CN212340434U - 一种具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，包括飞秒激光器、一级光纤分路器、太赫兹光谱单元、脉冲光调制单元、分布式光纤传感器单元和信号采集处理单元，一级光纤分路器将飞秒激光器产生的飞秒脉冲激光分为激发光和激励光，激发光传输到太赫兹光谱单元产生携带样品信息的电流信号，激励光经脉冲光调制单元调制为调制脉冲光，调制脉冲光输送到分布式光纤传感器单元产生携带温度信息的模拟信号，信号采集处理单元采集并处理携带样品信息的电流信号和/或携带温度信息的模拟信号。成功将飞秒激光应用于分布式光纤温度传感系统中，提出了完整的飞秒脉冲光调制和管理方案，实现了对飞秒激光器的多系统复用。

Description

一种具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统

技术领域：

本实用新型属于太赫兹光谱和成像技术领域，具体涉及一种具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统。

背景技术：

全光纤太赫兹时域光谱和太赫兹成像系统作为太赫兹技术商品化程度最高的产品，源于太赫兹波的低光子能量、特殊穿透性、指纹谱特性以及全光纤耦合结构灵活性等优点，在工业无损检测、过程质量控制等众多场景具有广阔的应用潜力。然而，太赫兹产品所提供的测量参数并不能完全满足工业制造过程综合监测从而实现提质增效的目的，太赫兹系统本身性能受温度的影响，某些待测物质在不同温度下会表现出不同的属性，而现有的太赫兹时域光谱系统难以直接得到温度参数，缺乏温度校正和标引的太赫兹光谱数据准确性有待提高。此外，高昂的价格也往往成为制约其应用推广的原因。

分布式光纤传感技术作为近年来迅速发展的新型传感技术，是伴随着光纤技术和光纤通信技术的进步而成长起来的。光纤传感器优势明显，普通单模光纤在高温高压、电磁辐射、腐蚀等各种恶劣环境下均可稳定工作，得益于光纤巨大的信息容量，使其作为传感器具有传统传感器无法比拟的巨大优势。在众多光纤传感技术中，分布式光纤温度传感系统(DTS)是商用化最为成熟的代表，一根长度为1000m的光纤就可实现至少1000个温度点的实时监测，其在消防安全、电力、管道、生产过程温度监测中取得了很好的应用效果。专利CN103207033A公开了一种同时测量温度和应变的分光式光纤传感装置，窄线宽激光器产生的入射光经过隔离器后，再经过所述耦合器分为两个支路，第一支路经所述脉冲光产生装置调制为脉冲光，再经过所述掺饵光纤放大器放大后作为脉冲泵浦光连接所述环形器的第一端口，所述环形器的第二端口接入所述传感光纤的一端；第二支路经过所述移频装置移频作为移频后的探测光接入所述传感光纤的另一端，所述的环形器的第三端口连接所述光电探测器进行光电转换，最后由所述数据采集卡和计算机得到所述传感光纤的布里渊频移量；所述两个窄线宽激光器为不同时接入的不同波长的窄线宽激光器，在工作时首先接入第一个波长下的窄线宽激光器进行测量，然后再接入第二个波长下的窄线宽激光器进行测量。

实用新型内容：

本实用新型目的在于克服现有技术存在的缺点，目的一在于提供一种可同时进行太赫兹光谱和成像以及分布式温度测量的综合监测系统，以克服当前两独立系统测量参数单一，性价比不高的缺陷，目的二在于提供一种具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，将温度参数引入太赫兹分析过程中，实现太赫兹系统的温度校正，同时将分析得到的结果与温度对应，提高结果的准确性。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的一种具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统包括飞秒激光器、一级光纤分路器、太赫兹光谱单元、脉冲光调制单元、分布式光纤传感器单元和信号采集处理单元，一级光纤分路器与飞秒激光器连接，将飞秒激光器产生的飞秒脉冲激光分为激发光和激励光，一级光纤分路器的激发光输出端与太赫兹光谱单元连接，激发光传输到太赫兹光谱单元产生携带样品信息的电流信号，一级光纤分路器的激励光输出端与脉冲光调制单元连接，激励光经脉冲光调制单元调制为调制脉冲光，分布式光纤传感器单元与脉冲光调制单元连接，调制脉冲光输送到分布式光纤传感器单元产生携带温度信息的模拟信号，信号采集处理单元分别与太赫兹光谱单元和分布式光纤传感器单元连接，采集并处理携带样品信息的电流信号和/或携带温度信息的模拟信号。其中，脉冲光调制单元和分布式光纤传感器单元构成分布式温度传感系统，

具体地，所述脉冲光调制单元包括光纤隔离器、脉冲展宽装置和电光调制器，光纤隔离器与一级光纤分路激励光输出端连接，约束激光传输方向，脉冲展宽装置和光纤隔离器连接，对飞秒激光脉冲进行定量展宽，将飞秒级脉冲展宽至纳秒级，电光调制器和脉冲展宽装置连接，用于飞秒脉冲序列的幅度调制，得到调制脉冲光。

具体地，所述分布式光纤传感器单元包括粗波分复用器、感温光纤和光电探测器，粗波分复用器和电光调制器连接，粗波分复用器通过第二端口与电光调制器连接，感温光纤与粗波分复用器的第一端口连接，调制脉冲光在光纤中的传输，产生反斯托克斯光，携带光纤不同位置温度信息的反斯托克斯光返回粗波分复用器，光电探测器与粗波分复用器的第三端口连接，在与输出调制信号同步脉冲触发下，将返回的携带光纤不同位置温度信息的反斯托克斯光进行光电转换，输出模拟信号。

具体地，所述太赫兹光谱单元包括二级光纤分路器、光纤延迟线、调制偏压源、太赫兹发射天线和太赫兹探测天线，二级光纤分路器与一级光纤分路的激发光输出端连接，将激发光分为泵浦光和探测光，二级光纤分路器的泵浦光输出端与太赫兹发射天线连接，调制偏压源与太赫兹发射天线连接，用于产生偏置电压，二级光纤分路器探测光输出端通过光纤延迟线与太赫兹探测天线连接，在泵浦光和调制偏压源的共同作用下，太赫兹发射天线产生脉冲太赫兹波，太赫兹波经过自由光路准直后再重新聚焦到太赫兹探测天线上，与此同时，经过二级光纤分路器输出的探测光通过光纤延迟线后在太赫兹探测天线上相遇，并在光电导天线产生自由载流子，自由载流子在太赫兹探测天线产生感应电场下产生迁移，形成与太赫兹信号强度成正比的电流信号。

具体地，所述信号采集处理单元包括信号采集和数据处理单元以及PC机，信号采集和数据处理单元与太赫兹探测天线连接，采集与太赫兹信号强度成正比的电流信号，信号采集和数据处理单元与飞秒激光器连接，控制飞秒脉冲激光的产生，信号采集和数据处理单元与调制偏压源连接，控制偏置电压的产生，信号采集和数据处理单元与电光调制器连接，发送给电光调制器调制信号，信号采集和数据处理单元与光电探测器连接，采集输出的模拟信号，PC机与信号采集和数据处理单元连接，用于综合系统的数据处理、分析、可视化展示以及存储。为避免不同系统间的流程交叉，信号采集和数据处理单元包含异步模式工作的两路调制信号输出和两个采集通道，其中一路调制信号输出与飞秒激光器、调制偏压源连接，其中一个采集通道与太赫兹探测天线连接，另一路调制信号输出与电光调制器连接，另一个采集通道与光电探测器连接。

具体地，光电探测器为APD探测器。

进一步地，经过一级光纤分路器后，用于太赫兹光谱和成像系统的光功率一般不小于80mw，用于光纤温度传感系统的光功率一般不大于10mw，经过电光调制器后的平均功率不大于2mw。

进一步地，为保证传感系统良好的信噪比水平，电光调制器的消光比参数不小于35dB。

进一步地，在隔离器4前放置光纤扰偏器，将线偏振光转化为自然偏振光。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过感温光纤获取待测物质的温度，太赫兹光谱和成像系统可实现对被测对象的添加热力图的多维度成像，可作为温度敏感样品的光谱分析辅助参量输入，为样品分析提供更多参数，使太赫兹光谱和成像系统测量更加准确

2、成功将飞秒激光应用于分布式光纤温度传感系统中，提出了完整的飞秒脉冲光调制和管理方案，实现了对飞秒激光器的多系统复用，解决了飞秒激光器难以直接应用于光纤温度传感系统的问题，在实现更加丰富的系统功能的同时，有利于节约资源，降低能耗。

3、实现了光纤集成太赫兹时域光谱和成像系统与分布式光纤温度传感系统的融合，实现了关键资源共享，形成了多参量输出的太赫兹系统，有利于实现更加准确的测量，同时满足综合监测的需求，具有更广泛的应用场景适用性。

附图说明：

图1为本实用新型涉及的具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统结构原理图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的一种具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，包括飞秒激光器1、一级光纤分路器2、二级光纤分路器3、光纤隔离器4、脉冲展宽装置5、电光调制器6、光纤延迟线7、调制偏压源8、粗波分复用器(CWDM)9、太赫兹发射天线10、太赫兹探测天线11、感温光纤13、APD光电探测器12、信号采集和数据处理单元14以及PC机15，

各单元功能如下：

飞秒激光器1作用为产生飞秒脉冲激光信号，用作光电导天线的激发源以及分布式温度传感系统的激励光源；

一级光纤分路器2用于对激光器输出分光，分光比例一般设置为1:19，其中5％分光用于温度检测，95％分光用于太赫兹信号采集；

二级光纤分路器3根据太赫兹发射天线和探测天线衰减情况，对前级输入进行二次分光。分光比例一般设置为3:7，其中30％分光用于发射天线的激光输入，70％分光用于探测天线激光输入；

光纤隔离器4用于约束激光传输方向，避免回波返回激光器对器件造成损伤；

脉冲展宽装置5用于对飞秒激光脉冲进行定量展宽，可采用啁啾体布拉格光栅、体全息衍射光栅等器件；

电光调制器6用于飞秒脉冲序列的幅度调制，进行脉冲选择，降低重频；

光纤延迟线7用于太赫兹系统探测光路的时间延迟，实现脉冲扫描；

调制偏压源8为太赫兹系统发射天线提供偏置电压；

粗波分复用器(CWDM)9为3端口器件，用于波长选择和光路引导，粗波分复用器(CWDM)9包括第一端口、第二端口和第三端口，具体地，粗波分复用器通9过第二端口与电光调制器连接，感温光纤与粗波分复用器的第一端口连接，调制脉冲光在光纤中的传输，产生反斯托克斯光，携带光纤不同位置温度信息的反斯托克斯光通过第一端口返回粗波分复用器，APD光电探测器与粗波分复用器的第三端口连接，在与输出调制信号同步脉冲触发下，将返回的携带光纤不同位置温度信息的反斯托克斯光进行光电转换，输出模拟信号。具体地，第一端口为com端口、第二端口为1550nm端口和第三端口为1451nm端口；

太赫兹发射天线10用于太赫兹波的产生；

太赫兹探测天线11用于太赫兹波的探测；

APD光电探测器12用于拉曼散射信号(反斯托克斯光)的探测；

感温光纤13作为温度传感器，用于探测对象的温度感知；

信号采集和数据处理单元14用于同步信号产生、数据采集和控制、信号预处理以及与上位PC机的通信；

PC机15用于综合系统的数据处理、分析、可视化展示以及存储等。

一种具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，其工作原理如下：

飞秒激光器1发出的飞秒激光经过一级光纤分路器2后分为两束光，分光比例一般设置为1：19，其中95％一侧输出经过二级光纤分路器3后进一步进行分光，分光比例设置为一般设置为3:7。其中30％分光经过一段色散补偿光纤进入太赫兹发射天线10，太赫兹发射天线10在飞秒激励脉冲和偏压源8的共同作用下产生脉冲太赫兹波，太赫兹波经过自由光路准直后再重新聚焦到太赫兹探测天线11上。与此同时，经过二级光纤分路器输出的70％光通过光纤延迟线7后在太赫兹探测天线11上相遇，并在光电导天线产生自由载流子，自由载流子在太赫兹探测天线11产生感应电场下产生迁移，形成与太赫兹信号强度成正比的电流信号，进而进入信号采集和数据处理单元14进行采集和预处理，最后送入PC机15进行信号处理和可视化展示。改变光纤延迟线的延迟量，可获得完整的太赫兹波形。结合外部扫描平移台，可实现一定面积的样品扫描，实现太赫兹成像功能。以上就是太赫兹光谱和成像系统单元实现原理。

一级光纤分路器的5％一侧输出首先进入光纤隔离器4以约束光的传播方向，避免回波对激光器产生损伤。光纤隔离器4输出光进入脉冲展宽装置5(脉冲展宽装置可采用啁啾体布拉格光栅、体全息衍射光栅等器件)进行展宽，将飞秒级脉冲展宽至纳秒级，以降低单脉冲的峰值功率，避免激发光纤内的多种非线性效应。经脉冲展宽装置5输出的光进一步进入电光调制器6进行幅度调制，调制信号由信号采集和数据处理单元14输出，重复频率设置为10kHz～100kHz(依据感温光纤长度确定)，开启时间设置为10ns。高重频的准连续脉冲激光序列(一般为100MHz)经过调制后将变为重频为数kHz、宽度时间为10ns的调制脉冲内准连续光，以下简称调制脉冲光。调制脉冲光继续输入粗波分复用器(CWDM)9的1550nm端口，端口带宽设置为7nm，以对输入的宽带飞秒脉冲光进行滤波处理，缩减脉冲的频域宽度，同时进一步展宽脉冲(仍为ns级)。调制脉冲光继续传输，将通过粗波分复用器(CWDM)9的com端口输出并注入到感温光纤13中，调制脉冲光在感温光纤13中传输，会与感温光纤13相互作用激发自发拉曼散射，拉曼散射包含两个分支，其中一个分支吸收一个光学声子产生上频移，即波长为1451nm的反斯托克斯光，另外一个分支释放一个光学声子产生下频移，即波长为1663nm的斯托克斯光。其中，反斯托克斯光对温度是敏感的，其强度将受到温度调制，携带光纤沿线不同位置温度信息的反斯托克斯光沿光纤向后传输，再次进入粗波分复用器(CWDM)9的com端口，进而经由粗波分复用器(CWDM)9的1451nm端口输出，进入APD光电探测器12，并在与输出调制信号同步脉冲(与用于电光调制器输入的信号同步的脉冲信号)触发下进行光电转换，APD光电探测器12输出的模拟信号进入信号采集和数据处理单元14进行采集和预处理，最后送入PC机15进行信号处理和可视化展示。以上就是分布式光纤温度传感系统单元实现原理。

进一步说明，经过一级光纤分路器后，用于太赫兹光谱和成像系统的光功率一般不小于80mw，已确保达到太赫兹天线上足够的脉冲能量，用于光纤温度传感系统的光功率一般不大于10mw，经过电光调制器6后的平均功率不大于2mw，以避免超过长距离光纤的非线性阈值，导致多种非线性效应的产生，影响拉曼信号的有效采集。

进一步说明，为保证传感系统良好的信噪比水平，电光调制器6的消光比参数不小于35dB；

进一步说明，为消除传感系统的偏振相关噪声，可在隔离器4前放置光纤扰偏器，将线偏振光转化为自然偏振光；

进一步说明，信号采集和数据处理单元14作为核心控制单元，包含两路调制信号输出和两个采集通道，为避免不同系统间的流程交叉，应工作在异步模式下；

进一步说明，由于增加了分布式测温功能，太赫兹光谱和成像系统可实现对被测对象的添加热力图的多维度成像，可作为温度敏感样品的光谱分析辅助参量输入，为样品分析提供更多参数，使太赫兹光谱和成像系统测量更加准确。

本方案系统的创新点首先在于，首次实现了光纤集成太赫兹时域光谱和成像系统与分布式光纤温度传感系统的融合，实现了关键资源共享，形成了多参量输出的太赫兹系统，有利于实现更加准确的测量，同时满足综合监测的需求，具有更广泛的应用场景适用性。

本方案系统的创新点还在于，首次将飞秒激光应用于分布式光纤温度传感系统中，提出了完整的飞秒脉冲光调制和管理方案，实现了对飞秒激光器的多系统复用，在实现更加丰富的系统功能的同时，有利于节约资源，降低能耗。

Claims (8)

1.一种具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，其特征在于，包括飞秒激光器、一级光纤分路器、太赫兹光谱单元、脉冲光调制单元、分布式光纤传感器单元和信号采集处理单元，一级光纤分路器将飞秒激光器产生的飞秒脉冲激光分为激发光和激励光，激发光传输到太赫兹光谱单元产生携带样品信息的电流信号，激励光经脉冲光调制单元调制为调制脉冲光，调制脉冲光输送到分布式光纤传感器单元产生携带温度信息的模拟信号，信号采集处理单元分别与太赫兹光谱单元和分布式光纤传感器单元连接，采集并处理携带样品信息的电流信号和/或携带温度信息的模拟信号。

2.根据权利要求1所述的具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，其特征在于，所述脉冲光调制单元包括光纤隔离器、脉冲展宽装置和电光调制器，光纤隔离器与一级光纤分路激励光输出端连接，约束激光传输方向，脉冲展宽装置和光纤隔离器连接，对飞秒激光脉冲进行定量展宽，将飞秒级脉冲展宽至纳秒级，电光调制器和脉冲展宽装置连接，用于飞秒脉冲序列的幅度调制，得到调制脉冲光。

3.根据权利要求2所述的具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，其特征在于，所述分布式光纤传感器单元包括粗波分复用器、感温光纤和光电探测器，粗波分复用器和电光调制器连接，粗波分复用器通过第二端口与电光调制器连接，感温光纤与粗波分复用器的第一端口连接，调制脉冲光在光纤中的传输，产生反斯托克斯光，携带光纤不同位置温度信息的反斯托克斯光返回粗波分复用器，光电探测器与粗波分复用器的第三端口连接，在与输出调制信号同步脉冲触发下，将返回的携带光纤不同位置温度信息的反斯托克斯光进行光电转换，输出模拟信号。

4.根据权利要求3所述的具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，其特征在于，所述太赫兹光谱单元包括二级光纤分路器、光纤延迟线、调制偏压源、太赫兹发射天线和太赫兹探测天线，二级光纤分路器与一级光纤分路的激发光输出端连接，将激发光分为泵浦光和探测光，二级光纤分路器的泵浦光输出端与太赫兹发射天线连接，调制偏压源与太赫兹发射天线连接，用于产生偏置电压，二级光纤分路器探测光输出端通过光纤延迟线与太赫兹探测天线连接，在泵浦光和调制偏压源的共同作用下，太赫兹发射天线产生脉冲太赫兹波，太赫兹波经过自由光路准直后再重新聚焦到太赫兹探测天线上，与此同时，经过二级光纤分路器输出的探测光通过光纤延迟线后在太赫兹探测天线上相遇，并在光电导天线产生自由载流子，自由载流子在太赫兹探测天线产生感应电场下产生迁移，形成与太赫兹信号强度成正比的电流信号。

5.根据权利要求4所述的具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，其特征在于，所述信号采集处理单元包括信号采集和数据处理单元以及PC机，信号采集和数据处理单元与太赫兹探测天线连接，采集与太赫兹信号强度成正比的电流信号，信号采集和数据处理单元与飞秒激光器连接，控制飞秒脉冲激光的产生，信号采集和数据处理单元与调制偏压源连接，控制偏置电压的产生，信号采集和数据处理单元与电光调制器连接，发送给电光调制器调制信号，信号采集和数据处理单元与光电探测器连接，采集输出的模拟信号，PC机与信号采集和数据处理单元连接，用于综合系统的数据处理、分析、可视化展示以及存储，为避免不同系统间的流程交叉，信号采集和数据处理单元包含异步模式工作的两路调制信号输出和两个采集通道，其中一路调制信号输出与飞秒激光器、调制偏压源连接，其中一个采集通道与太赫兹探测天线连接，另一路调制信号输出与电光调制器连接，另一个采集通道与光电探测器连接。

6.根据权利要求5所述的具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，其特征在于，经过一级光纤分路器后，用于太赫兹光谱和成像系统的光功率一般不小于80mw，用于光纤温度传感系统的光功率一般不大于10mw，经过电光调制器后的平均功率不大于2mw。

7.根据权利要求6所述的具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，其特征在于，电光调制器的消光比参数不小于35dB。

8.根据权利要求7所述的具有分布式测温功能的太赫兹时域光谱和成像系统，其特征在于，在隔离器前放置光纤扰偏器，将线偏振光转化为自然偏振光。

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