光时域反射型传感器网络的设计

孙 超， 丁建军， 张 冈， 陈幼平

(1. 江汉大学 物理与信息工程学院， 武汉 430056； 2. 华中科技大学 国家数控技术工程研究中心， 武汉 430074)

0 引 言

本文基于气体光谱吸收检测技术[1-2]，分析了基于单根光纤传输的分布式光纤传感器组网及拓扑结构。针对分布式(特别沿巷道、管道布点的)气体检测需求，采用光纤传感器及单根传输光缆所组建甲烷气体传感器网络[3-4]。这些技术优势将使研发出的气体传感器具有选择性强、反应时间短、安全性高、体积小等特点，且具备接入物联网的能力，能实现气体的多点远距离实时测量，并显著提升气体测量的性能和安全性[5-6]。

光纤传感器时分复用技术[7](Time Division Multiplexing，TDM)的实现是基于耦合于同一光纤上的多个传感器，每2个传感器之间由光纤相耦合，经过耦合的光纤产生一段延时，由于这段延时导致不同位置的传感器信号传入接收端时间不同，该时间差在时域上产生分时效应[8]，依靠输出信号的分时效应可以确定传感器的位置以及每个传感器返回信号中所携带的被测信息，通过解调各个传感器的被测信息，可以得到每个点的被测值及其所对应的位置。

首次提出多点光纤甲烷传感器的是Stewart等[9]，使用的光纤分光器和多路复用技术来耦合各个气室之间的1 665 nm的分布反馈(DFB)激光的功率。由单独的光电二极管检测器进行检测的多个气室的输出，灵敏度可达×10-6级。1999年，Jini[10]研究了光纤气体传感器的TDM技术,对检测气体吸收信号确定浓度信息，并建立了计算仿真模型，表明20个甲烷气体传感器组成的光纤气体传感器，均采用的吸收气室，检测灵敏度可以达到2 000×10-6。此后基于光纤的多点远距离的气体浓度检测研究受限于结构以及光器件的发展并没有在精度上有明显提高。2014年，Ou等[11]提出了基于频移干涉法的光纤法布里-珀罗(F-P)传感器混合复用的实验和理论研究。研究了以混合配置复用的4个F-P传感器。双通道混合复用系统的最大传感器数量达到26，当源功率传感器间隔为2 mW。为大规模复用F-P传感器提供了一种新的可行方法。Floridia等[12]报道了一种新颖的甲烷泄漏检测系统，并在分析气体的吸收区域中使用光时域反射计和光频扫描。可以使用个5.5 cm的气室完成数十公里范围的单个探测器设备分析多个无源远程传感器。

与传统TDM结构相比，本文设计了一种基于OTDR[13]的光复用结构，减少了光耦合器的数量以及光纤长度完成准分布式测量，实现了多个检测点共用一根光纤传输，相比于现有网络每个测点需要一套检测设备及传输光缆[14-15]，安装和维护成本大幅降低。这种方法使用了反射型气室，而透射气室与此相比，需要使用多1倍的光耦合器以及更长的光纤距离，衰减更大。本文还分析了该结构中涉及的其他光器件：光环行器，分光器，最后根据灵敏度实验分析基于OTDR反射型传感器网络拓扑结构的最大测量范围及测量点数量。

1 OTDR反射型传感器网络拓扑结构光路设计

基于光时域反射(OTDR)光路拓扑结构如图1所示，首先将光源调制成脉冲光源，脉冲光源的频率根据气室数量决定，光源的光经过光环行器到达光耦合器1，并将光分为2路，第1路连接气室1，第2路经过光纤布局线到达光耦合器2，光耦合器2将光分为2路……，光这样一直传输下去，直到到达最远处的第n个气室。光信号的返回是通过光环行器进行的，含有所有气室的气体浓度信号的光经过光环行器到达信号处理部分，通过信号解调分别将各个气室的气体浓度计算出来，并且各个气室根据返回时间将气体浓度与气室对应起来，在得到气体浓度的同时也可以得到相应气室。

图1 OTDR光路拓扑结构

使用光谱吸收法检测气体浓度，激光被调制电流信号耦合到的光环行器、分光器以及自聚焦透镜(GRIN)准直器进入气室。反向散射光通过透镜反射以及光环行器传送至至光探测器，获取气体浓度信号信息。在测量过程中的重要组成部分是检测气体与相应波长激光的相互作用的路径。光学路径主要包括光纤、光与气体作用的气室、环形器以及分光器。

2 光路光器件的分析与设计

2.1 气室结构设计

传统的光纤气体传感系统使用的气室都是封闭设计的，只留下2个气口：进气口与出气口，或者仅有一个气口与外界气体相通，甚至有的气口为了过滤掉不需要的气体还带有选择性透过膜，这种气室的设计在户外环境中应用是很难凑效的：被测气体很难根据需要进入封闭的气室中，导致封闭气室内外的气体构成及其浓度很难一致。相比于封闭气室的气体不流通性，开放式气室不存在这个问题，将气室直接暴露于检测环境中不仅可以保证气室内外气体成分和浓度一样，还能使系统的响应速度加快，提高了系统的实时性。

本系统选择基于自聚焦透镜透镜来对气室进行设计。与传统透射式自聚焦透镜气室相比，反射式气室由于光的反射作用，增加了1倍光程，其结构简图如图2所示。传统的吸收气室存在光纤和光学元件耦合与准直等问题，使用自聚焦透镜和光学微调架可以有效的解决这两个问题。

1-光纤准直器，2-镀金反射镜，3-气室基座

根据准分布式的拓扑结构要求，气室由3个零件构成，光与气室耦合的输入输出方式为单根光纤的耦合。所以将气室的结构设计为反射结构来满足单根光纤的输入输出。光从光纤经过自聚焦透镜变为平行光进入气室，与待测气体吸收作用后，入射至反射镜，反射镜与光垂直，根据光的反射定律，反射光沿原路返回，再次经过与待测气体吸收作用后进入自聚焦透镜，汇聚到一点，最后沿光纤原路返回。

2.2 光环行器

由于本试验系统采用的是反射式气室，当光由环形器接口1进入，接口2输出至分光器、气室并经过反射后会沿原光纤原路返回，返回至环形器接口2输入后经由光环形器接口3作用，传回的有效信号由另一端口射出。为提高系统的精度，保证系统的分辨率：基于光环形器波长敏感性较强，需要选择工作波长与系统光源波长匹配的光环形器，针对不同气体的吸收波长段，可选择不同波长段的环形器。

光环形器插入损耗尽可能小，以减少光功率的损耗，经过试验计算，所选光环行器插入损耗为0.6 dB。光环形器不相通端口隔离度应较大，从而使有效信号更多地从正确端口输出。

2.3 分光器及其最佳分光比

当激光经过环形器，需要经过分光器之后，就会进入传感器单元，气室。在此网络中，采用1端输入，2端输出的分光器，分光器的合束、分束都会带来损耗，考虑到接收硬件动态响应范围，设计该网络需要保证各点输出功率均衡，这样还能得到在输出端理论信号在幅值上是相同的。为了每个气室在输入光强度是一致的，假设气室数量为n，那么第1个分光器的分光比是1∶(n-1)，第2个分光器的分光比是1∶(n-2)，以此类推，最后一个分光器的分光比是1∶1。

3 系统损耗测试及最远检测距离分析

光纤的损耗指的是光在光纤中传输时的损耗。光在光纤中传输，光信号强度随着光纤长度增长而减弱。当光功率一定时，传输距离由损耗决定。光纤的损耗包括吸收损耗以及散射损耗。吸收损耗包括光纤的本证吸收和杂质离子吸收；散射损耗主要是光纤本证散射以及制作缺陷，包括了瑞利散射和拉曼散射等。光纤的衰减可以由下式给出：

其中：Pin、Pout分别表示为光纤输入、输出光功率：L为光纤长度。

本文中，由于甲烷气体的检测波长在光纤的低损耗区，所引起传输衰减影响较小。系统其余部分的衰减是由以下几个部分组成的：激光器与光纤耦合、环形器衰减、分光器的衰减、光纤本身的衰减。系统使用的是单模光纤，系统衰减实验结果如下：环形器及接口0.6 dB，气室及接口0.42 dB，耦合器及接口4.6 dB，光纤及接口0.4 dB。

当光源的波长范围覆盖光谱吸收的一条或多条谱线范围时，光强会有衰减，衰减强度满足光谱吸收定理：当吸收系数以及光路长度确定之后，气体浓度仅与吸收强度的衰减有关。在损耗测试实验中，测量了传输光的衰减，使用激光器将其波长调整到1 653.7 nm。其中，分光器的分光与合光都会给信号带来损耗，经过试验得出分光器的损耗是4.6 dB。

对于反射型时分复用的准分布式网络来说，最大可检测点数是一个重要的网络性能指标。该指标表明所应用场合的空间范围、最大检测的点数与以下几个条件有关。

(1) 光源的光功率。在保证光源输出波长能够对准气体吸收光谱的基础上，光源的功率在可调范围内相对较大，保证衰减到更远的气室，还有光可以达到探测要求。其次是光所经过各光学器件的衰减：光功率的衰减决定了光到达最远处气室的信号的信噪比，信噪比越大所测量值的精度和稳定性更高，采集数目也更多。

(2) 检测灵敏度的要求。考虑在工程中的应用场合，所需要检测的灵敏度是根据需求设计的，比如甲烷管道的浓度测量就是甲烷最低爆炸下限。根据上述限制条件，若要求最低检测浓度就是甲烷的最低爆炸下限(LEL)，光功率的最大对准范围是15 mW，反射气室长度1 cm，常温常压下，每个点的衰减是6.02 dB。

使用单点的算法来分析计算传感器网络的数据，3个气室的反射衰减是由强度的衰减来计算的。通过计算衰减强度可以计算出第20个气室的信号强度在最低测量范围内，预计可以检测20个气室的气体浓度。如果按照2 km每一个气室来计算，可以实现40 km的测量距离。

4 灵敏度实验及检测精度分析

本文以甲烷为研究对象，实验中使用单模光纤，各个光学器件以及光纤路径是固定的信号噪声，使用开放型气室，环形器使用69传感科技有限公司的1 650 nm三端口环形器，其工作波长为1 610～1 650 nm，插入损耗小于1 dB，最小隔离度不小于30 dB，工作温度-5～70 ℃，满足实验系统的要求。

灵敏度实验通过信噪比来计算，将浓度为0.1%～1%的甲烷气体向气室中加入，每种浓度测量20次，每次时间是30 s，采集数据是二次谐波的峰-峰值，取平均值。峰值的标准偏差作为噪声。

如图3所示，3个气室的灵敏度采集的分别是110×10-6， 350×10-6，960×10-6，所测量的灵敏度满足最低爆炸极限的要求。

(a) 0 km

(b) 2 km

(c) 4 km

5 结 语

本文提出了基于OTDR的光谱吸收型开放式气室网络拓扑结构，实现了多个检测点共用1根光纤传输，相比于现有网络每个测点需要一套检测设备及传输光缆，安装和维护成本大幅降低。针对该结构以及户外测量的要求，设计了开放反射吸收型气室，相比于现有光纤气体传感器所采用的气室，结构更加小巧紧凑，更适合于传感信息耦合入单根光纤网络进行传输。同时，分析了在实验光路中，气室、光环形器、分光器的衰减，讨论了理论上可测量的最大的数量以及距离。

以甲烷为研究对象，完成了基于OTDR光时域反射型传感器网络多点精度实验，实验证明在0，2，4 km处的灵敏度分别达到110×10-6，350×10-6和960×10-6，不仅所测量的灵敏度满足最低爆炸极限的要求，其最远检测距离可达40 km，与传统时分复用的结构相比，检测精度以及检测距离都有提高。

参考文献(References)：

[1] Chan K, Ito H, Inaba H. Optical remote monitoring of CH4gas using low-loss optical fiber link and InGaAsP light-emitting diode in 1.33 μm region[J]. Applied Physics Letters,1983(43):634-636.

[2] Chan K, Ito H, Inaba H,etal. 10 km-long fibre-optic remote sensing of CH4gas by near infrared absorption[J]. Applied Physics B: Lasers and Optics, 1985 (38):11-15.

[3] Santos J, Frazãoa O, Baptista, J M,etal. Optical fibre sensing networks[C]//In Proceedings of SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference. Belem, Brazil, 2009: 290-298.

[4] 卢 雨, 印新达, 于本化，等. 基于 TDLAS 的时分复用型甲烷多点监测系统[J]. 电子测试. 2014(12):42-45.

[5] Werle P, Slemr F, Maurer K,etal. Near- and mid-infrared laser-optical sensors for gas analysis[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2002(37): 101-114.

[6] Hou Y. The compensation algorithm based on Bayes theory of multipoint measurement fusion for methane concentration[C]//Computer, Consumer and Control (IS3C), 2016 International Symposium on. IEEE, 2016

[7] Huang S, Lin W, Chen M. Time-division multiplexing of polarization-insensitive fiber-optic Michelson interferometric sensors[J]. Optics Letters, 1995(11): 1244-1246.

[8] 林程远. 光纤气体传感器时分复用系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011.

[9] Stewart G, Tandy C, Moodie D,etal. Design of a fibre optic multi-point sensor for gas detection[J]. Sens. Actuators B: Chem, 1998 (51):227-232.

[10] Jin W. Crosstalk analysis of a TDM fiber gas sensor array using wavelength modulation of the DFB laser[C]//SPIE Conference on Fiber Optic Sensor Technology and Application,1999:326-337.

[11] Ou Y, Zhou C， Zheng A，etal. Method of hybrid multiplexing for fiber-optic Fabry-Perot sensors utilizing frequency-shifted interferometry[J]. Applied Optics, 2014(53): 8358-8365.

[12] Floridia C, Salgado F C， Rosolem J B，etal. Methane leak detection and spectral analysis by using only optical time domain reflectrometry in semidistributed remote optical sensors[J].SENSORS, 2017(1)：1-3.

[13] Hartog A, Gold M . On the theory of backscattering in single-mode optical fibers[J]. Journal of Lightwave Technology, 1984 (2): 76-82.

[14] Rein K，Roy S，Sanders S T,etal. Multispecies absorption spectroscopy of detonation events at 100 kHz using a fiber-coupled, time-division-multiplexed quantum-cascade-laser system[J]. Applied Optics, 2016(55): 6256-6262.

[15] Shemshad J, Aminossadati S, Bowen W,etal. Effects of pressure and temperature fluctuations on near-infrared measurements of methane in underground coal mines[J]. Appl Phys B: Lasers Opt, 2012，106(4): 979-986.