（光学工程专业论文）融入火灾预警功能的光纤无源接入网实现.pdf

摘要 摘要 光纤传感器作为新式的传感器正在朝着敏感度高、定位准确、应用范围广、 占用空间小的方向发展。利用中心波长一致的低反射率光纤布拉格光栅( f b g ) 作为温度传感器，将温度传感信号融入现有的以太无源光网络( e p o n ) 商用系统 之中( 不改变e p o n 构架) ，并使用光时域反射计( o t d r ) 技术定位温度升高的 f b g 反射回来的信号。可以以较低的成本实现准分布式火警预警，应用前景广阔， 有望为运营商提供增值服务。 本文提出了融入防火功能的无源光接入网架构，使p o n 成为能提供故障定位 及安防监测功能的综合业务网，并改进解调方法，进一步降低该架构的成本，为 该系统的商用化铺路。主要工作如下： 1 提出了融入防火功能的无源光接入网架构，并对该构架进行分析； 2 对融入防火功能的无源光接入网进行实验，验证了其防火定位特性，并对 整个系统的稳定性做的观察。系统响应时间小于1 秒，现场空间分辨率 5 0 米，系统监测范围 5 k m ；防火系统距离 5 k i n ，响应时间小于7 0 s ； 3 改进系统，提出了一种新型f b g 波长解调方案，系统解调精度达到1 0 p m ， 稳定性高，实现了低成本的提供安防增值业务的光纤无源接入网； 4 完成系统软件部分并现场实施系统； 5 完成中华人民共和国通信行业标准：融入防火功能的无源接入网的建议提 案。该标准目前已提交到中国通信标准化协会，待讨论立项。 关键词：无源光接入网；光纤布拉格光栅( f b g ) ；以太无源光网络( e p o n ) ；光 时域反射计( o t d r ) ；火警预报 a b s t r a c t f i b e ro p t i cs e n s o ri san e wm e m b e ro ft h es e n s o rf a m i l y i ti ss e n s i t i v e ，a c c u r a t e ， a d a p t a b l e , c o m p a c ta n di n t e l l i g e n t t h ea r c h i t e c t u r eu s e s t h ef i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g s ) w i mt h es 锄ec e n t r a lw a v e l e n g t ha n dl o wr e f l e c t i v i t y 髂s e n s o r s s e n s i n gs i g n a l sw i l l b ei n t e g r a t e di n t ot h ee p o ns y s t e mw i t h o u tc h a n g i n gi t sa r c h i t e c t u r e b e s i d e sw eu s e o t d rt e c h n o l o g yt op o s i t i o n t h i ss e n s o rs y s t e mw i l lh a v eg o o da p p l i c a t i o ni nt h e 矗】巾】r e q u a s i d i s t r i b u t e ds e n s i n gn e t w o r k sc a np r o v i d ev a l u e - a d d e d p r o v i s i o nw i t hl o w c o s t an o v e lp a s s i v eo p t i c a la c c e s sn e t w o r kc a p a b l eo fp r o v i d i n gf i r ea l a r m i n gs e r v i c e s h a sp r o p o s e di nt h i sp r o j e c t w h i c hm a k e sp o n t ob eai n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l n e t w o r k ( i s d n ) w i t hf a u l tl o c a t i o n ，a n ds e c u r i t ym o n i t o r i n gf u n c t i o n s w e a l s o i m p r o v e dt h ed e m o d u l a t i o nm e t h o d ，i no r d e rt or e d u c et h ec o s tw h i c h h a v ep a v e dt h e w a y f o rt h ec o m m e r c i a l i z a t i o no ft h es y s t e m m a i nt a s k sa r e a sf o l l o w s ： 1 p r o p o s e da n da n a l y s i s e da n o v e lp a s s i v eo p t i c a la c c e s sn e t w o r kc a p a b l eo fp r o v i d i n g f i r ea l a r m i n gs e r v i c e s ； 2 d i ds o m ee x p e r i m e n t so nt h ep a s s i v eo p t i c a l a c c e s sn e t w o r kw h i c hc a p a b l eo f p r o v i d i n gf i r ea l a r m i n gs e r v i c e s ，t e s t e di t s f i r ep r o t e c t i o np r o p e r t i e sa n do b s e r v e dt h e w h 0 1 es y s t e m ，ss t a b i l i t y s y s t e m sr e s p o n s et i m ei sl e s st h a n1s e c o n d ，a n di t ss p a t i a l r e s 0 1 u t i o na r e5 0m e t e r s ，m o n i t o r i n gs c o p ea r em o r et h a n5 k m a l s oi t sf i r ep r o t e c t i o n d i s t a n c ea r em o r et h a n5 k mw i t hl e s st h a n7 0 sr e s p o n s et i m e ； 3 p r e s e n t s e dan e wt y p eo ff b gw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ns y s t e m t oi m p r o v et h e s y s t e mw i t hd e m o d u l a t i o na c c u r a c yo f 10 p ma n dh i g hs t a b i l i t y w ea c h i e v e dal o w c o s t f i b e r - o p t i cp a s s i v ev a l u e a d d e ds e r v i c e sa c c e s sn e t w o r k ； 4 c o m p l e t e dt h es y s t e m ss o f t w a r ec o m p o n e n t s ，a n di m p l e m e n t e dt h es y s t e m s ； 5 c o m p l e t e dt h ep r ct e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y s t a n d a r d s ：i n t e l l i g e n tp a s s i v e ( 岫t i c a la c c e s sn e t w o r kc a p a b l eo fp r o v i d i n gf i r ea l a r m i n gs e r v i c e s t h es t a n d a r d h a s 晰e n t l vs l l b m i 钍e dt ot h ec h i n ac o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d sa s s o c i a t i o n t h e p r o j e c ti sd i s c u s s i n g k e vw o r d s ：p a s s i v eo p t i c a la c c e s sn e t w o r k ；f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ；e t h e r n e tp a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ；o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r ( o t d r ) ；f i r ea l a r m i n g 图形列表 图形列表 图1 1p o n 的网络拓扑结构2 图2 1光纤光栅结构，折射率分布及光谱响应9 图2 2 基于无源光网络的防火探测系统框图1 1 图2 3f b g 反射谱与光源光谱对比1 2 图2 4( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 分别为正常情况下与加热f b g l 、f b g 2 、f b g 3 、 f g b 4 和f b g 5 时采集到的信号的对比。1 3 图2 5 不同温度下f b g 返回信号强度图1 4 图2 6同一温度下系统的稳定性1 4 图2 。7 眼图测试装置一15 图2 8 从o l t 到o n u 的眼图( a ) 无传感信号加入( b ) 加入1 5 5 0 n m 传感信号 11 ； 图3 1 光谱仪检测光纤光栅波长示意图17 图3 2 匹配光栅法解调系统原理图1 8 图3 3 可调f p 滤波器解调系统1 9 图3 _ 4 非平衡m z 干涉探测法一2 0 图3 5 双腔干涉仪扫描法原理2 0 图3 - 6 光纤b r a g g 光栅传感解调系统框图2 2 图3 7 滤波器波形图。2 2 图3 8 采集到l i n e l 和l i n e 2 的信号及相除后的信号。2 3 图3 - 9 ( a ) 相除后信号与温度关系( b ) 相除后信号与波长关系2 4 ( c ) f b g 5 温度波长对比实验2 4 图3 1 0 ( a ) j ( e 除后数据与拉长长度关系c o ) n 除后数据与波长关系( c ) 应变与波长关系 ：! z 图3 1 2 震动对比实验2 5 图4 1 客户端和服务器软件的流程图2 8 图4 2 客户端架构类的静态结构图2 8 图4 3 服务器架构类的静态结构图2 9 图4 - 4t c p 协议通讯流程3 0 图4 5o b s e r v e r 模式u m l 图一3 2 图4 6 客户端软件界面3 3 图4 7 服务器端软件界面3 4 图4 8 系统的现场实施3 5 图5 1 中国通信标准化协会的证明3 8 v 缩略语表 p o n e p o n o l t o n u f b g w d m o t d r d f b a d d a p d l e p l t x r x m d i m d i x h d b 3 r f 缩略语表 p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k e t h e r n e tp 弱s w eo p t i c a ln e t w o r k o p t i c a ll i n et e r m i n a l o p t i c a ln e t w o r ku n i t f i b e rb r a gg r a t i n g w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t e r d i s t r i b u t e df e e db a c k a n a l o gt od i g i t a l d i g i t a lt oa n a l o g p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c el o s s e t h e r n e tp f i v m el i n e t r a n s m i t t e dd a t a r e c e i v e dd a t a m e d i ad e p e n d e n ti n t e r f a c e m e d i ad e p e n d e n ti n t e r f a c e xm o d e h i 曲d e n s i t yb i p o l a ro fo r d e r3 c o d e r a d i of r e q u e n c y v i 无源光网络 以太网无源光网络 光链路终端 光网络单元 光线布拉格光栅 波分复用器 光时域反射计 分布反馈( 激光器) 模数转换 数模转换 偏振相关损耗 以太网专线业务 发送数据 接收数据 介质有关接口 交叉模式介质相关接口 三阶高密度双极性码 射频 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： ! ：壁日期：夕i 妒年f 月眵e l 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：主l ：峰导师签名：蜂 日期：j 。年易月乡日 第一章绪论 第一章绪论 未来网络发展的方向是多网合一，现今最热门的网络也是物联网，即把任何 物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、 监控和管理的一种网络【l 】。随着社会发展和人民对生活质量要求的提高，人们需要 更动态、更实时的方式管理生活和生产以提高效率、利用率和保障安全，而防火 和定位是这一系列需求中最重要的需求。 光纤布拉格光栅( f b g ：助e rb r a gg r m i n g ) 作为一种新式的传感器凭借着其 良好的稳定性、可靠性、对电磁波的不敏感性又因为其体积很小、适于在高温、 腐蚀性或危险性环境使用的优点，并且由于其线宽窄，f b g 能被波分复用，即许 多f b g 能串联在一根光纤上，实现准分布式传感系统【2 】。可以用于温度、应力、 振动等多个参数的高灵敏度测量并能应用于安防监测( 如防火、防盗等) 【3 】。将光 纤传感网络融合到通信网中，以实现同时具有通信功能和传感功能的新的光纤接 入网综合业务增值网络，对提高人民生活质量，具有极其重要的现实意义【4 巧】。本 文首次提出了一种在目前已经商用化的无源光网络( p o n ) 中融入光纤传感技术 的网络构架，使p o n 成为能提供防火定位及安防探测功能的综合业务接入网。该 架构不需要改变现有网络结构，对通信信号的光功率和畸变几乎没有影响，并进 一步提出一种f b g 波长解调方案，降低运营商成本。最后提出中华人民共和国通 信行业标准：融入防火功能的无源接入网。 1 1 无源光网络 各种无源光网络都具有相同的拓扑特征，亦即所有来自光网络单元的上行传 输都在树状光配线网( o d n ：o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 中以无源方式复用，再 通过单根光纤传送到光链路终端进行解复用【6 】。不过，各个光网络单元都不能访问 其他光网络单元的上行传输。下行信号的功率在每个分支点都会被分配，因此可 以对所有的光网络单元进行广播，由各光网络单元负责分配一个或多个专用波长 用于下行通信【7 1 。最简单的o d n 结构是从一点分出所有的分支。为了尽量减少所 使用的光纤，可以把各o d n 的分路器放在所有与之相连的光网络单元的重心上【8 】。 另一个策略是将多个p o n 的分路器集中放在便于操作的维护节点中。虽然这样会 电子科技大学硕士学位论文 加长某些光配线，但是可以灵活配置光链路终端和光网络单元间的连接，如图1 - 1 所示。也可以按级分配进行功率分配，例如：在一条馈线末端安装1 8 的分路器， 再在各分支末端为每4 个居住单元安装1x 4 分路器，从而使分路比达到1 ：3 2 。 分配级数可以大于2 由于可以分开进行功率分配，这使得同一p o n 里的光网络单 元可以享有不同的分路比一一。 可变分配便于p o n 系统的平滑升级。当p o n 中光网络单元的带宽需求开始超 过p o n 的容量时可在第一只分路器的旁边安装第二只分路器，并将一些光网络 单元改移到第二只分路器，不过这对业务会有影响”；然后再通过另一根馈线将 第二只分路嚣连接到新光链路终端的p o n 接口。如果己经安装了备用馈线光纤， 这种带宽升级不需要改动光网络单元或光纤设置就可实现”“。 春量 圈1 - ip o n 的厨绍拓扑结构 未来通信网将是具有高带竞的、可支持各种基于i p 技术业务的、以包交换为 基础的综合网络平台。宽带接入网在这个平台上占有极其重要的位置，而且也必 须是对基于i p 业务优化设计的“。在局域网中i p 协议都运行在以太网上( 9 5 以 上的l a n 接口是以太网的) ，即i p 包直接封装在以太网帧中，以太网协议时目前 与i p 配合最好的协议之一。由于以太网在局域网中大规模的应用，其设备成本远 低于a t m 设备成本“”。还有，相当多的技术维护人员对以太网技术也比较熟悉， 这也是以太网技术应用于接入网、城域网领域的有利条件。因此结合p o n 和以 太网的e p o n 技术综合了p o n 的容量大、寿命长、可升级性好、低成本、高可靠性 等优势和以太技术与i p 协议配合最好、成本低廉、技术成熟度高等优点，直接在 p o n 上传输以太帧，在a p o n 的基础上进一步降低了成本，不仅代表了光接入网的 发展方向，而且适应带宽接入市场i p 化的发展潮流。e p o n 的发展十分迅速，在包 括北美在内的国家均有十分广阔的应用前景。所以本系统采用e p o n 作为基础的p o n 2 第一章绪论 系统。 1 2 光纤传感技术 1 2 1 概述 随着麦克斯韦电磁场理论的发展，光波导技术也渐渐成熟，这为光纤技术的 应用奠定了理论基础。人们也不断掌握了各项同性光导材料的特性，进而更深一 步地认识了各向异性光学介质的特性，伴随而来的是光纤传感技术与测量技术的 兴起f 1 4 】。 光纤传感器这一概念所包含的器件的范围较广，这些器件以许多不同的方式工 作。光纤可以从一个指定位置收集光，来确定此处是否有目标存在。光纤还可以 从另一种光学传感器中收集光，这种传感器是通过改变到达光纤的光的性质来对 周围环境做出响应的【”】。其他光纤传感器探测通过光纤的光的变化，这些变化受 外界条件如温度和压力改变的影响。我们可以设计特种光纤或者在光纤内设计特 殊结构来使之对外界效应作出强烈反应。在这些方式中，光纤传感器能探测如温 度、压力和旋转的定量变化【l6 1 。光纤传感器的种类非常多，并且具有很轻的质量、 抗电磁干扰、适应不利环境的能力以及极大的频宽网络效果，使设计者们可以给 材料和结构提供与以前的电子传感器相比有重大改进的系统【1 7 】。 光纤传感器的工作方式与此相同，但他们是通过观察透过传感器的光来测量 诸如温度等特性的，光纤传感器将他们要测量的特征以某种方式调制光的输出【l8 1 。 大部分光纤传感器是以以下3 种方式中的一种来调制通过的光： 1 、直接改变光源 2 、 改变光的偏振态 3 、 使透射光发生相移 为了实际量度这种调制作用，你必须将这些改变转换为强度变化。 1 2 2 调制技术 l 、直接强度调制 直接调制光强的的传感器在理论上非常简单，其中最简单的是一种镶嵌在材 料中的基于光纤的裂纹传感器。只要材料是完整无缺的，光纤会毫无损耗地传输 光；而裂纹使光纤断裂，这样就降低了光强，或完全将光切断，这取决于裂纹大 3 电子科技大学硕士学位论文 小。可认为他是简单的通断传感器。 一种更精密的强度传感器与光纤微弯相关，压力越大，微弯越大，同时微弯 使光纤从纤芯中泄露出来，压力越大，通过光纤透射的光就越少。 2 、偏振传感 还要介绍一种传感器：影响光纤中光的偏振态。其有许多实现方法，例如磁场 传感，利用了一种所谓的法拉第旋转过程，将偏振光以正比于磁场强度的角度旋转。 如果将垂直偏振的光发送到敏感光纤中，就可以通过测量偏振旋转角度来测量磁场 强度 1 9 】。 实际不能直接测量偏振角，但可以通过测量光通过另一个检偏器时强度的变 化。若第二个检偏器也是垂直偏振的，透射光强的减小就能量度旋转地角度，这 就将偏振变化转化为强度变化，更容易测量。 3 、相位或干涉传感 传感器还能调制光的相位，以产生能调制光强的干涉效应。为了解这种传感 器的工作原理，我们从改变偏振光相位的传感器这一事例着手讨论。不同偏振方 向的光对折射率的该变量不同，传感器能有效地使某个偏振相对于另个发上延 时。为了测量它，可以在输出端将这两个偏振方向分开，将一个旋转9 0 。，使两 路长相等，然后他们混合到一起。若两束偏振光是同相位的，也就是说，他们之 间没有相位延时，则为高输出；若一束光相对于另一束光落后1 8 0 。( 即反相) ， 则为低输出。 干涉型传感器对细小的变化非常敏感，但他们也有一些局限性。第一，光的 相干性要足够高，以发生干涉。因此，要么采用激光光源，要么精确调节两个路 长使之相等。第二，这种传感器还存在一种固有的不明确性，因为3 6 0 。延时、零 延时或者7 2 0 。延时产生的效应相同，不得不记录产生的相移究竟有多少个，还是 仅仅测量一个较小的相移。还要注意的是，对于将相移转换成强度变化的这种传 感器来说，需要比较这两个信号。在偏振传感器中，这些信号时两束偏振光，压 力能引起这两束偏振光的折射率发生不同变化。 另一种方法是比较通过两个光纤的光的相位，其中一根光纤与外部隔离，另 一根光纤暴露在环境中。如果暴露在环境中的光纤的有效长度发生变化，相移就 会改变，这可以通过在干涉器中将这两根光纤发出的光混频来测量。 第三种方法是制作一个能作为干涉仪的传感器，这种传感器在压力、温度或 其他条件发生变化时，能改变其谐振波长。 4 第一章绪论 1 2 2 准分布式光纤传感系统 1 、选择分布式还是准分布式? 第一个分布式温度传感器是由h a r t o g 和p a y n e 提出的基于充注液体的液芯光 纤r a y l e i g h 散射的分布传感结构。从液芯光纤获得o t d r 信号，从测量曲线来看 温度轮廓，该曲线利用比传统的测量固态光纤的o t d r 装置稍大的信噪比获得。 利用阶跃折射率液芯光纤将使测量方法更为复杂，在这些情况下将限制它的应用： 因为需要膨胀存储，液芯光纤的使用不方便。 由于液体存在冰点和沸点，因而温度的测量范围受到很大的限制。 如果长光纤的中央部分突然冷却，则由于突然地热收缩，在压力差重新再 光纤中分布之前，有可能出现测量真空。 由于光纤不纯或有微粒，将增加横截面的散射或光纤的局部损耗，从而使 o t d r 信号给出不准确甚至错误的温度信息。 液芯光纤的数值孔径随温度变化较大，温度升高时其数值孔径将减小，这 就影响了对热区的进一步标定( 在无模式转移时，可利用模式滤波器减小 其影响) 。 这种传感器虽然第一次成功地论证了对温度的分布式测量，但它的缺点则表 明，它对许多应用并不实际可行，尤其是对更广泛的空间环境。 还有一种普通光纤也具有明显的衰减温度系数，这就是使用硅包层的聚合物 包层硅光纤，这种光纤在室温时衰减低，但冷却至5 0 或类似于此的时候就会有 很严重的衰减这种效应被用作探测低温流体泄露的传感器，且己出现商品。 准分布式光纤监测系统的特点是：将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤 传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、解调检测出被测量的大小。准 分布式光纤传感系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统，故又称非本征 型分布式光纤监测系统【2 0 1 。光纤总线仅起传光作用，不起传感作用。 分析系统的特点： 需要比较准确的温度以及及时的火灾报警； 不需要每点都测量，允许一定的灵活性，例如：某些地方需要很高的精确 度，某些地方只需要监视一定范围即可； 需要较远的传输距离； 潜在低成本性； 潜在的同很多诊断兼容：如压力、应变等的测试； 5 电子科技大学硕士学位论文 综上所述，我们选择准分布式光纤系统作为传感系统融入光纤无源接入网以 实现准分布式火灾预警。 1 3 融合准分布式光纤传感技术的p o n 在国内外的发展现状 近几年，已有报道将多种增值业务融入p o n e 2 卜2 4 】：例如c h i e n h u n gy e h 等人 报道了一种在不同光网络单元( o n u ) 使用不同波长的f b g 来检测网络故障，从 光链路终端( o l t ) 注入o n u 的光到达不同分支，当某支断裂时，该分支f b g 反射光消失【2 5 】；c h u n k i tc h a r t 等人也报道了使用可调激光器和f b g 的故障检测 系统。但上述系统不能实现故障定位，也没其它增值服务【2 6 1 。饶云江等人提出相 位敏感光时域反射计( 巾一o t d r ) 与e p o n 技术相结合来提供安防业务，可同时 实现故障检测与入侵定位【2 7 】。本文首次提出了一种融入了防火功能的新型无源光 接入网架构，直接利用现有e p o n 商用系统，无需对架构作改变，并且，我们使 用中心波长一致的低反射率f b g 作为传感器，利用o t d r 技术，实现火灾定位与 报警功能。 该架构中使用的温度传感器为：光纤布拉格光栅( f b g ) ，其中光纤布拉格光 栅的参数为：1 、低反射率，具体反射率为3 8 ，将温度传感信号融入现有的以 太无源光网络( e p o n ) 商用系统之中( 不改变e p o n 构架) ，并使用光时域反射 计( o t d r ) 技术定位温度升高的f b g 。这种具有防火定位功能的无源光接入网架 构对通信信号的光功率和畸变几乎没有影响且构架中多个f b g 温度传感器中心波 长一致，不需要复杂且昂贵的f b g 波长解调技术，占用通信带宽小，可以以较低 的成本实现准分布式火警预报，拥有很好的应用前景，从而为运营商提供增值服 务。 1 4 本课题的意义 过去几年，光纤通信业近乎狂热的发展可以从因特网流量增长的“感觉和 实际速度中找到根源。因特网的总体增长速度仍将维持在接近“每年翻倍 的水 平，并可预见的未来将继续保持这一速度。具体来讲，我们发现了数据流量增长 的摩尔定律，这种增长方式与历史上其他通信方式形成鲜明对照，包括传统信件、 电报及传统电话业务。由于有强大运营商市场的支撑和引导，从光纤、光器件到 光传输设备，我国光通信制造的产业链已初步形成，正向世界光通信的制造和研 6 第一章绪论 发中心逐渐迈进。 带宽的需求是一个问题，同时离用户切身利益更进一步地是伴随着全球多网 合一带来的便利。同时安防是其中最重要的需求之一，智能化的防火、防盗系统 不仅是社会现代化的标志之一，同时也是人们在追求温饱以外更注重生活质量提 高的标志之一。盖瑞得布瑞考根有个著名的论述：“人类是从以碳为基础的智能 转变到以硅为基础的智能的催化剂。 我们认为：这正是我们在工程应用中所追求 的。我们的目标是在结构中从出生到衰老的过程中加入人的“催化作用”，通过工 程的方法，使系统正常运转以此来了解系统，或者系统周围环境的健康状况，将 光纤传感网络融合到通信网中，以实现同时具有通信功能和传感功能的新的光纤 接入网综合业务增值业务网络，在关键时候能防止灾难性破坏，具有极其重要的 现实意义。 可以设想，由于在军事以及商业上的应用，光纤传感己开始影响人们的生活。 但是最持久的影响将是设计哲学的开始转变。将来工程师将不再为保证结构安全 给它加上超出需求的质量和费用，工程师不再需要从结构的失败中吸取教训，人 们也将生活在更“安全”的网络中，不再将精力和时间花在对周围环境的检测中， 更有一种快捷而直观化的方式，传递信息。 基于以上的考虑，我国在p o n 接入网研究方面和光纤传感技术方面已经具有 一定的基础，个别方向处于国际先进水平，这都为本项目的实施奠定了基础，但 还缺乏核心的具有自主知识产权的技术。因此，希望通过本项目的研究，探索新 型接入新技术，推动光接入技术的发展，为我国光纤通信和传感技术的发展作出 贡献，提高我国在该领域的国际地位。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1f b g 概述 第二章基本原理与融合方案 光纤布拉格光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 是紫外( u v ) 光直接写入到光纤纤 芯中的全息衍射光栅【2 8 1 。作为一种相位光栅，其纤芯折射率变化大致呈周期分布。 光栅通常把光纤中主要导模耦合到反向传播的同一模式中，也就是说，其作用相 当于有选择性的光谱反射镜【2 9 1 。有些光纤光栅也会将导模耦合到光线的其他传输 模式中，包括光纤包层模以及散射出光纤的辐射模【3 0 1 。某些应用场合正是利用这 些耦合到不同模式的光；而在有些场合这些模式仅作为一种处理光的方便途径， 这时光栅相当于一个与光谱相关的损耗滤波器。 为何光纤光栅会如此重要昵? 因为在光纤通信系统和传感系统的许多应用 中，它已被确认为是至关重要的器件。其优势在于全光纤结构、低插入损耗、高 反射损耗或消光比，以及潜在的低成本优势 3 。另外，光纤光栅的偏振相关性较 低，可采用无源方式进行补偿且其可靠性较高。光纤光栅最为优秀的特点是在于 它光谱特征的可定制性。我们可以制作符合我们实验光谱的光栅，我们可以调整 其折射率的变化量、长度、切趾、周期啁啾、条纹倾斜、以及耦合方式【3 2 】。通过 改变上述参数，光栅归一化带宽可以在1 0 4 0 1 范围内变化，可以实现特别“尖 锐 的光谱特征以及具备“裁剪色散特征的能力【3 3 1 。 正因为这些优点，有些应用只有通过光纤光栅技术才能实现。例如：很难找 到比光纤光栅更好的技术，更适合于制造用于密集波分复用系统中的信道滤波器， 比如信道间隔小于等于2 5 g h z ，信道速率高于等于1 0 g b i t s 3 4 】。就光纤激光器而 言，没有其他技术能像光纤光栅那样能把简单制作。紧凑结构和优良光谱等特性 结合在一起。而在光放大器泵浦激光应用中，它所提供的波长稳定解决方案难以 置信的简单和成本低廉【3 5 1 。如果不是光纤光栅天然拥有高灵敏度和精确度而提供 简单解决方案，许多光纤传感器应用会因其过于复杂而无法实用。从根本上讲， 难以想象还会有其他方法能在很大波长范围内实现光的分布反射同时，在本质上 又可以任意控制反射强度和相位的空间分布【3 6 1 。简而言之，光纤光栅为光学滤波 器开创了一块其他技术无法涉足的新天地。 8 第二章基于原理与融合方案 根据上述介绍，也许有人会认为光纤光栅是光滤波器中的灵丹妙药，能解决 世界上光谱控制领域中的全部问题。需要注意的是：光纤光栅并非总是最佳解决 方案。事实上，事情总是一把双刃剑，优点往往成为主要的限制因素。例如：薄 膜滤波器在许多商用中更受欢迎，如果封装恰当，就不需要使用昂贵的光环形器 或引入耦合器带来的额外损耗口”。虽然光纤光栅和光纤组合在一起就需要环形器， 不过，这又恰好就是光纤光栅优势基础：可靠性报高、均匀且相互作用长度较长口。 2 1f b g 工作原理 o p t i c a lf i b e r 。0 c o 化r e f r a c t i v ei n d e x ”l _ 瞎一 【，。一 益磕血匠 讼l 一 n p m i t r a n s m i t t e d r e f l e c t e d 。 图2 - l光纤光栅结构，折射率分布及光谱响应 根据b r a g g 衍射原理，如图2 - 1 所示t 入射光到f b g 中去，f b g 将把以 b r a g g 波长为中心的窄带光谱范围内的光反射回来枷。b r a g g 波长由f b g 的栅 距a 和有效折射率“m 决定： 九= 2 a ( 2 1 ) 因此f b g 可以被看作窄带滤波器，滤波器的中心波长就是b r a g g 波长1 。当 f b g 受到应变、温度等因素使f b g 的栅距a 或有效折射率“c 一产生变化时，被f b g 反射的b t a g g 波长九亦产生相应变化。f b g 中心波长与温度的变化关系为： 电子科技大学硕士学位论文 a 2 = ( 1 + 孝) a t ( 2 2 ) 其中旯是温度变化引起的反射光中心波长的改变，t 为温度改变量，f 为 光纤的热光系数，在1 5 5 0 n m 波段，f b g 对温度的敏感系数为1 0 p m 。c 4 2 1 。 2 2 融合方案 2 2 1 框架介绍 图2 2 为系统框图，目前商用e p o n 系统中使用上行为1 3 1 0 n m 下行为1 4 9 0 n m 的光波长作为通信波长【4 3 1 ，所以我们实验中使用1 5 5 0 n m 左右波长的光源，此光源 波长与通信光源波长相差较大，因此对通信信号的影响可以忽略不计，事实上， 后面的眼图实验也证明了这点。这里我们使用单波长激光器，此激光器线宽很窄， 各个光网络单元处并行处理传感信号。激光经过外调制器调制以后，调制频率 l k h z ，占空比为0 0 1 ，调制波形为方波信号。在下行方向与光链路终端的正常 通信信号经过波分复用器复用，经过1 0 k i n 光纤后到达1x n 的分束器，经分束器 到达各个光网络单元分支，在光网络单元侧通过波分复用器将通信信号与传感信 号解复用，传感网上串联一系列光纤布拉格光栅，该系列光纤布拉格光栅具有以 下特点：1 、中心波长是一样的，f b g 群中心波长之间误差最多为2 5 p m ；2 、反 射率很低，在3 - - 8 ；3 、光纤布拉格光栅的中心波长比我们使用的传感光波长 短，波长差为0 3 n m - - - 2 n m 。传感网通过光网络单元支持直接铺设到用户，以达到 准分布式检测温度的目的；光纤传感信号处理部分设在光网络单元处，光纤布拉 格光栅反射信号经过模数转换卡进行空间域到时间域的转化，从而完成空间位置 上的分布式监测任务。处理后的信号再通过光网络单元的数据接口融合到光网络 单元上行数据，传输到中心控制站或者服务器，用于给用户提供增值服务。 1 0 第二章基于原理与融合方案 m i x e ds i g n a l 。吾歹吾芗吾哥毛多雷。黾 c o m m u n i c a t i o ns i g n a l 图2 2 基于无源光网络的防火探测系统框图 2 2 2 系统工作原理 图2 3 为光纤布拉格光栅的反射谱与本系统激光器光源的光谱的对比图，使用 光谱仪采集到的信号。根据b r a g g 衍射原理，温度变化会引起反射光中心波长的 改变。在1 5 5 0 n m 波段，温度每升高1 ，光纤布拉格光栅中心波长会向波长增大 方向移动l o p m 。系统的工作流程是正常情况不报警，异常情况立即报警，不误报 延时报警，所以布拉格光栅的中心波长与d f b 激光器中心波长不应该一致，但也 不能相离太远，能返回微弱的信号即可。此时f b g 返射回的光谱功率较小；当温 度升高的时候，融入e p o n 光网络单元端的f b g 中心波长向波长增大的方向移动， 逐渐靠近d f b 的中心波长，功率逐渐增大。由于本系统主要用于防火，所以不需 要知道具体温度，当返回的功率大于预先设定的门限( 如5 0 时返回的功率值) ， 即对该e p o n 网络单元进行火灾报警；各个光网络单元负责处理各自信号，所以 是哪个光网络单元线路发生火灾很明确，同时，定位了是哪路，我们也可以定位 更具体的位置，即利用o t d r 原理来定位。由于光纤布拉格光栅反射率较低，损 耗较小，可保证了一条传感线路可串联多个光纤布拉格光栅，传感距离得以增加， 大部分的传感信号不会被反射回来，且我们使用中心波长相同的光纤布拉格光栅 1 1 电子科技大学硕士学位论文 ( f b g 中心波长之间误差2 5p m ) ，占用通信带宽小，我们测量的眼图表明：不 影响通信信号。 此系统可以有效的共享光缆资源和不改变原有通信构架，有很好的兼容性。 利用传感光源波长的光还可以用于网络安全状况监测，在光链路终端到光网络单 元这段光路上，传感光与光纤接入通信信号共享光缆，可以通过该波长的传输状 态测试来实现通信网络的安全状况分析。 2 2 3 实验的实施 图2 3f b g 反射谱与光源光谱对比 本系统的e p o n 为g we p 3 0 0 2 b a b e p l1 0 ，o l t 到分束器之间距离为1 0 k m ， o n u l 到分束器之间距离为1 0 k m 。作为演示，我们使用一个光网络单元并在传感 路线串联5 个中心波长相同的f b g ( 中心波长为1 5 4 9 2 n m ，误差2 5 p m ) ，带宽 为0 2 n m ，反射率为3 8 ；使用了一个1 4 的分束器用于将信号传到各个光 网络单元分支，并在光网络单元分支使用了一个插入损耗小于0 5 d b 的w d m 用 于分开通信信号与传感信号，分开后的传感信号经过环行器，环形器的插入损耗 小于o 8 d b ，经f b g 反射回的信号从环行器3 端口出来，由a d 卡对信号进行空 间域到时间域的转化。实验中采用中心波长为1 5 4 9 8 n m 的分布式反馈( d f b ) 激 光器作为光源，d f b 激光经过方波信号调制，调制电压为3 v - - 4 v ，我们根据实验 具体情况采用的占空比为0 0 1 ，重复频率为l k h z 。图2 4 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 分别为正常情况下采集到的信号与加热f b g l 、f b g 2 、f b g 3 、f g b 4 和f b g 5 时 采集到的信号的对比。从图三可以看出，我们设计的系统：光纤布拉格光栅群的 中心波长比d f b 激光波长短，正常温度下反射回的信号较弱；分别加热后，光纤 布拉格光栅受到温度影响，波长向靠近d f b 中心波长方向移动，返回的信号逐渐 增大。由图3 可知，加热后信号功率竟然是加热前信号功率的1 0 倍，实验效果非 常理想! 不仅如此，通过返回信号时域上的信息，我们可以知道是哪个f b g 被加 12 第二章基于原理与融合方案 热了，即找出是哪里发生了火灾。这些信号都可以在光网络单元端被检测到，若 信号功率超过了预先设定的门限值，则由软件实现的报警信号可通过t 1 e 1 从光 网络单元1 传到光网络单元2 或者传到o l t 端监控中心。在作为防火系统的同时， 亦可在d f b 激光器到波分复用器之间使用一个耦合器接收主干光路上返回的 o t d r 信号来检测光链路终端到光网络单元这段光路上通信网络的安全状况。 0 1 0 0 8 茧o 0 6 留0 0 4 0 0 2 o 0 1 吼0 8 蚕o 0 6 印0 0 4 0 0 2 0 集到的信号 0 1 集到的信号 o