CN101639388B - 拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包括由驱动电源、电子开关、主激光器和副激光器组成的拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块，集成型光纤波分复用器，两个光纤光电接收放大模块，数字信号处理器，显示器和本征型测温光纤。它可以自校正在现场使用的测温光纤、光缆由于弯曲或受压拉伸而造成的随机损耗，克服了测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号信道时非线性而造成的测温误差。本发明成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好。适用于中、短程100m-15km在线温度监测。

Description

拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是分布式光纤拉曼温度传感器。

背景技术

近年来，利用光纤拉曼散射光强度受温度调制的效应和光时域反射(OTDR)原理研制成分布式光纤拉曼温度传感器，它可以在线实时预报现场的温度和温度变化的取向，在线监测现场温度的变化，在一定的温度范围设置报警温度，是一种本质安全型的线型感温探测器，已在电力工业、石化企业、大型土木工程和在线灾害监测等领域成功地应用。

由于各个波段的光纤损耗是不同的，即光纤损耗存在光谱效应，在分布式光纤拉曼温度传感器中用反斯托克斯拉曼散射光作为测量温度信号信道，用斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考信道，由于两个信道在不同波段，测温光纤的损耗不同，在测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号信道时出现非线性现象，造成温度解调曲线扭曲而引起的测温误差，降低了测温精度，对于固定的波长的光纤损耗可以在解调过程中进行人为校正。

但在现场使用测温光纤、光缆，由于各个波段的光纤、光缆弯曲和受压拉伸造成的损耗不同，而且光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸大小和位置均有随机性，难以人为校正，需要采用自校正的办法。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好的拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，可以自校正由于在现场使用测温光纤光缆的弯曲和受压拉伸大小而产生的非线性损耗，而造成温度解调曲线的扭曲而引起的测温误差。

本发明的拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包括由驱动电源、电子开关、主激光器和副激光器组成的拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块，集成型光纤波分复用器，两个光纤光电接收放大模块，数字信号处理器，显示器和本征型测温光纤；拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块中的主激光器和副激光器由电子开关控制交替接通电源，集成型光纤波分复用器具有五个端口，其中二个输入端分别与拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块中的主激光器的输出端和副激光器的输出端相连，集成型光纤波分复用器的三个输出端分别与本征型测温光纤及两个光纤光电接收放大模块的一端相连，两个光纤光电接收放大模块的另一端分别与数字信号处理器的输入端相连，数字信号处理器(18)的输出端连接显示器。

上述主、副两个激光器可以采用中心波长分别为1550nm与1450nm，或为1660nm与1550nm，或为1064nm与1013nm，或为980nm与940nm，或为950nm与905nm的光纤脉冲激光器，均能满足拉曼频移相关的双波长条件。

主、副两个激光器由重复频率为5kHz驱动源同步驱动，由电子开关控制交替接通电源，切换两个光纤脉冲激光器轮流工作，一般交替接通电源的时间间隔为10～30秒。

本发明中，所说的集成型光纤波分复用器由光纤合波器、光纤双向耦合器、光纤平行光路、中心波长为主激光器的反斯托克斯拉曼散射光的宽带滤光片和中心波长为副激光器的斯托克斯拉曼散射光的宽带滤光片组成。

本发明中，所说的两个光纤光电接收放大模块分别由光纤连接的InGaAs(铟镓砷)光电雪崩二极管、MAX4107前置放大器和主放大器构成。

本发明中，所说的本征型测温光纤是长度为100m～15km的光通信用62.5/125多模光纤或G652单模光纤。

本征型测温光纤铺设在测温现场，测温光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀，光纤既是传输介质又是传感介质。拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块发出的激光脉冲分别轮流通过集成型光纤波分复用器射入本征型测温光纤，在本征型测温光纤上产生的主激光的反斯托克斯拉曼光子波经集成型光纤波分复用器分束，进入第一光纤光电接收放大模块，转换成模拟电信号并放大。本征型测温光纤上产生的副激光的斯托克斯拉曼光子波经集成型光纤波分复用器分束，进入第二光纤光电接收放大模块，转换成模拟电信号并放大。由背向的反斯托克斯拉曼光和斯托克斯拉曼光光电信号的强度比，得到光纤各段的温度信息，给出本征型温光纤上各点(小段)的温度，利用光时域反射对感温光纤上拉曼光子感温火灾探测点定位(光纤雷达定位)。通过数字信号处理器解调，经过温度定标，得到本征型测温光纤上各段的温度和温度变化量，测温精度±1℃，在0℃-300℃范围内进行在线温度监测，由显示器显示或通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输。

分布式光纤拉曼温度传感器的测温原理：

光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入本征型测温光纤，激光与光纤分子的非线性相互作用，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，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，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，光纤分子的声子频率为13.2THz。光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼(Boltzmann)定律，反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比R(T)：

$R\left(T\right)=\frac{I_{\mathrm{AS}}}{I_S}={\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_S}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{AS}}}\right)}^4\exp (-\frac{\mathrm{hcv}}{\mathrm{kT}})---\left(1\right)$

其中I_AS，I_S分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光的强度λ_AS，λ_S分别是反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的波长，h是波朗克(Planck)常数，v是一光纤分子的拉曼声子波数为440cm^-1，k是波尔兹曼常数，T是凯尔文(Kelvin)绝对温度。由两者的强度比，得到光纤各段的温度信息。实际应用中必须考虑反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的波长处光纤损耗不同，则(1)改为(2)式

式中

与

为光纤损耗函数，l为光纤长度。

由于各个波段的光纤的损耗是不同的，即光纤损耗存在光谱效应，在分布式光纤拉曼温度传感器中用反斯托克斯拉曼散射光作为测量温度信号信道，用斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考信道，由于两个信道在不同波段，测温光纤的损耗不同，在用参考信道解调温度信号信道时，解调后的光纤温度随光纤长度的分布曲线会偏离线性，造成温度解调曲线的扭曲，引起测温误差，降低测温精度，对于固定的波长的光纤损耗可以在解调过程中进行人为校正。

但在现场使用的测温光纤、光缆，由于各个波段的光纤、光缆弯曲和受压拉伸造成的损耗不同，而且光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸大小和位置均有随机性，难以人为校正，需要采用自校正的办法。

本发明的拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，可以自校正在现场使用测温光纤光缆时由于光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸而造成的非线性损耗，克服了测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号信道时偏离线性而造成造成温度解调曲线的扭曲，引起的测温误差。

拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器的测温原理：

主激光器的背向反斯托克斯拉曼光与副激光器的背向斯托克斯拉曼光强度比

其中，λ_2，S＝λ₁，λ_1，AS＝λ₂，

则(3)式右边与光纤损耗有关部分均抵消了。

$R\left(T\right)=\frac{I_1}{I_2}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^4\exp (-\frac{\mathrm{hcv}}{\mathrm{kT}})---\left(4\right)$

若已知测温光纤前面一段光纤的温度T＝T₀，则由已知拉曼光强度比通过(5)式得到测温光纤上任一小段的温度。

$T=[\frac{1}{T_0}-\frac{k}{\mathrm{hcv}}\ln \left(\frac{R\left(T\right)}{R\left(T_0\right)}\right)]---\left(5\right)$

本发明的有益效果在于：

本发明的拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，可以自校正在现场使用测温光纤光缆时由于光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸而造成的随机损耗，克服了测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号信道时偏离线性造成温度解调曲线的扭曲，引起的测温误差。本发明采用由电子开关控制拉曼相关双波长光源，集成型波分复用器和光电接收放大模块，提高了分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的信噪比，可靠性和空间分辨率；铺设在监测现场的测温光纤是绝缘的，不带电的，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀的，是本质安全型的，光纤既是传输介质又是传感介质，是本征型的测温光纤，并具有30年以上的长寿命，本发明适用于中、短程100m-15公里分布式光纤拉曼温度传感器。

附图说明

图1是拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器的示意图。

具体实施方式

参照图1，拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包括由驱动电源11、电子开关12、主激光器13和副激光器14组成的拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块，集成型光纤波分复用器15，两个光纤光电接收放大模块16、17，数字信号处理器18，显示器19和本征型测温光纤20；拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块中的主激光器13和副激光器14由电子开关12控制交替接通电源，集成型光纤波分复用器15具有五个端口，其中二个输入端分别与拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块中的主激光器13的输出端和副激光器14的输出端相连，集成型光纤波分复用器15的三个输出端分别与本征型测温光纤20及两个光纤光电接收放大模块16、17的一端相连，两个光纤光电接收放大模块16、17的另一端分别与数字信号处理器18的输入端相连，数字信号处理器18的输出端连接显示器19。

图例中，主激光器采用中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为18ns，峰值功率为10W的光纤脉冲激光器；副激光器采用中心波长为1450nm，光谱宽度为3nm，激光脉冲宽度为25ns，峰值功率为4W的光纤脉冲激光器；主、副两个激光器由重复频率为5kHz驱动源同步驱动，由电子开关控制按15秒时间间隔切换两个光纤脉冲激光器轮流工作。

集成型光纤波分复用器由光纤合波器、光纤双向耦合器、光纤平行光路、中心波长为主激光器的反斯托克斯拉曼散射光的宽带滤光片和中心波长为副激光器的斯托克斯拉曼散射光的宽带滤光片组成。其中，主激光器的反斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片的中心波长为1450nm，光谱带宽为36nm，通带波纹＜0.3dB，插入损耗＜0.3dB，对1550nm光的隔离度＞35dB。副激光器的斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片的中心波长为1550nm，光谱带宽为38nm，通带波纹＜0.3dB，插入损耗＜0.3dB，对1450nm光的隔离度＞35dB。

两个光纤光电接收放大模块分别由光纤连接的InGaAs(铟镓砷)光电雪崩二极管、MAX4107前置放大器和主放大器构成。

本征型测温光纤是长度为100m～15km的光通信用62.5/125多模光纤或G652单模光纤。

数字信号处理器采用通用的信号处理卡，插在计算机内。数字信号处理器可采用美国NI公司的双通道100MHz带宽，100MS/s采集率的NI5911型信号处理卡，或采用加拿大GaGe公司双通道，500MS/s采集率的CS21GB-1GHz型信号处理卡。

Claims (4)

1.拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是包括由驱动电源(11)、电子开关(12)、主激光器(13)和副激光器(14)组成的拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块，集成型光纤波分复用器(15)，两个光纤光电接收放大模块(16、17)，数字信号处理器(18)，显示器(19)和本征型测温光纤(20)；拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块中的主激光器(13)和副激光器(14)由电子开关(12)控制交替接通电源，集成型光纤波分复用器(15)由光纤合波器、光纤双向耦合器、光纤平行光路、中心波长为主激光器的反斯托克斯拉曼散射光的宽带滤光片和中心波长为副激光器的斯托克斯拉曼散射光的宽带滤光片组成，具有五个端口，其中二个输入端分别与拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块中的主激光器(13)的输出端和副激光器(14)的输出端相连，集成型光纤波分复用器(15)的三个输出端分别与本征型测温光纤(20)及两个光纤光电接收放大模块(16、17)的一端相连，两个光纤光电接收放大模块(16、17)的另一端分别与数字信号处理器(18)的输入端相连，数字信号处理器(18)的输出端连接显示器(19)。

2.根据权利要求1所述的拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是主、副两个激光器的中心波长分别为1550nm与1450nm，或为1660nm与1550nm，或为1064nm与1013nm，或为980nm与940nm，或为950nm与905nm。

3.根据权利要求1所述的拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是所说的两个光纤光电接收放大模块(16、17)分别由光纤连接的InGaAs光电雪崩二极管、MAX4107前置放大器和主放大器构成。

4.根据权利要求1所述的拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是所说的本征型测温光纤(20)是长度为100m～15km的光通信用62.5/125多模光纤或G652单模光纤。