CN101162175A - 集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，包括分布式光纤拉曼光子温度传感器，分布式光纤拉曼放大器以及光纤光栅窄带反射滤波器。采用在分布式光纤拉曼光子温度传感器中嵌入分布式光纤拉曼放大器，利用放大器的增益克服了光纤损耗，增强了光纤中自发拉曼散射光的强度，提高了分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的信噪比，增大了分布式光纤拉曼光子温度传感器的传输距离，提高了温度测量精度。本发明巧妙地利用了光纤受激拉曼散射效应，光纤自发拉曼散射效应和光时域反射原理，将分布式光纤拉曼放大器与分布式光纤拉曼温度传感器技术融合在一起，实现了超远程分布式光纤拉曼温度传感器。

Description

集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器

技术领域

本发明涉及集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

在分布式光纤传感器中，利用光纤自发拉曼散射光強度受温度调制的原理和光时域反射原理组成的分布式光纤拉曼光子温度传感器，具有广阔的应用市场。国内外现有的分布式光纤拉曼光子温度传感器由于受到系统信噪比的限制，最大测量距离为30km。本发明人曾利用光纤自发拉曼散射放大的原理改善了系统的信噪比(张在宣，王剑锋，刘红林，余向东等，Insoo S.KIM，30km远程分布光纤拉曼温度传感器系统的实验研究，中国激光，2004，31(5)：613-616.EI(433813429))，最大测量距离为31km，有所改善，但没有突破＞30km的范围。

发明内容

本发明的目的是为了提高分布式光纤拉曼光子温度传感器的测量范围和测量精度，提供一种集成光纤拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器。

为达到上述目的，本发明采取的技术解决方案是在分布式光纤拉曼光子温度传感器中嵌入分布式光纤拉曼放大器。集成光纤拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器包括分布式光纤拉曼光子温度传感器，分布式光纤拉曼放大器以及50km单模光纤和光纤光栅窄带反射滤波器，分布式光纤拉曼光子温度传感器由半导体脉冲激光器，1×2光纤双向耦合器，波分复用器，反斯托克斯散射光滤波器，斯托克斯拉曼散射光滤波器和两个光电雪崩二极管组成，分布式光纤拉曼放大器由泵浦光纤激光器和泵浦-信号光纤耦合器组成；半导体脉冲激光器和泵浦光纤激光器分别与泵浦-信号光纤耦合器的输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器的输出端与1×2光纤双向耦合器的输入端相连，1×2光纤双向耦合器的一个输出端与50km单模光纤相连，光纤1×2双向耦合器的另一个输出端与光纤光栅窄带反射滤波器的输入端相连，光纤光栅窄带反射滤波器的输出端与波分复用器的输入端连接，波分复用器输出的背向拉曼散射光分成两路，其中，一路为反斯托克斯拉曼散射光，经反斯托克斯散射光滤波器与将光信号转换成电信号，并进行放大的第一光电雪崩二极管相连，另一路为斯托克斯拉曼散射光，经斯托克斯拉曼散射光滤波器与将光信号转换成电信号，并进行放大的第二光电雪崩二极管相连。

工作原理如下：

半导体脉冲激光器和泵浦光纤激光器产生的激光经泵浦-信号光纤耦合器和1×2光纤双向耦合器耦合后输入50km单模光纤，50km单模光纤各段上产生的放大的背向瑞利(Rayleigh)散射光、背向斯托克斯和反斯托克斯拉曼(Raman)散射光经1×2光纤双向耦合器输入到光纤光栅窄带反射滤波器，利用光纤光栅窄带反射滤波器抑制泵浦光纤激光器在50km单模光纤中产生的背向瑞利散射光，同时让50km单模光纤各段上产生的放大的自发拉曼散射光通过，并进入到波分复用器，由波分复用器将背向自发拉曼散射光分成两路，一路背向反斯托克斯拉曼散射光，经反斯托克斯拉曼散射光滤波器滤波后进入第一光电雪崩二极管，转换成电信号V_a，并进行放大，另一路背向斯托克斯拉曼散射光经斯托克斯拉曼散射光滤波器滤波后进入第二光电雪崩二极管，转换成电信号V_s，并进行放大。测量两个光电雪崩二极管输出的电信号的比值

从电信号的比值与温度的关系(见式1)，可以得到光纤各段处的温度，从而获得空间的温度场分布T。

$\frac{1}{T}=\frac{k}{\mathrm{h\Δv}}[\ln \frac{V_a\left(T\right)}{V_s\left(T\right)}+4\left(\frac{v_s}{v_a}\right)]---------\left(1\right)$

v_a＝v₀+Δv

v_s＝v₀-Δv

式中k为波尔兹曼常数，h为普朗克常数，v_a和v_s分别为光纤上各段的反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射频率，v₀为半导体脉冲激光器的频率，Δv为光纤分子振动能级的频率。

50km单模光纤上各段的的自发拉曼散射光强度受到温度的调制，光纤上各段的温度不同，它的拉曼散射光强度也不同，因此可以利用光纤的自发拉曼散射温度效应和光纤时域反射(OTDR)原理来制造分布式光纤拉曼光子温度传感器，由光纤时域反射(OTDR)原理对各段光纤的位置进行定位。

本发明的有益效果在于：

本发明采用在分布式光纤拉曼光子温度传感器中嵌入分布式光纤拉曼放大器，利用分布式光纤拉曼放大器在光纤中产生光的放大，使分布式光纤拉曼光子温度传感器中半导体脉冲激光不断地获得分布式光纤拉曼放大器的放大，由于放大器的增益克服了光纤损耗，增强了光纤中自发拉曼散射光的强度，提高了分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的信噪比，增大了分布式光纤拉曼光子温度传感器的传输距离，提高了测量距离和温度测量精度。本发明巧妙地利用了光纤受激拉曼散射效应和光纤自发拉曼散射效应，将分布式光纤拉曼放大器与分布式光纤拉曼温度传感器技术融合在一起，实现了超远程分布式光纤拉曼温度传感器。

附图说明

图1是本发明的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器的示意图。

具体实施方式

参照图1，发明的集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，包括分布式光纤拉曼光子温度传感器，分布式光纤拉曼放大器以及50km单模光纤24和光纤光栅窄带反射滤波器25，分布式光纤拉曼光子温度传感器由半导体脉冲激光器20，1×2光纤双向耦合器23，波分复用器26，反斯托克斯散射光滤波器27，斯托克斯拉曼散射光滤波器28和两个光电雪崩二极管29，30组成，分布式光纤拉曼放大器由泵浦光纤激光器21和泵浦-信号光纤耦合器22组成；半导体脉冲激光器20和泵浦光纤激光器21分别与泵浦-信号光纤耦合器22的输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器22的输出端与1×2光纤双向耦合器23的输入端相连，1×2光纤双向耦合器23的一个输出端与50km单模光纤24相连，50km单模光纤24上各段的背向瑞利散射光、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光通过光纤1×2双向耦合器23的另一个输出端与光纤光栅窄带反射滤波器25的输入端相连，光纤光栅窄带反射滤波器25的输出端与波分复用器26的输入端连接，波分复用器26输出的背向散射光分成两路，一路背向反斯托克斯散射光经反斯托克斯散射光滤波器27与将光信号转换成电信号，并进行放大的第一光电雪崩二极管29相连，另一路背向斯托克斯拉曼散射光经斯托克斯拉曼散射光滤波器28与将光信号转换成电信号，并进行放大的第二光电雪崩二极管30相连。

本发明中，所说的半导体脉冲激光器20可以采用脉冲宽度小于30ns，波长为1550nm的半导体法布利-白洛(FP)腔的高功率光纤激光器。

泵浦光纤激光器2 1可以采用波长为1455nm功率可调光纤拉曼激光器。

光纤光栅窄带反射滤波器25可以采用波长为1455nm，窄带光谱间隔为1nm，反射率高于99.5％，隔离度大于35dB的光纤光栅滤波器。

波分复用器26可以采用分隔开波长为1450nm谱带反斯托克斯散光和波长为1660nm谱带斯托克斯拉曼散射波的波分复用器。

反斯托克斯散射波滤波器27可以采用波长为1450nm，带宽＞30nm、隔离度＞30dB的滤波器。斯托克斯拉曼散射波的滤波器28可以采用波长为1660nm，寬带＞30nm、隔离度＞30dB的滤波器。

Claims (7)

1.集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，其特征是包括分布式光纤拉曼光子温度传感器，分布式光纤拉曼放大器以及50km单模光纤(24)和光纤光栅窄带反射滤波器(25)，分布式光纤拉曼光子温度传感器由半导体脉冲激光器(20)，1×2光纤双向耦合器(23)，波分复用器(26)，反斯托克斯散射光滤波器(27)，斯托克斯拉曼散射光滤波器(28)和两个光电雪崩二极管(29)，(30)组成，分布式光纤拉曼放大器由泵浦光纤激光器(21)和泵浦-信号光纤耦合器(22)组成；半导体脉冲激光器(20)和泵浦光纤激光器(21)分别与泵浦-信号光纤耦合器(22)的输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器(22)的输出端与1×2光纤双向耦合器(23)的输入端相连，1×2光纤双向耦合器(23)的一个输出端与50km单模光纤(24)相连，光纤1×2双向耦合器(23)的另一个输出端与光纤光栅窄带反射滤波器(25)的输入端相连，光纤光栅窄带反射滤波器(25)的输出端与波分复用器(26)的输入端连接，波分复用器(26)输出的背向拉曼散射光分成两路，其中，一路为反斯托克斯拉曼散射光，经反斯托克斯散射光滤波器(27)与将光信号转换成电信号，并进行放大的第一光电雪崩二极管(29)相连，另一路为斯托克斯拉曼散射光，经斯托克斯拉曼散射光滤波器(28)与将光信号转换成电信号，并进行放大的第二光电雪崩二极管(30)相连。

2.根据权利要求1所述的集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，其特征在于所说的半导体脉冲激光器(20)是脉冲宽度小于30ns，波长为1550nm的半导体法布利-白洛腔的高功率光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，其特征在于泵浦光纤激光器(21)是波长为1455nm的功率可调的光纤拉曼激光器。

4.根据权利要求1所述的集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，其特征在于光纤光栅窄带反射滤波器(25)是波长为1455nm，窄带光谱间隔为1nm，反射率高于99.5％，隔离度大于35dB的光纤光栅滤波器。

5.根据权利要求1所述的集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，其特征在于波分复用器(26)是分隔开波长为1450nm谱带反斯托克斯散光和波长为1660nm谱带斯托克斯拉曼散射波的波分复用器。

6.根据权利要求1所述的集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，其特征在于反斯托克斯散射波滤波器(27)是波长为1450nm，带宽＞30nm、隔离度＞30dB的滤波器。

7.根据权利要求1所述的集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器，其特征在于斯托克斯拉曼散射波的滤波器(28)是波长为1660nm，寬带＞30nm、隔离度＞30dB的滤波器。

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