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CN107990997A - 一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统及方法 - Google Patents

一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统及方法，属于光纤传感技术领域。该系统包括计算机、多通道同步扫频锁相放大器、光源驱动电路、短波长半导体激光器、长波长半导体激光器、光纤合波器、光纤耦合器、拉曼波分复用器、光探测模块和测温光纤。多通道同步扫频锁相放大器产生的两路不同频率信号分别对两个半导体激光器同时进行步进频率调制，双频互相关检测器对两种不同频率的后向拉曼散射光进行同步测量，采用非相干光频域反射技术实现快速的自校正分布温度解调。本发明在一个测量周期即可完成双光源的光纤后向散射曲线测量，比传统方法的测量时间缩减一半，为低成本、高精度和高可靠性的光纤分布温度测量提供了一种极具竞争力的技术方案。

Description

一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统及方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统及方法。
背景技术
光纤分布式温度传感器(DTS)是根据激光在光纤中的后向反斯托克斯拉曼散射光的强度来计算光纤温度的，属一种强度调制型传感方法，虽然通过同时测量的斯托克斯散射光强度对光源强度和光传输损耗进行了一定的补偿，但由于斯托克斯和反斯托克斯散射通道间隔在百纳米量级，如果系统做温度标定后光纤传输损耗在两种散射波段内发生不成比例的变化，则温度测量结果就会出现误差。高温或者高压环境下OH根离子和氢原子较容易透过涂覆层进入纤芯产生一定程度的附加损耗，使光纤拉曼散射DTS在长期工作后的精度显著下降，直至所测温度分布数据误差扩大至完全没有使用价值。因此，能否抑制高温高压下DTS的漂移，提高DTS的长期稳定性和测量精度是决定在其高温油气井中长期可用性的关键。
为了消除光传输损耗变化引起的分布温度测量误差，双端补偿法和双光源补偿法等自校正方法相继被提出。文献Fernandez A F,Rodeghiero P,Brichard B,etal.Radiation-tolerant Raman distributed temperature monitoring system forlarge nuclear infrastructures[J].Ieee Transactions on Nuclear Science,2005.52(6):2689-2694采用双端补偿法，通过光开关切换分别测量传感光纤两端的拉曼散射分布曲线，减小光纤损耗对DTS测量的影响。文献Hwang D,Yoon D J,Kwon I B,et al.Novelauto-correction method in a fiber-optic distributed-temperature sensor usingreflected anti-Stokes Raman scattering[J].Optics Express,2010.18(10):9747-9754提出用反射的反斯托克斯拉曼散射光实现自修正，光纤末端的反射镜反射的激光产生的后向拉曼散射光再被反射镜反射后经过光纤入射到DTS主机，采用与双端补偿法相似的温度解调方法即可实现自修正，但反射镜的增加衰减了泵浦光和反斯托克斯光信号的能量，降低了系统的测量分辨率。文献Suh K,Lee C.Auto-correction method fordifferential attenuation in a fiber-optic distributed-temperature sensor[J].Optics Letters,2008.33(16):1845-1847提出了双光源补偿法，采用两个不同波长的光源，第一个光源的中心波长与第二个光源的斯托克斯散射波长相等，第二个光源的中心波长与第一个光源的反斯托克斯散射波长相等，从而实现对温度解调中损耗差变化的自修正，该方法具有更高的工程实用价值。然而，双端补偿法增加了传感器的现场安装复杂度和难度，双光源补偿法虽然可以克服该问题，但光源的切换工作，使系统的测量时间增加了2倍。因而，设计一种双光源同时工作的自校正式光纤分布温度快速测量系统具有更为广泛的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统及方法，旨在解决传统方法中波长切换引起测量时间增加两倍的问题，并减小光路损耗，提高系统性能指标，为光纤传感器在油气井开采等领域的应用拓展更大的空间。
本发明的技术方案：
一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，包括计算机1、多通道同步扫频锁相放大器2、光源驱动电路3、短波长半导体激光器4、长波长半导体激光器5、光纤合波器6、光纤耦合器7、拉曼波分复用器8、光探测模块9和测温光纤10；
所述的计算机1向多通道同步扫频锁相放大器2发出指令；所述的光源驱动电路3接收多通道同步扫频锁相放大器2产生的两路调制信号后，分别驱动短波长半导体激光器4和长波长半导体激光器5；所述的短波长半导体激光器4和长波长半导体激光器5的输出光经光纤合波器6后，合并输入到光纤耦合器7，光纤耦合器7中分出的少部分光作为参考光入射到光探测模块9，大部分光被拉曼波分复用器8反射后入射到测温光纤10中；所述的测温光纤10中产生的后向拉曼散射光经拉曼波分复用器8滤出后入射到光探测模块9；所述的测温光纤10中产生的后向瑞利散射光被拉曼波分复用器8反射后，经过光纤耦合器7分出的部分光入射到光探测模块9；所述的光探测模块9将接收到光信号转换成电信号后输入到多通道同步扫频锁相放大器2；所述的多通道同步扫频锁相放大器2对光电信号中同时包含的两种调制频率的微弱信号进行同时解调；所述的计算机1对多通道同步扫频锁相放大器2输出的信号测量值进行采集、处理和显示。
一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量方法，采用非相干光频域反射技术，同时对两个光源进行不同频率地强度调制，经互相关检测算法对两种频率的后向拉曼散射光进行同时解调，实现对分布温度的高精度和快速测量；具体步骤如下：
首先计算机1向多通道同步扫频锁相放大器2发出指令；光源驱动电路3接收多通道同步扫频锁相放大器2产生的两路不同频率的步进频率扫描调制信号分别同时驱动短波长半导体激光器4和长波长半导体激光器5；然后短波长半导体激光器4和长波长半导体激光器5的输出光经光纤合波器6后合并输入到光纤耦合器7，分出的少部分光作为参考光入射到光探测模块9，大部分光被拉曼波分复用器8反射后入射到测温光纤10中；测温光纤10中产生的后向拉曼散射光经拉曼波分复用器8滤出后入射到光探测模块9；同时测温光纤10中产生的后向瑞利散射光被拉曼波分复用器8反射后，经过光纤耦合器7后分出的部分光入射到光探测模块9；光探测模块9将接收到的参考光、拉曼散射光和瑞利散射光转换成电信号输入到多通道同步扫频锁相放大器2；多通道同步扫频锁相放大器2对光电信号中同时包含的两种调制频率的微弱信号进行同时解调后，将所有频率扫描后的测量结果传输给计算机1；最后计算机1通过反傅里叶变换算法恢复出两条瑞利散射曲线和两条后向拉曼散射曲线后，进行自校正分布温度解调并显示。
所述的多通道同步扫频锁相放大器2具有步进频率扫描测量功能，频率扫描范围为1kHz-100MHz。
所述的多通道同步扫频锁相放大器2具有两个频率同时测量功能，即单个输入通道中的两个频率信号的幅度和相位可被同时测量出来，两个频率测量的交叉干扰小于-60dB。
所述的短波长半导体激光器4与所述长波长半导体激光器5的中心波长差为100nm，使所述短波长半导体激光器4的斯托克斯拉曼散射光与所述长波长半导体激光器5的反斯托克斯拉曼散射光的峰值波长相等。
所述的光纤合波器6是一种光纤波分复用器。
所述的光纤耦合器7的分光比为10:90至50:50。
所述的光探测模块9由2个PIN光电二极管、1个雪崩光电二极管和低噪声跨导放大电路组成。
本发明的原理如下：对光纤中后向拉曼(瑞利)散射光的空间位置的定位采用非相干光频域反射(IOFDR)技术，实现双光源的同时测量。多通道同步扫频锁相放大器产生的两路不同频率信号分别对两个半导体激光器进行步进频率调制，同时工作的两个激光光源入射到测温光纤中产生两种对应频率的后向拉曼(瑞利)散射光，同时刻输入到多通道同步扫频锁相放大器的包含两种不同频率的光电信号与多通道同步扫频锁相放大器内部的两个不同频率的参考信号同时进行互相关运算，在完成频率扫描后，即可分别计算出两个光源产生的拉曼散射光的频率响应。计算机通过反傅里叶变换算法恢复出两条后向拉曼散射曲线和两条后向拉曼散射曲线后，完成一次自校正分布温度解调。
本发明的有益效果：一个测量周期即可完成双光源的光纤后向散射曲线测量，比传统的双光源自校正方法的测量时间缩减一半。小功率连续半导体激光替代传统双光源DTS中的高峰值功率脉冲光源，由于半导体激光器的发展日趋成熟，可供选择的波长十分丰富，使本发明的实施十分容易，并降低了系统成本和复杂度。本发明为低成本、高精度和高可靠性的光纤分布温度测量提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是单次测量的双光源调制频率变化示意图。
附图3是三通道同步步进频率扫描式锁相放大器的原理示意图。
附图4是同时测量的双光源拉曼后向散射光的幅频响应。
图中：1计算机；2多通道同步扫频锁相放大器；3光源驱动电路；
4短波长半导体激光器；5长波长半导体激光器；6光纤合波器；
7光纤耦合器；8拉曼波分复用器；9光探测模块；10测温光纤；
11短波长半导体激光器的调制频率；12长波长半导体激光器的调制频率；
13现场可编程门阵列；14拉曼散射光通道双频互相关检测器；
15瑞利散射光通道双频互相关检测器；16参考光通道双频互相关检测器；
17短波长光源调制数字信号发生器；18长波长光源调制数字信号发生器；
19数字通信控制器；20通信接口；21拉曼散射光电信号输入接口；
22瑞利散射光电信号输入接口；23参考光电信号输入接口；
24短波长光源调制信号输出接口；25长波长光源调制信号输出接口；
26拉曼散射光电信号模数转换器；27瑞利散射光电信号模数转换器；
28参考光电信号模数转换器；29短波长光源调制信号数模转换器；
30长波长光源调制信号数模转换器；
31短波长激光产生的斯托克斯拉曼散射光的幅频响应；
32长波长激光产生的反斯托克斯拉曼散射光的幅频响应。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，主要包括计算机1、多通道同步扫频锁相放大器2、光源驱动电路3、短波长半导体激光器4、长波长半导体激光器5、光纤合波器6、光纤耦合器7、拉曼波分复用器8、光探测模块9和测温光纤10。
计算机1向多通道同步扫频锁相放大器2发出指令；光源驱动电路3接收多通道同步扫频锁相放大器2产生的的两路不同频率的步进频率扫描调制信号分别同时驱动短波长半导体激光器4和长波长半导体激光器5；短波长半导体激光器4和长波长半导体激光器5的输出光经光纤合波器6后合并输入到光纤耦合器7，分出的少部分光作为参考光入射到光探测模块9，大部分光被拉曼波分复用器8反射后入射到测温光纤10中；测温光纤10中产生的后向拉曼散射光经拉曼波分复用器8滤出后入射到光探测模块9；测温光纤10中产生的后向瑞利散射光被拉曼波分复用器8反射后，经过光纤耦合器7后分出的部分光入射到光探测模块9；光探测模块9将接收到的参考光、拉曼散射光和瑞利散射光转换成电信号输入到多通道同步扫频锁相放大器2；多通道同步扫频锁相放大器2同时测量参考光、瑞利散射光和拉曼散射光中的两个频率信号的幅度和相位后，将互相关算法计算出来的幅度和相位传给计算机1；计算机1根据反傅里叶变换算法和自校正方法实现高精度分布温度解调并显示。
其中，多通道同步扫频锁相放大器2是一种三通道同步步进频率扫描式锁相放大器，频率测量范围为1kHz-100MHz。光源驱动电路3是的最高调制电流为1A，带宽为100MHz。
短波长半导体激光器4是中心波长为974nm的半导体激光二极管。长波长半导体激光器5是中心波长为1064nm的半导体激光二极管。光纤合波器6是透射波长为1064nm的波分复用器。光纤耦合器7的分光比为10:90。拉曼波分复用器8透射端的中心波长为1020nm，带宽为20nm。光探测模块9由2个PIN光电二极管、1个雪崩光电二极管和低噪声跨导放大电路组成，带宽为100MHz。测温光纤10采用50/125μm多模传感光纤。
附图2是单次测量的双光源调制频率变化示意图。短波长半导体激光器的调制频率11和长波长半导体激光器的调制频率12的变化范围都是50kHz-50MHz，步进频率为50kHz；短波长半导体激光器的调制频率11与长波长半导体激光器的调制频率12的频率差为50kHz。
附图3是三通道同步步进频率扫描式锁相放大器的原理示意图。现场可编程门阵列13中的数字通信控制器19接收通信接口20的控制指令；现场可编程门阵列13中的短波长光源调制数字信号发生器17和长波长光源调制数字信号发生器18同时产生两路不同调制频率的步进频率调制信号，分别由短波长光源调制信号输出接口24和长波长光源调制信号输出接口25输出；拉曼散射光电信号输入接口21、瑞利散射光电信号输入接口22和参考光电信号输入接口23分别接入光探测模块输出的拉曼散射光电信号、瑞利散射光电信号和参考光电信号后，分别被拉曼散射光电信号模数转换器26、瑞利散射光电信号模数转换器27和参考光电信号模数转换器28转换为数字信号；现场可编程门阵列13采集的数字信号以及短波长光源调制数字信号发生器17和长波长光源调制数字信号发生器18分别产生的不同频率的参考正弦/余弦信号，同时输入到拉曼散射光通道双频互相关检测器14、瑞利散射光通道双频互相关检测器15和参考光通道双频互相关检测器16中进行双频率同步互相关检测计算；计算出的幅度和相位值通过数字通信控制器19传输到通信接口20。
附图4是同时测量的双光源拉曼后向散射光的幅频响应。斯托克斯拉曼散射光的幅频响应31是短波长半导体激光4在步进频率电信号调制下，多通道同步扫频锁相放大器2测量的光纤中产生的斯托克斯拉曼散射光的频率响应的幅值；反斯托克斯拉曼散射光的幅频响应32是长波长半导体激光5在不同的步进频率电信号调制下，多通道同步扫频锁相放大器2测量的光纤中产生的反斯托克斯拉曼散射光的频率响应的幅值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，其特征在于，包括计算机(1)、多通道同步扫频锁相放大器(2)、光源驱动电路(3)、短波长半导体激光器(4)、长波长半导体激光器(5)、光纤合波器(6)、光纤耦合器(7)、拉曼波分复用器(8)、光探测模块(9)和测温光纤(10)；
所述的计算机(1)向多通道同步扫频锁相放大器(2)发出指令；所述的光源驱动电路(3)接收多通道同步扫频锁相放大器(2)产生的两路调制信号后，分别驱动短波长半导体激光器(4)和长波长半导体激光器(5)；所述的短波长半导体激光器(4)和长波长半导体激光器(5)的输出光经光纤合波器(6)后，合并输入到光纤耦合器(7)，光纤耦合器(7)中分出的少部分光作为参考光入射到光探测模块(9)，大部分光被拉曼波分复用器(8)反射后入射到测温光纤(10)中；所述的测温光纤(10)中产生的后向拉曼散射光经拉曼波分复用器(8)滤出后入射到光探测模块(9)；所述的测温光纤(10)中产生的后向瑞利散射光被拉曼波分复用器(8)反射后，经过光纤耦合器(7)分出的部分光入射到光探测模块(9)；所述的光探测模块(9)将接收到光信号转换成电信号后输入到多通道同步扫频锁相放大器(2)；所述的多通道同步扫频锁相放大器(2)对光电信号中同时包含的两种调制频率的微弱信号进行同时解调；所述的计算机(1)对多通道同步扫频锁相放大器(2)输出的信号测量值进行采集、处理和显示。
2.根据权利要求1所述的一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，其特征在于，所述的多通道同步扫频锁相放大器(2)具有步进频率扫描测量功能，频率扫描范围为1kHz-100MHz；所述的多通道同步扫频锁相放大器(2)具有两个频率同时测量功能，即单个输入通道中的两个频率信号的幅度和相位可被同时测量出来，两个频率测量的交叉干扰小于-60dB。
3.根据权利要求1或2所述的一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，其特征在于，所述的短波长半导体激光器(4)与所述长波长半导体激光器(5)的中心波长差为100nm，使所述短波长半导体激光器(4)的斯托克斯拉曼散射光与所述长波长半导体激光器(5)的反斯托克斯拉曼散射光的峰值波长相等。
4.根据权利要求3所述的一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，其特征在于，所述的短波长半导体激光器(4)与所述长波长半导体激光器(5)的中心波长差为100nm，使所述短波长半导体激光器(4)的斯托克斯拉曼散射光与所述长波长半导体激光器(5)的反斯托克斯拉曼散射光的峰值波长相等。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，其特征在于，所述的光纤合波器(6)是一种光纤波分复用器。
6.根据权利要求3所述的一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，其特征在于，所述的光纤合波器(6)是一种光纤波分复用器。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，其特征在于，所述的光纤耦合器(7)的分光比为10:90至50:50。
8.根据权利要求5所述的一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，其特征在于，所述的光纤耦合器(7)的分光比为10:90至50:50。
9.根据权利要求7所述的一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量系统，其特征在于，所述的光探测模块(9)由2个PIN光电二极管、1个雪崩光电二极管和低噪声跨导放大电路组成。
10.一种双光源自校正式光纤分布温度快速测量方法，其特征在于，采用非相干光频域反射技术，同时对两个光源进行不同频率地强度调制，经互相关检测算法对两种频率的后向拉曼散射光进行同时解调，实现对分布温度的高精度和快速测量；具体步骤如下：
首先计算机(1)向多通道同步扫频锁相放大器(2)发出指令；光源驱动电路(3)接收多通道同步扫频锁相放大器(2)产生的两路不同频率的步进频率扫描调制信号分别同时驱动短波长半导体激光器(4)和长波长半导体激光器(5)；然后短波长半导体激光器(4)和长波长半导体激光器(5)的输出光经光纤合波器(6)后合并输入到光纤耦合器(7)，分出的少部分光作为参考光入射到光探测模块(9)，大部分光被拉曼波分复用器(8)反射后入射到测温光纤(10)中；测温光纤(10)中产生的后向拉曼散射光经拉曼波分复用器(8)滤出后入射到光探测模块(9)；同时测温光纤(10)中产生的后向瑞利散射光被拉曼波分复用器(8)反射后，经过光纤耦合器(7)后分出的部分光入射到光探测模块(9)；光探测模块(9)将接收到的参考光、拉曼散射光和瑞利散射光转换成电信号输入到多通道同步扫频锁相放大器(2)；多通道同步扫频锁相放大器(2)对光电信号中同时包含的两种调制频率的微弱信号进行同时解调后，将所有频率扫描后的测量结果传输给计算机(1)；最后计算机(1)通过反傅里叶变换算法恢复出两条瑞利散射曲线和两条后向拉曼散射曲线后，进行自校正分布温度解调并显示。
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