CN102359830A - 多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，利用拉曼频移器产生1660nm波段宽光谱激光作为系统测量用光源，结合拉曼放大效应放大系统光源使可测温的传感光纤长度增加。传感光纤中产生的带有温度信息的反斯托克斯光经C波段的拉曼放大器放大后，通过匹配的窄带滤光片去除瑞利散射光，解调后获得传感光纤上的温度信息。本发明的优点在于：1660nm系统光源被拉曼放大后可提高传感光纤的测温长度，带有温度信息的反斯托克斯拉曼光被移到1550nm光纤低损耗区后结合C波段的拉曼放大器提高了系统的信噪比。该系统适用于超远程100公里及以上范围的石化管道，隧道等需灾害预报监测场合。

Description

多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器

技术领域

本发明属于分布式光纤传感测温领域，涉及多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器。该系统适用远程100km及以上需实时灾害监测场合。

技术背景

近年来，利用光纤分布式传感器实现在线实时预报现场的温度及其变化趋势基于操作简单、可应用于恶劣环境等优点获得了广泛的关注和研究。该类传感器利用光纤拉曼散射光推度受温度调制的效应和光时域反射原理实现温度的监控，可对石化工业，交通桥梁，隧道等进行安全健康监控和灾害的预报与监测。张在宣于2009年提出《全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器》发明专利，利用对温度敏感的反斯托克斯散射光强与瑞利散射光强或斯托克斯散射光强的比来获得温度信息，该方法可以克服由于光源波动而导致的测量误差，但仅适用于中、短程100m-15km在线温度监测，不能完全满足近年来石油管道、传输电力电缆等对远程、超远程分布式光纤拉曼测温传感器的迫切需求。

本发明采用基于受激拉曼散射效应的拉曼频移器把测试光源从传统的窄带1550nm波段频移到宽谱1660nm波段，抑制了相干噪声的同时将传感光纤中带有温度信息的反斯托克斯散射光，移到1550nm光纤低损耗波段，提高了系统的信噪比。把拉曼放大效应融合到宽谱1660nm波段，使系统测试光能量最高增益达17dB，等同于提高了传感光纤长度约40km。融合了C波段光纤拉曼放大器，放大了1550nm波段的反斯托克斯拉曼光，最高增益可达25dB，提高了系统信噪比，降低了弱信号检查的难度。该测温系统具备测量距离远、测温精度高、系统解调简单等优点，适用于超远程100km全分布式光纤温度传感网，用来防止管道，隧道等各种可能的灾害。

发明内容

本发明的目的是提供一种多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，可实现信噪比好、分辨率高的超远程100km分布式光纤测温功能。

本发明的技术解决方案如下：

多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，包括光纤脉冲激光器，光纤分路器，由单模光纤和光纤滤光器组成的光纤拉曼频移器，延时光纤，光纤合波器，光纤波分复用器，光纤耦合器，拉曼激光器，传感光纤，两个光纤反射滤光器，光电接收模块，数字信号处理器和工控机。光纤分路器的输入端口与光纤脉冲激光器相连，两个输出端口分别与单模光纤、延时光纤相连；光纤合波器的两个输入端口与延时光纤、光纤滤光器相连，输出端口与光纤波分复用器的输入端口相连；光纤波分复用器有三个输出端口，COM输出端口与中心波长为1450nm的光纤反射滤光器输入端口相连，1660nm输出端口与光电接收模块(22)的一个输入端口相连，1550nm的输出端口与中心波长为1550nm光纤反射滤光器的输入端口相连；光纤耦合器的两个输入端口与中心波长为1450nm的光纤反射滤光器、拉曼激光器相连，输出端口与传感光纤相连。

本发明中，所提及的脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.2nm，激光脉冲宽度为10-30ns可调，峰值功率为1-100W可调，重复频率为500-800Hz可调；所提及的光纤分路器的分支比为80/20，光纤合波器的分支比为60/40；所提及的光纤拉曼频移器由800米单模光纤和光纤滤光器组成，其中滤光器的中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98％，对1550nm激光的隔离度＞45dB；所提及的延时光纤长度为805-820米的普通单模光纤；所提及的光纤反射滤光器(20)的中心波长为1450nm，光谱宽度为0.5nm，反射率95％，对1450nm激光的隔离度＞45dB；光纤反射滤光器(21)的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.5nm，反射率95％，对1550nm激光的隔离度＞45dB。

本发明的有益效果在于：

本发明的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，采用受激拉曼散射原理实现拉曼频移器、两个波段的拉曼放大器效应，采用自发拉曼散射效应实现全分布式光纤测温。不同波段的拉曼放大器起到两个作用：一是放大了系统光源的能量，增加了测温光纤长度；二是放大了反斯托克斯光强度，提高了系统信噪比，降低了弱信号检测的难度。与传统的光纤测温传感器相比，该系统测温距离远、测试精度高，结构简单。本发明适用于超远程需连续温度测量的场合，来防止管道，隧道等各种可能的灾害。

附图说明

图1是多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步描述。

参见图1所示，多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，包括光纤脉冲激光器10，光纤分路器11，由单模光纤12和光纤滤光器13组成的光纤拉曼频移器，延时光纤14，光纤合波器15，光纤波分复用器16，光纤耦合器17，拉曼激光器18，传感光纤19，光纤反射滤光器20，光纤反射滤光器21，光电接收模块22，数字信号处理器23和工控机24。

光纤分路器11的输入端口与光纤脉冲激光器10相连，两个输出端口分别与单模光纤12、延时光纤14相连；光纤合波器15的两个输入端口与延时光纤14、光纤滤光器13相连，输出端口与光纤波分复用器16的输入端口相连；光纤波分复用器16有三个输出端口，COM输出端口与光纤反射滤光器20的输入端口相连，1660nm输出端口与光电接收模块22的一个输入端口相连，1550nm的输出端口与光纤反射滤光器21的输入端口相连；光纤耦合器17的两个输入端口与光纤反射滤光器20、拉曼激光器18相连，输出端口与传感光纤19相连。

上述的脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.2nm，激光脉冲宽度为10-30ns可调，峰值功率为1-100W可调，重复频率为500-800Hz可调。

上述的光纤分路器的分支比为80/20，光纤合波器的分支比为60/40。

上述的光纤拉曼频移器，它由800米单模光纤和光纤滤光器组成。其中滤光器的中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98％，对1550nm激光的隔离度＞45dB。

上述的延时光纤长度为805-820米的普通单模光纤。

上述的光纤反射滤光器20的中心波长为1450nm，光谱宽度为0.5nm，反射率95％，对1450nm激光的隔离度＞45dB；光纤反射滤光器21的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.5nm，反射率95％，对1550nm激光的隔离度＞45dB。

本发明基于以下三个原理：

(1)基于受激拉曼散射效应的光纤拉曼频移器的工作原理

光纤拉曼频移器由单模光纤和宽带1660nm滤光器组成。当一束1550nm脉冲激光入射到单模光纤，激光与光纤分子发生非线性相互作用，入射光子被一个光纤分子散射成另一个斯托克斯光子或反斯托克斯光子，放出一个声子称为斯托克斯散射光子，在传感光纤里产生了频移13.2THz的1660nm斯托克斯光，当入射的1550nm激光功率达到一定阈值后，大部分入射光转化为斯托克斯光(受激状态)。当由入射激光源分出的另一束1550nm激光与1660nm斯托克斯拉曼光入射到同一根传感光纤时，两束光在相遇处产生非线性相互作用，产生放大的斯托克斯光(放大倍数与两束光功率的比值相关)，获得了融合拉曼放大效应的宽谱1660nm波段激光，作为系统测试光源，最高增益可达17dB，相当于延长测温光纤长度40km。

(2)分布式光纤拉曼放大器工作原理

对于光纤拉曼放大器，泵浦功率只有超过某一阈值时，才有可能会对信号产生受激拉曼放大，使光纤里的斯托克斯波在光纤介质内快速增加，大部分泵浦光的功率都可以转换成斯托克斯光，具备拉曼放大作用，其放大的开关增益为

G_A＝exp(g_RP₀L_eff/A_eff)                        (1)

其中P₀＝I₀A_eff是放大器的泵浦光输入功率，g_R是拉曼增益系数A_eff是光纤的有效截面，L_eff为光纤的有效作用长度(考虑了光纤对泵浦的吸收损耗)。

增益可以抑制光纤的传输损耗，提高系统的信噪比，降低弱信号检查系统的难度。

(3)基于自发拉曼散射效应的全分布式光纤测温传感器原理

当入射激光与光纤分子产生非线性相互作用，放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子。光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼定律，在光纤里反斯托克斯背向拉曼散射光强为

I_a＝I₀·v_a ⁴R_a(T)exp[-(α₀+α_a)·L]        (2)

它受到光纤温度的调制，温度调制函数R_a

R_a(T)＝[exp(hΔv/kT)-1]^-1                (3)

h是波朗克常数，Δv是一光纤分子的声子频率，为13.2THz，k是波尔兹曼常数，T是凯尔文绝对温度。

在本发明中采用光纤瑞利通道做参考信号，用反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光强度的比值来检测温度

$\frac{I_a\left(T\right)}{I_R\left(T\right)}={\left(\frac{v_a}{v_0}\right)}^4\·{\exp [(\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})-1]}^{-1}\·\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_0)\·L]---\left(4\right)$

由光纤拉曼光时域反射(OTDR)曲线在光纤检测点的反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光强度比，得到光纤各段的温度信息。

Claims (6)

1.多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，其特征是包括光纤脉冲激光器(10)，光纤分路器(11)，由单模光纤(12)和光纤滤光器(13)组成的光纤拉曼频移器，延时光纤(14)，光纤合波器(15)，光纤波分复用器(16)，光纤耦合器(17)，拉曼激光器(18)，传感光纤(19)，光纤反射滤光器(20)，光纤反射滤光器(21)，光电接收模块(22)，数字信号处理器(23)和工控机(24)。光纤分路器(11)的输入端口与光纤脉冲激光器(10)相连，两个输出端口分别与单模光纤(12)、延时光纤(14)相连；光纤合波器(15)的两个输入端口与延时光纤(14)、光纤滤光器(13)相连，输出端口与光纤波分复用器(16)的输入端口相连；光纤波分复用器(16)有三个输出端口，COM输出端口与光纤反射滤光器(20)的输入端口相连，1660nm输出端口与光电接收模块(22)的一个输入端口相连，1550nm的输出端口与光纤反射滤光器(21)的输入端口相连；光纤耦合器(17)的两个输入端口与光纤反射滤光器(20)、拉曼激光器(18)相连，输出端口与传感光纤(19)相连。

2.根据权利要求1所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，其特征是脉冲激光器(10)的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.2nm，激光脉冲宽度为10-30ns可调，峰值功率为1-100W可调，重复频率为500-800Hz可调。

3.根据权利要求1所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，其特征是光纤分路器(11)的分支比为80/20，光纤合波器(15)的分支比为60/40。

4.根据权利要求1所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，其特征是光纤拉曼频移器，其特征是单模光纤(12)为800米，光纤滤光器(13)的中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98％，对1550nm激光的隔离度＞45dB。

5.根据权利要求1所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，其特征是延时光纤(14)的长度为805-820米的普通单模光纤。

6.根据权利要求1所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器，其特征是光纤反射滤光器(20)的中心波长为1450nm，光谱宽度为0.5nm，反射率95％，对1450nm激光的隔离度＞45dB；光纤反射滤光器(21)的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.5nm，反射率95％，对1550nm激光的隔离度＞45dB。

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