共享激光器的分布式光纖氣體傳感系統

李 雷，唐守鋒

（中國礦業大學信息與電氣工程學院，徐州221116）

共享激光器的分布式光纖氣體傳感系統

李 雷，唐守鋒

（中國礦業大學信息與電氣工程學院，徐州221116）

為了實現遠端多節點的高效檢測并降低成本，設計了一種新穎的分布式光纖氣體傳感系統。該系統采用共享一個工作于特種波長的分布反饋半導體激光器，將其置于一個本地控制節點內并通過雙向光纖鏈路串聯各遠端檢測節點，同時使用特殊設計的遠端節點結構和光纖段，在每個檢測節點，用兩個Y型耦合器接入氣室，將系統中信號分為上行流和下行流，避免來自其它節點信號影響并直接實現時分復用；并以三節點系統的瓦斯體積分數檢測為例進行數值計算和實驗。結果表明，激光二極管占總成本比重可由約60%降至約38%，且增加循環檢測次數能使各節點測定氣體體積分數的相對誤差降低，首個節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共享光源的分布檢測。

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

引 言

隨著社會發展和科技進步，氣體傳感在生產及生活中的應用日益廣泛，例如有毒和可燃性氣體檢測、燃燒控制、食品和飲料加工、醫療診斷等。而得益于日益蓬勃發展和廣泛應用的激光技術和光子技術，各種新型的氣體傳感器不斷涌現，尤其是包含光纖氣體傳感器在內的光學式氣體傳感器，得到了越來越多的國內外學者的廣泛關注與深入研究，并提出了以可調諧激光吸收光譜技術為代表的各種檢測技術［1-3］。另一方面，社會發展對信息交換和網絡融合的要求與日俱增，特別是借助于通信技術、計算機技術和傳感技術構建多傳感器數據融合的分布式（氣體）傳感系統［4-7］，從而優化整個傳感系統的可靠性、快速性和準確性，同時可兼顧成本，即利用時分復用或波分復用技術在傳感系統中共享某些高成本／性能器件。此外，也可構成混合傳感網［8］，實現光纖傳感和無線傳輸的優勢互補。

盡管已對光纖氣體傳感器和分布式傳感系統開展了大量研究工作，并對相應的新應用進行了探討［9-11］，其實用化所面臨的關鍵問題是光器件尤其是特種波長半導體激光二極管（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的成本。本文中在此方面進行了探討，提出了一種新穎的遠程分布式光纖氣體傳感系統，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的應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

1.1 光纖氣體傳感系統光源的選擇

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一般很小，若直接應用光吸收檢測，所得信號中除了光路干擾外還有很大部分與其體積分數無關，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制諧波檢測［9-10］，這里選用檢測性能更佳的波長調制諧波檢測，并加入一路參考光，從而設計出光纖氣體傳感的一個基本框架結構，見圖1，主要包括光源、氣室、光電檢測器、調制與控制、數據處理等模塊，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最為重要的一環，對于特定氣體的檢測，應當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數據庫獲取，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，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數，更準確地說其波長值是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點共享一個DFB LD。

1.2 共享激光器的遠程分布式光纖氣體傳感系統

本文中設計了一個新穎的結構用于構造分布式光纖氣體傳感系統，如圖2所示，實現在若干遠程節點處檢測氣體體積分數時共享一個激光器。從網絡拓撲角度看，它是一條雙向光纖鏈路的串聯，以本地控制節點為起點，串起了全部遠程節點，這是考慮到檢測環境一般都是狹長的坑道。這里以構造三節點系統作為典型例子，可擴展加入更多節點。進一步，通過設計特殊的遠程節點結構和光纖段，可精簡而高效地實現共享激光器的分布檢測，圖3和圖4分別為本地控制節點和任一遠程節點的光路，即將圖1中的功能分拆到不同節點中。

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路，從本地控制節點的端口O1到節點3的端口O1，然后回到本地控制節點的端口I1。對上行流，這一結構能有效保證上行流信號自始至終不帶有任何吸收信息，避免了遠程節點之間的影響。具體而言，光信號自本地控制節點的DFB LD從端口O1發射，然后在每一個遠程節點上從端口I1直接經過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準信號。

下行流比上行流要復雜得多，包含了在各個遠程節點通過氣室而可能發生改變的若干信號。在每一個遠程節點，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，一部分由上行流轉入下行流由端口O2輸出。具體而言，進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，信號已加入本節點可能的吸收信息，同時又不會受到來自其它節點的信號的影響，該信號到達端口O2完全匯入下行流，而下行流中來自其它節點的信號，則從端口I2直接經過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點的端口I2。需要說明的是，一個遠程節點上轉入下行流的信號，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，經過節點1的氣室的光信號共經歷2條光纖段，類似地，對于節點2和節點3，光纖段數分別是4條和6條。這樣的效果就是通過不同節點氣室的信號本身就有不同的延時，因此，這一結構可直接實現時分復用，無需光纖延時線。上述分析可以擴展，以便加入更多節點。

2 數值計算與實驗

針對上述三節點系統進行數值計算與實驗驗證。檢測方法選擇的是波長調制諧波檢測，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，主要計算結果如圖5、圖6所示。對于更多節點的系統，同理可得到結果。

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）

根據調制頻率f、每時隙波數Nt、光纖每段長度Lf，可以計算出每個節點信號的時隙，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。進一步，空閑時隙數應不小于2，若取值為2，則可以最小周期T＝3Tn＝30μs進行3個節點的循環檢測，這里為了更清晰區分每個周期，且更有效防止脈沖重疊，取空閑時隙數為3，則周期T＝4Tn＝40μs。在本地控制節點處，自端口O1發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依次到達來自節點1，2，3的信號脈沖，間隔10μs后開始第2次循環，以此類推。通過檢測二次諧波（及基波）可測得各個節點處的氣體體積分數，如圖6所示，若全部3個節點都有氣體吸收，即C1＝C2＝C3＝0.05，則第1個周期中二次諧波出現在10μs至40μs，每個節點對應的時隙間隔為10μs，由于要通過更多的光纖段和Y型耦合器，來自節點2的信號功率要小于來自節點1的，類似的，節點3的又小于節點2的。

若循環檢測次數記作Nl，通過對多個周期的檢測數據處理，即對節點i，其氣室氣體體積分數為：

式中，Cr，i為節點i氣室的實際氣體體積分數。

循環次數與氣體體積分數及其相對誤差的關系如圖7所示。圖7a為逐次循環所測得的各節點Ci，j值；圖7b為氣室氣體體積分數的相對誤差。由圖7b可見，增加循環檢測次數，可以進一步降低所測得的氣室氣體體積分數的相對誤差；當Nl取值超過35時，δC，i可降至0.2%以下，甚至更低。

式中，Ci，j為節點i的第j次循環測得氣室氣體體積分數。氣室氣體體積分數的相對誤差為：

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），并為遠程節點設計制作了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，通過數據采集（data acquisition，DAQ）卡做A／D變換為電信號并送入計算機處理。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點和各遠程節點中，因而可在本地控制節點中結合虛擬儀器技術，完成光源的調制信號生成（這里利用數據采集卡的D／A變換并用直流穩壓電源（DC power supply，DPS）和驅動控制，同時進行光電探測器（經前置放大）之后的數據采集、信號調理、諧波提取、數據處理和存儲。

Fig.8 Experimental setup of the system

圖9 為數據采集卡獲得的一段氣體吸收傳感信號，縱坐標的采樣數據已用節點1的直流做了歸一化處理，為更清楚地觀察噪聲的影響，這里在光源驅動電流中額外加入一定的噪聲，3個節點對應的信噪比依次是16.2dB，12.2dB，8.3dB。通過降低系統的電路及光路噪聲并對采集數據進行降噪和諧波提取，可獲得更好的測量結果，如圖10所示。通過循環檢測，當氣體體積分數在0.03～0.15范圍變化時，所測得的各節點對應的氣室濃度曲線Ci－Cr，i（i＝1，2，3）均有良好的線性關系，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系，因而對外界的干擾具有較好的抑制作用。而要比較各節點的檢測效果，則應看氣室氣體體積分數的相對誤差δC，i，整個測量范圍內節點1的δC，1均低于0.2%，而節點2的δC，2要大些，但整體仍低于0.8%，節點3的則高于前兩個節點，且所測氣體體積分數越低相對誤差的劣化越明顯。關于節點間的檢測效果差異，是由于節點序號越大，距本地控制節點越遠，序號每增大1個，其信號要多經過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，導致相對誤差增大。就本傳感系統所測結果來看，需要改善的關鍵問題是光源工作的穩定性和遠程節點間的均衡性，特別是離本地控制節點更遠的遠程節點。進一步，進行成本的大致估算，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，或者在每個遠程節點的3dB Y型耦合器與氣室之間，加入光放大器，則信號質量更好，并能擴展為更多的節點，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 論

本文中提出的遠程分布式光纖氣體傳感系統能夠用于一定數量的節點氣體體積分數檢測。通過共享激光器和雙向光纖鏈路串聯系統，在成本降低的同時仍能獲得等效的檢測結果，數值計算與實驗證明了這一結果。

（1）本傳感系統可實現在若干遠程節點處檢測氣體體積分數時共享一個激光器，從而大大降低成本。僅對三節點系統進行成本的大致估算，與非共享激光器的系統相比，本系統的總成本約降為原來的52%，相應地，LD占總成本的比重也由60%降至38%，節點越多則降低越多。（2）所設計的雙向光纖鏈路串聯系統，包括其中新穎的遠程節點結構，使得通過不同節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時分復用。（3）特別是所設計的遠程節點結構，可有效保證進入每個節點的氣室的上行流信號不帶有任何吸收信息，而通過氣室后轉入下行流，此時信號已包含本節點可能的吸收信息，同時又不會受到來自其它節點的信號的影響，從而能夠實現時分復用，攜帶所有可能的吸收信息。另外增加循環檢測次數，可使較近的遠程節點所測體積分數的相對誤差降至0.2%以下甚至更低，但較遠的節點的相對誤差較大，需權衡成本增加光功率以提高遠程節點間的均衡性。

［1］ ISEKI T.A portable remote methane detector using an InGaAsP DFB laser［J］.Environmental Geology，2004，46（8）：1064-1069.

［2］ ZHU Sh Y，CHEN Y P，ZHANGG，etal.An optical fiber sensor based on absorption spectroscopy for carbon monoxide detection［C］／／2010 International Conference on Computer Design and Applications（ICCDA）.New York，USA：IEEE，2010：589-592.

［3］ QIJ，DONG X P，SHEN Y X，et al.The research on fiber gas sensor system based on scanning light source［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38（9）：1-6（in Chinese）.

［4］ CHU Ch Sh，LO Y L，SUNG TW.Review on recent developments of fluorescent oxygen and carbon dioxide optical fiber sensors［J］.Photonic Sensors，2011，1（3）：234-250.

［5］ YU K L，WU Ch Q，GUO X，et al.A novelmulti-point fiber optics acetylene sensing system based on dense wavelength division multiplexers［J］.Acta Optica Sinica，2011，31（5）：1-6（in Chinese）.

［6］ ZHAO H，HANG L J，LIG.Influence of carrier on distributed optical fiber leak detection systems［J］.Laser Technology，2010，34（1）：30-33（in Chinese）.

［7］ DONG B，HE Sh Y，HU Sh Y，et al.Study on the multiplexed sensor system based on tunable fiber laser with fiber Bragg grating［J］.Laser Technology，2005，29（6）：608-610（in Chinese）.

［8］ CHEHRIA，FORTIER P，TARDIF PM.Security monitoring using wireless sensor networks［C］／／Fifth Annual Conference on Communication Networks and Services Research.New York，USA：IEEE，2007：13-17.

［9］ YAN X M，ZHANG JL，WANG Zh Sh.Research on optical fiber methane gas sensor of spectral absorption type［C］／／2010 International Conference on Computational Aspects of Social Networks.New York，USA：IEEE，2010：41-44.

［10］ SA JM.An optical fiber gas sensor based on harmonic detection［C］／／2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering.New York，USA：IEEE，2011：1169-1172.

［11］ ZHOU M R，WU D，ZHANG H Q，et al.Wavelet packet transform in optical fiber gas sensor system of signal denoising［C］／／2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering.New York，CA，USA：IEEE，2011：2843-2846.

［12］ LI L，ZONGW L.Multi-dimensional service mapping and supporting in WDM optical networks［J］.Journal of Optoelectronics· Laser，2010，21（s1）：116-118（in Chinese）.

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

國家八六三高技術研究發展計劃資助項目（SS2012AA062105）

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

E-mail：llsiee＠cumt.edu.cn

2013-06-11；

2013-09-05