光纤光栅传感器网络与估计的最优参数(被调查、开发和本文中描述的,见图12在我们实验室)并不是身体上可用。为测试和验证的目的,因此我们有可用的光纤光栅设置用于在实验室里,光纤光栅传感器网络与5光纤光栅的中心波长的1541、1543、1545、1547和1549海里)。

我们可以看到数据15和16,反射信号频谱的光纤光栅传感器网络BTB之后,20、40、60公里传输实验测量和衡量数学模拟密切相似。在数学模拟软件、光学频谱分析仪(OSA)使用额外的信号处理函数;因此,在噪音级别(~ 70分贝),线条流畅的噪音)(低于在实验设置的结果。获得相似的仿真和实验结果证明正确创建了数学仿真模型。

光纤光栅传感器网络的最优参数(发达国家和本文中描述的,见图12)然后集成到开发和实验验证仿真模型和测试BTB之后,20、40、60公里长的传输。我们可以看到在图1760公里传输后,可以检测接收到的信号的光纤光栅中心波长,和副瓣抑制率(SLSR)值9 - 11分贝。这意味着发达光纤光栅传感器网络可以用于远程监控解决方案(60 +公里)。

4所示。结论

在这个研究中,我们分析和定义了最优光栅和切趾法参数提供最大限度的高反射率(至少90%)和可接受的SLS(至少20 dB)和最大限度地窄带宽的应用< 0.2海里)的光纤光栅传感器网络和远程监控的应用程序。在这篇文章中,我们估计最优的光纤光栅参数高斯切趾法、正弦切趾法,提出正弦调制指数时切趾法 , ,和 使用。从这项研究中使用的切趾法,提出正弦切趾法被发现最优的光纤光栅传感器网络的应用和长途(60 +公里)监控如果绑定参数(如描述这项工作)。

数据可用性

本研究中的数据生成已经存入开放存储库,Zenodo [15]。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由欧洲区域发展基金(ERDF)项目1.1.1.3/18号/ / 001 (pv 3912.6.2),欧洲社会基金项目没有。8.2.2.0/20/1/008和主内,拉脱维亚里加技术大学的博士授予项目。通信技术研究中心,里加技术大学(RTU)承认RTU科学支持基金的支持。