共享激光器的分布式光纤气体传感系统

李 雷，唐守锋

（中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州221116）

共享激光器的分布式光纤气体传感系统

李 雷，唐守锋

（中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州221116）

为了实现远端多节点的高效检测并降低成本，设计了一种新颖的分布式光纤气体传感系统。该系统采用共享一个工作于特种波长的分布反馈半导体激光器，将其置于一个本地控制节点内并通过双向光纤链路串联各远端检测节点，同时使用特殊设计的远端节点结构和光纤段，在每个检测节点，用两个Y型耦合器接入气室，将系统中信号分为上行流和下行流，避免来自其它节点信号影响并直接实现时分复用；并以三节点系统的瓦斯体积分数检测为例进行数值计算和实验。结果表明，激光二极管占总成本比重可由约60%降至约38%，且增加循环检测次数能使各节点测定气体体积分数的相对误差降低，首个节点的相对误差可降至0.2%以下，甚至更低，该方案能够精简高效地实现共享光源的分布检测。

光电子学；分布式光纤气体传感系统；分布反馈半导体激光器；光纤传感器；气体检测

引 言

随着社会发展和科技进步，气体传感在生产及生活中的应用日益广泛，例如有毒和可燃性气体检测、燃烧控制、食品和饮料加工、医疗诊断等。而得益于日益蓬勃发展和广泛应用的激光技术和光子技术，各种新型的气体传感器不断涌现，尤其是包含光纤气体传感器在内的光学式气体传感器，得到了越来越多的国内外学者的广泛关注与深入研究，并提出了以可调谐激光吸收光谱技术为代表的各种检测技术［1-3］。另一方面，社会发展对信息交换和网络融合的要求与日俱增，特别是借助于通信技术、计算机技术和传感技术构建多传感器数据融合的分布式（气体）传感系统［4-7］，从而优化整个传感系统的可靠性、快速性和准确性，同时可兼顾成本，即利用时分复用或波分复用技术在传感系统中共享某些高成本／性能器件。此外，也可构成混合传感网［8］，实现光纤传感和无线传输的优势互补。

尽管已对光纤气体传感器和分布式传感系统开展了大量研究工作，并对相应的新应用进行了探讨［9-11］，其实用化所面临的关键问题是光器件尤其是特种波长半导体激光二极管（laser diode，LD）的高昂价格。因而，值得研究的问题是如何在保证检测精度的同时降低整个传感系统的成本。本文中在此方面进行了探讨，提出了一种新颖的远程分布式光纤气体传感系统，共享单一LD和使用更少的光器件，从而大大降低了检测成本，为分布式光纤气体传感系统的应用提供一种合理高效的实用方案。

1 分布式光纤气体传感系统

1.1 光纤气体传感系统光源的选择

本文中采用基于红外光吸收检测的光纤气体传感器，检测气体以瓦斯（甲烷）为例。由于气体近红外吸收系数一般很小，若直接应用光吸收检测，所得信号中除了光路干扰外还有很大部分与其体积分数无关，检测灵敏度受到限制，因而目前采用的两种典型方法是差分吸收检测和波长调制谐波检测［9-10］，这里选用检测性能更佳的波长调制谐波检测，并加入一路参考光，从而设计出光纤气体传感的一个基本框架结构，见图1，主要包括光源、气室、光电检测器、调制与控制、数据处理等模块，此外还有光纤和若干无源光器件，比如3dB Y型耦合器和光连接器等。

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

光源的选择是整个传感系统最为重要的一环，对于特定气体的检测，应当测量其分子的红外吸收光谱，吸收光谱可通过多原子分子的红外吸收理论来解释，并可通过HITRAN数据库获取，本文中使用HITRAN 2008获取特定气体的吸收线。若要采用谐波检测技术，光源的中心波长必须有效锁定在气体吸收线中心，从而最大限度消除共模噪声所引起的光强波动误差，具体可选用分布反馈（distributed feedback，DFB）LD。然而找到工作波长和气体吸收线中心波长完全一致的商用LD，往往是很困难的。以瓦斯（甲烷）为例，1.66μm附近的波长带是最适合于检测瓦斯的体积分数，更准确地说其波长值是1653.7nm［1］，但具有1653.7nm典型工作波长的DFB LD是价格很高的特种光源，若采用每个节点配置一个LD的模式，成本太高，难以实用化，因而更可行的是多个节点共享一个DFB LD。

1.2 共享激光器的远程分布式光纤气体传感系统

本文中设计了一个新颖的结构用于构造分布式光纤气体传感系统，如图2所示，实现在若干远程节点处检测气体体积分数时共享一个激光器。从网络拓扑角度看，它是一条双向光纤链路的串联，以本地控制节点为起点，串起了全部远程节点，这是考虑到检测环境一般都是狭长的坑道。这里以构造三节点系统作为典型例子，可扩展加入更多节点。进一步，通过设计特殊的远程节点结构和光纤段，可精简而高效地实现共享激光器的分布检测，图3和图4分别为本地控制节点和任一远程节点的光路，即将图1中的功能分拆到不同节点中。

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

在此系统中，有两个信号流，即上行流和下行流。上行流的路径是一个环路，从本地控制节点的端口O1到节点3的端口O1，然后回到本地控制节点的端口I1。对上行流，这一结构能有效保证上行流信号自始至终不带有任何吸收信息，避免了远程节点之间的影响。具体而言，光信号自本地控制节点的DFB LD从端口O1发射，然后在每一个远程节点上从端口I1直接经过3dB Y型耦合器到端口O1（见图4），最后光信号在本地控制节点的端口I1由一个光电检测器（positive-intrinsic negative，PIN）接收，并作为无任何吸收的标准信号。

下行流比上行流要复杂得多，包含了在各个远程节点通过气室而可能发生改变的若干信号。在每一个远程节点，如图4所示，由端口I1输入的光信号通过气室前后的两个3dB Y型耦合器，一部分由上行流转入下行流由端口O2输出。具体而言，进入气室前的信号来自上行流，不带有任何吸收信息，而通过气室后，信号已加入本节点可能的吸收信息，同时又不会受到来自其它节点的信号的影响，该信号到达端口O2完全汇入下行流，而下行流中来自其它节点的信号，则从端口I2直接经过3dB Y型耦合器到端口O2。最终，所有的信号会携带所有可能的吸收信息回到本地控制节点的端口I2。需要说明的是，一个远程节点上转入下行流的信号，在通过端口O2时，不会与下行流中来自其他节点的信号冲突，因为它们在时间上是不重叠的。

综合图2、图4可看出，经过节点1的气室的光信号共经历2条光纤段，类似地，对于节点2和节点3，光纤段数分别是4条和6条。这样的效果就是通过不同节点气室的信号本身就有不同的延时，因此，这一结构可直接实现时分复用，无需光纤延时线。上述分析可以扩展，以便加入更多节点。

2 数值计算与实验

针对上述三节点系统进行数值计算与实验验证。检测方法选择的是波长调制谐波检测，并考虑光路中的传输损伤［12］。表1中列出了主要参量的取值，主要计算结果如图5、图6所示。对于更多节点的系统，同理可得到结果。

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）

根据调制频率f、每时隙波数Nt、光纤每段长度Lf，可以计算出每个节点信号的时隙，记作Tn（单位s），具体公式为Tn＝Nt／f，同时，时隙间隔记作Ti（单位s），也可通过公式Ti＝2Lf（km）／（2×105）得到。这里Tn和Ti均为10μs。进一步，空闲时隙数应不小于2，若取值为2，则可以最小周期T＝3Tn＝30μs进行3个节点的循环检测，这里为了更清晰区分每个周期，且更有效防止脉冲重叠，取空闲时隙数为3，则周期T＝4Tn＝40μs。在本地控制节点处，自端口O1发出的上行流和最终由端口I2接收的下行流如图5所示，可看出在下行流中，10μs～20μs，20μs～30μs，30μs～40μs依次到达来自节点1，2，3的信号脉冲，间隔10μs后开始第2次循环，以此类推。通过检测二次谐波（及基波）可测得各个节点处的气体体积分数，如图6所示，若全部3个节点都有气体吸收，即C1＝C2＝C3＝0.05，则第1个周期中二次谐波出现在10μs至40μs，每个节点对应的时隙间隔为10μs，由于要通过更多的光纤段和Y型耦合器，来自节点2的信号功率要小于来自节点1的，类似的，节点3的又小于节点2的。

若循环检测次数记作Nl，通过对多个周期的检测数据处理，即对节点i，其气室气体体积分数为：

式中，Cr，i为节点i气室的实际气体体积分数。

循环次数与气体体积分数及其相对误差的关系如图7所示。图7a为逐次循环所测得的各节点Ci，j值；图7b为气室气体体积分数的相对误差。由图7b可见，增加循环检测次数，可以进一步降低所测得的气室气体体积分数的相对误差；当Nl取值超过35时，δC，i可降至0.2%以下，甚至更低。

式中，Ci，j为节点i的第j次循环测得气室气体体积分数。气室气体体积分数的相对误差为：

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

实验系统的搭建如图8所示，采用自武汉欧迪电子科技有限公司定制的特种波长激光器（DFB 1653nm），并为远程节点设计制作了10cm光程的反射型气室，光纤传回的下行流信号由同轴尾纤PIN光电探测器（1100nm～1700nm）接收并放大，通过数据采集（data acquisition，DAQ）卡做A／D变换为电信号并送入计算机处理。由于采用分布式传感，将气体检测的各功能模块拆分到本地控制节点和各远程节点中，因而可在本地控制节点中结合虚拟仪器技术，完成光源的调制信号生成（这里利用数据采集卡的D／A变换并用直流稳压电源（DC power supply，DPS）和驱动控制，同时进行光电探测器（经前置放大）之后的数据采集、信号调理、谐波提取、数据处理和存储。

Fig.8 Experimental setup of the system

图9 为数据采集卡获得的一段气体吸收传感信号，纵坐标的采样数据已用节点1的直流做了归一化处理，为更清楚地观察噪声的影响，这里在光源驱动电流中额外加入一定的噪声，3个节点对应的信噪比依次是16.2dB，12.2dB，8.3dB。通过降低系统的电路及光路噪声并对采集数据进行降噪和谐波提取，可获得更好的测量结果，如图10所示。通过循环检测，当气体体积分数在0.03～0.15范围变化时，所测得的各节点对应的气室浓度曲线Ci－Cr，i（i＝1，2，3）均有良好的线性关系，这是由于采用谐波检测，考察的是信号波形中二次谐波与基波的相对关系，因而对外界的干扰具有较好的抑制作用。而要比较各节点的检测效果，则应看气室气体体积分数的相对误差δC，i，整个测量范围内节点1的δC，1均低于0.2%，而节点2的δC，2要大些，但整体仍低于0.8%，节点3的则高于前两个节点，且所测气体体积分数越低相对误差的劣化越明显。关于节点间的检测效果差异，是由于节点序号越大，距本地控制节点越远，序号每增大1个，其信号要多经过1次Y型耦合器分光和2段光纤链路传输，则信号衰减增大而噪声累计也增加，对含有吸收信息的二次谐波的干扰更大，导致相对误差增大。就本传感系统所测结果来看，需要改善的关键问题是光源工作的稳定性和远程节点间的均衡性，特别是离本地控制节点更远的远程节点。进一步，进行成本的大致估算，与非共享激光器情形相比，总成本约降为原来的52%，相应地，LD占总成本的比重也由约60%降至约38%。若在成本允许情况下，提高LD的输出功率，或者在每个远程节点的3dB Y型耦合器与气室之间，加入光放大器，则信号质量更好，并能扩展为更多的节点，LD占总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 结 论

本文中提出的远程分布式光纤气体传感系统能够用于一定数量的节点气体体积分数检测。通过共享激光器和双向光纤链路串联系统，在成本降低的同时仍能获得等效的检测结果，数值计算与实验证明了这一结果。

（1）本传感系统可实现在若干远程节点处检测气体体积分数时共享一个激光器，从而大大降低成本。仅对三节点系统进行成本的大致估算，与非共享激光器的系统相比，本系统的总成本约降为原来的52%，相应地，LD占总成本的比重也由60%降至38%，节点越多则降低越多。（2）所设计的双向光纤链路串联系统，包括其中新颖的远程节点结构，使得通过不同节点气室的信号本身就有不同的延时，所以无需光纤延时线也可实现时分复用。（3）特别是所设计的远程节点结构，可有效保证进入每个节点的气室的上行流信号不带有任何吸收信息，而通过气室后转入下行流，此时信号已包含本节点可能的吸收信息，同时又不会受到来自其它节点的信号的影响，从而能够实现时分复用，携带所有可能的吸收信息。另外增加循环检测次数，可使较近的远程节点所测体积分数的相对误差降至0.2%以下甚至更低，但较远的节点的相对误差较大，需权衡成本增加光功率以提高远程节点间的均衡性。

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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

国家八六三高技术研究发展计划资助项目（SS2012AA062105）

李 雷（1978-），男，博士，讲师，现主要从事光通信、光电检测方面的研究。

E-mail：llsiee＠cumt.edu.cn

2013-06-11；

2013-09-05