CN101666689A - 波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统及传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统及传感方法，该系统包括激光器；耦合器的输入端通过光纤与激光器的输出端相连接，反馈端与传感光纤相连；第一APD光接收模块，与耦合器的一个输出端相连；第一APD增益温度自补偿模块，与第一APD光接收模块相连；第二APD光接收模块，与耦合器的另一个输出端相连；第二APD增益温度自补偿模块，与所述第二APD光接收模块相连；双通道AD采集卡，用以将所述第一APD光接收模块和所述第二APD光接收模块的输出信号进行模数转换及数据预处理，获得预处理结果；主机，与双通道AD采集卡相连。本发明优化了系统结构，稳定性和准确性更佳，满足了测量距离为15km空间分辨率为1m的要求。
Description
技术领域
本发明涉及光传感技术领域，具体地说是一种实用的波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统及传感方法。
背景技术
光纤传感器的概念不是新的，早在60年代中期就出现了第一个专利，它包括采用传光束的Fotonic机械位移传感器和采用相位调制的超声波传感器。但是，在更为广阔的领域，即光纤传感技术，取得系列研究却是在10年以后，从那时起光纤技术就突破了那种徘徊不前的状态，进入了一日千里的时代。
光纤传感器的基本原理是：由光源发出的光经过光纤进入调制区，在被测对象的作用下，光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化，使它成为被调制了的信号，再经过光纤送入光探测器和电信号处理装置，最终获得待测对象的信息。
目前，分布式光纤传感技术是光传感技术领域中最有应用前景的，其中高性能分布式光纤温度传感系统通过一次测量，既可获得光纤所经区域温度场的完整信息。然而高性能分布式光纤温度传感系统的探测区域很大，测量光缆越长越好，一般大于10Km，空间分辨率1m，所以系统的接收光信号很弱(小于-60dBm)，实时处理数据很庞大，对光电信号处理系统要求极高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统及传感方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，包括激光器，耦合器，第一APD光接收模块，第一APD增益温度自补偿模块，第二APD光接收模块，第二APD增益温度自补偿模块，双通道AD采集卡，主机：所述激光器用以产生光脉冲；所述耦合器包括一个输入端，一个反馈端和两个输出端；所述耦合器的输入端通过光纤与激光器的输出端相连接，所述耦合器的反馈端与传感光纤相连；第一APD光接收模块，与所述耦合器的一个输出端相连，用以输出Anti-stokes光信号；第一APD增益温度自补偿模块，与所述第一APD光接收模块相连，用以获得第一APD光接收模块硅APD的恒增益电压控制；第二APD光接收模块，与所述耦合器的另一个输出端相连，用以输出stokes光信号；第二APD增益温度自补偿模块，与所述第二APD光接收模块相连，用以获得第二APD光接收模块硅APD的恒增益电压控制；双通道AD采集卡，用以将所述第一APD光接收模块和所述第二APD光接收模块的输出信号进行模数转换及数据预处理，获得预处理结果；主机，与所述双通道AD采集卡相连，用以对所述预处理结果进行信号处理、分析计算，获得对应点的温度场信息。
作为本发明的一种优选方案，所述耦合器为光纤Raman-WDM耦合器，包括光纤环形器，Anti-stokes滤波片，Stokes滤波片，光收集器；光纤环形器与所述传感光纤相连；Anti-stokes滤波片用以分离出Anti-stokes光信号；所述Anti-stokes滤波片的光输入端与所述光纤环形器的输出端相连，Anti-stokes滤波片的透射光输出端与所述第一APD光接收模块相连；Stokes滤波片用以分离出Stokes光信号；所述Stokes滤波片的输入端与所述Anti-stokes滤波片的反射光输出端相连，Stokes滤波片的透射光输出端与所述第二APD光接收模块相连；光收集器与所述Stokes滤波片的反射光输出端相连。
作为本发明的另一种优选方案，所述第一APD光接收模块包括第一光电探测器，第一前级放大电路；第一光电探测器用以将所述Anti-stokes滤波片的透射光输出端输出的Anti-stokes光信号转换为Anti-stokes电信号；第一前级放大电路用以放大所述Anti-stokes电信号。
作为本发明的再一种优选方案，所述第二APD光接收模块包括第二光电探测器，第二前级放大电路；第二光电探测器用以将所述Stokes滤波片的透射光输出端输出的Stokes光信号转换为Stokes电信号；第二前级放大电路用以放大所述Stokes电信号。
作为本发明的再一种优选方案，所述传感系统还包括显示系统，报警系统，存储系统，主控器系统；显示系统与主机相连，用以实现对对应点的温度的实时在线监测；报警系统与主机相连，用以实现对对应点的温度的报警控制；存储系统与主机相连，用以实现对对应点的温度的信息存储；主控器系统与主机相连，用以实现信息共享。
作为本发明的再一种优选方案，所述传感光纤与所述耦合器的反馈端之间还设有参考光纤环和与参考光纤环集成的温度传感器，所述温度传感器用以提供所述传感系统定标需要的温度测量参考值。
作为本发明的再一种优选方案，所述激光器还包括同步信号输出端，用以输出同步信号通知所述双通道AD采集卡开始AD信号采集，所述激光器为大功率窄线宽脉冲光纤激光器。
一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感方法，包括以下步骤：
步骤一，激光器产生光脉冲和同步信号；
步骤二，所述光脉冲经过耦合器进入传感光纤生成后向散射光；
步骤三，所述后向散射光经参考光纤环和温度传感器进入耦合器，所述耦合器输出一个第一光信号，一个第二光信号和一个反馈信号；
步骤四，所述第一光信号进入第一APD光接收模块转换成第一电信号，最后进入双通道AD采集卡；
步骤五，与步骤四同时进行，所述第二光信号进入第二APD光接收模块转换成第二电信号，最后进入双通道AD采集卡；
步骤六，所述同步信号控制双通道AD采集卡对AD信号的采集；
步骤七，主机接收所述双通道AD采集卡采集的数据，并对数据进行数据预处理、数据定标、数据解调、数据修正。
作为本发明的一种优选方案，所述光脉冲的中心波长为1060±2nm，所述第一光信号为Anti-stokes光信号，第一电信号为Anti-stokes电信号，所述第二光信号为Stokes光信号，第二电信号为Stokes电信号。
作为本发明的另一种优选方案，所述耦合器为光纤Raman-WDM耦合器，包括光纤环形器，Anti-stokes滤波片，Stokes滤波片，光收集器；光纤环形器与所述传感光纤相连；Anti-stokes滤波片用以分离出Anti-stokes光信号；所述Anti-stokes滤波片的光输入端与所述光纤环形器的输出端相连，Anti-stokes滤波片的透射光输出端与所述第一APD光接收模块相连；Stokes滤波片用以分离出Stokes光信号；所述Stokes滤波片的输入端与所述Anti-stokes滤波片的反射光输出端相连，Stokes滤波片的透射光输出端与所述第二APD光接收模块相连；光收集器与所述Stokes滤波片的反射光输出端相连。
作为本发明的再一种优选方案，所述第一APD光接收模块包括第一光电探测器，第一前级放大电路；第一光电探测器用以将所述Anti-stokes滤波片的透射光输出端输出的Anti-stokes光信号转换为Anti-stokes电信号；第一前级放大电路用以放大所述Anti-stokes电信号。
作为本发明的再一种优选方案，所述第二APD光接收模块包括第二光电探测器，第二前级放大电路；第二光电探测器用以将所述Stokes滤波片的透射光输出端输出的Stokes光信号转换为Stokes电信号；第二前级放大电路用以放大所述Stokes电信号。
本发明的有益效果在于：本发明优化了系统的软硬件结构，具有更佳的稳定性和准确性，满足了测量距离15km，空间分辨率为1m的测量要求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是实施例中波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统的总体结构示意图；
图2是光纤Raman-WDM耦合器的结构示意图；
图3是高精度APD增益温度自补偿电路示意图；
图4是波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统的软件流程图。
主要组件符号说明：
1、窄线宽脉冲光纤激光器； 32、第一APD增益温度自补偿模块；
2、光纤Raman-WDM耦合器； 41、第二APD光接收模块；
21、光纤环形器； 42、第二APD增益温度自补偿模块；
22、Anti-stokes滤波片； 5、传感光纤；
23、Stokes滤波片； 51、参考温度测量模块；
24、光收集器； 6、参考光纤环；
31、第一APD光接收模块； 7、同步信号输出端。
具体实施方式
实施例一
一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，包括激光器，耦合器，第一APD光接收模块，第一APD增益温度自补偿模块，第二APD光接收模块，第二APD增益温度自补偿模块，双通道AD采集卡，主机：所述激光器用以产生中心波长为1060nm的光脉冲；所述耦合器包括一个输入端，一个反馈端和两个输出端；所述耦合器的输入端通过光纤与激光器的输出端相连接，所述耦合器的反馈端与传感光纤相连；第一APD光接收模块，与所述耦合器的一个输出端相连，用以输出Anti-stokes光信号；第一APD增益温度自补偿模块，与所述第一APD光接收模块相连，用以获得第一APD光接收模块硅APD的恒增益电压控制；第二APD光接收模块，与所述耦合器的另一个输出端相连，用以输出stokes光信号；第二APD增益温度自补偿模块，与所述第二APD光接收模块相连，用以获得第二APD光接收模块硅APD的恒增益电压控制；双通道AD采集卡，用以将所述第一APD光接收模块和所述第二APD光接收模块的输出信号进行模数转换及数据预处理，获得预处理结果；主机，与所述双通道AD采集卡相连，用以对所述预处理结果进行信号处理、分析计算，获得对应点的温度场信息。
所述耦合器为光纤Raman-WDM耦合器，包括光纤环形器，Anti-stokes滤波片，Stokes滤波片，光收集器；光纤环形器与所述传感光纤相连；Anti-stokes滤波片用以分离出Anti-stokes光信号；所述Anti-stokes滤波片的光输入端与所述光纤环形器的输出端相连，Anti-stokes滤波片的透射光输出端与所述第一APD光接收模块相连；Stokes滤波片用以分离出Stokes光信号；所述Stokes滤波片的输入端与所述Anti-stokes滤波片的反射光输出端相连，Stokes滤波片的透射光输出端与所述第二APD光接收模块相连；光收集器与所述Stokes滤波片的反射光输出端相连。
所述第一APD光接收模块包括第一光电探测器，第一前级放大电路；第一光电探测器用以将所述Anti-stokes滤波片的透射光输出端输出的Anti-stokes光信号转换为Anti-stokes电信号；第一前级放大电路用以放大所述Anti-stokes电信号。
所述第二APD光接收模块包括第二光电探测器，第二前级放大电路；第二光电探测器用以将所述Stokes滤波片的透射光输出端输出的Stokes光信号转换为Stokes电信号；第二前级放大电路用以放大所述Stokes电信号。
所述传感系统还包括显示系统，报警系统，存储系统，主控器系统；显示系统与主机相连，用以实现对对应点的温度的实时在线监测；报警系统与主机相连，用以实现对对应点的温度的报警控制；存储系统与主机相连，用以实现对对应点的温度的信息存储；主控器系统与主机相连，用以实现信息共享。
所述传感光纤与所述耦合器的反馈端之间还设有参考光纤环和与参考光纤环集成的温度传感器，所述温度传感器用以提供所述传感系统定标需要的温度测量参考值。
所述激光器还包括同步信号输出端，用以输出同步信号通知所述双通道AD采集卡开始AD信号采集，所述激光器为大功率窄线宽脉冲光纤激光器。
一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感方法，包括以下步骤：
步骤一，激光器产生光脉冲和同步信号；
步骤二，所述光脉冲经过耦合器进入传感光纤生成后向散射光；
步骤三，所述后向散射光经参考光纤环和温度传感器进入耦合器，所述耦合器输出一个第一光信号，一个第二光信号和一个反馈信号；
步骤四，所述第一光信号进入第一APD光接收模块转换成第一电信号，最后进入双通道AD采集卡；
步骤五，与步骤四同时进行，所述第二光信号进入第二APD光接收模块转换成第二电信号，最后进入双通道AD采集卡；
步骤六，所述同步信号控制双通道AD采集卡对AD信号的采集；
步骤七，主机接收所述双通道AD采集卡采集的数据，并对数据进行数据预处理、数据定标、数据解调、数据修正。
所述光脉冲的中心波长为1060±2nm，所述第一光信号为Anti-stokes光信号，第一电信号为Anti-stokes电信号，所述第二光信号为Stokes光信号，第二电信号为Stokes电信号。
所述耦合器为光纤Raman-WDM耦合器，包括光纤环形器，Anti-stokes滤波片，Stokes滤波片，光收集器；光纤环形器与所述传感光纤相连；Anti-stokes滤波片用以分离出Anti-stokes光信号；所述Anti-stokes滤波片的光输入端与所述光纤环形器的输出端相连，Anti-stokes滤波片的透射光输出端与所述第一APD光接收模块相连；Stokes滤波片用以分离出Stokes光信号；所述Stokes滤波片的输入端与所述Anti-stokes滤波片的反射光输出端相连，Stokes滤波片的透射光输出端与所述第二APD光接收模块相连；光收集器与所述Stokes滤波片的反射光输出端相连。
所述第一APD光接收模块包括第一光电探测器，第一前级放大电路；第一光电探测器用以将所述Anti-stokes滤波片的透射光输出端输出的Anti-stokes光信号转换为Anti-stokes电信号；第一前级放大电路用以放大所述Anti-stokes电信号。
所述第二APD光接收模块包括第二光电探测器，第二前级放大电路；第二光电探测器用以将所述Stokes滤波片的透射光输出端输出的Stokes光信号转换为Stokes电信号；第二前级放大电路用以放大所述Stokes电信号。
实施例二
本实施例提供一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，其总体结构示意图如图1所示。光学系统与调制频率：光纤长度50km，光脉冲重复频率1.2k，光脉冲宽度10ns，双通道高速高精度分布式测温专用AD采集卡采样率100MHz，AD采样精度14位。
系统的最大测量距离达50Km，光纤直线布放空间分辨率为1m。温度信号在顶层处理，可在现场通过桌面进行报警阈值的测试和设定。
本发明揭示了一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统设计方法。本发明通过设计优化分布式光纤温度传感系统的软硬件设计结构，设计内容包括窄线宽脉冲光纤激光器(光源)的设计、光纤Raman-WDM耦合器的设计、APD光电接收模块的设计、APD增益温度自补偿模块的设计、双通道分布式测温专用AD采集器及温度补偿解调算法的设计，使超大长度分布式光纤温度传感系统具有更佳的稳定性和准确性。
本发明的波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，利用光纤自发拉曼散射效应和光时域反射原理，巧妙地将后向散射反斯托克斯(Anti-stokes)光、斯托克斯(Stokes)光融合在一起，设计了一种先进的光纤Raman-WDM耦合器，增强了光纤中携带的温度信息的拉曼散射光的强度；设计了一种先进的APD增益温度自补偿模块，增强了APD光电接收模块的温度稳定性，同时监测参考光纤温度作为参考信号进行温度补偿，提高了传感器系统的信噪比。经此项技术改进的分布式光纤温度传感器的传输距离达50km，温度的测量精度1℃，空间分辨率1m。
本实施例中，波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统的总体结构示意图如图1所示，其包括：激光器1，光纤Raman-WDM耦合器2、第一APD光接收模块31、第二APD光接收模块41；
所述光纤Raman-WDM耦合器2包括一个输入端，一个反馈端和两个输出端，所述激光器1的输出端与光纤Raman-WDM耦合器2的输入端通过光纤相连接，所述光纤Raman-WDM耦合器2的反馈端与传感光纤5相连，传感光纤5经由传感光纤输入口接入；光纤Raman-WDM耦合器2的两个输出端分别与第一APD光接收模块31和第二APD光接收模块41相连，用于输出Anti-stokes光信号和Stokes光信号；第一APD光接收模块31用于获得Anti-stokes电信号并将该信号放大输出；第二硅APD光接收模块41用于获得Stokes电信号并将该信号放大输出。第一硅APD光接收模块31与第一APD增益温度自补偿模块32相连，用于获得第一硅APD光接收模块硅APD的恒增益电压控制；第二光接收模块41与第二APD增益温度自补偿模块42相连，用于获得第二硅APD光接收模块APD的恒增益电压控制。
进一步地，所述激光器为大功率窄线宽脉冲光纤激光器，用于产生线宽小于500KHz；脉冲宽度10ns，脉冲频率2KHz，峰值功率大于15W的光脉冲。
进一步地，所述光纤Raman-WDM耦合器2包括：光纤环形器21、Anti-stokes滤波片22及Stokes滤波片23，如图2所示；
所述光纤环形器21包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端，其输入端与激光器1的输出端相连，用于接收激光器1发射的光脉冲，其反馈端与传感光纤5相连，用于向传感光纤5注入所述光脉冲，并接收在传感光纤5中产生的后向散射光，其输出端将接收到的后向散射光输出；
所述Anti-stokes滤波片22及Stokes滤波片23均包括光输入端、透射光输出端与反射光输出端；所述Anti-stokes滤波片22的光输入端与光纤环形器21的输出端相连，其透射光输出端与第一光接收模块31相连，用于分离得到Anti-stokes光信号，其反射光输出端与所述Stokes滤波片23的光输入端相连；所述Stokes滤波片23的透射光输出端与第二光接收模块41相连，用于分离得到Stokes光信号。
进一步地，所述光纤Raman-WDM耦合器2还包括光收集器24，其与所述Stokes滤波片23的反射光输出端相连。
进一步地，所述第一光接收模块31包括第一光电探测器和与之相连的第一前级放大电路，用于将光纤Raman-WDM耦合器2分离得到的Anti-stokes光信号转换为电信号，即Anti-stokes电信号，并放大；所述第二光接收模块41包括第二光电探测器和与之相连的第二前级放大电路，用于将光纤Raman-WDM耦合器2分离得到的Stokes光信号转换为电信号，即Stokes电信号，并放大。
进一步地，所述第一硅APD光电接收模块和第二硅APD光电接收模块的输出接入双通道分布式测温专用AD采集器进行模数转换及数据预处理，从而得到数据预处理结果，再由主机对数据预处理结果进行信号处理、分析计算，便最终得到对应点的温度场信息，主机将各个模块有机的联系起来，实现环境温度的实时在线监测和报警控制输出，并与远端主控器系统连接，实现信息共享。
进一步地，所述激光器1还包括同步信号输出端7，将同步信号经由装置外壳的同步信号输出口输出。所述同步信号是与激光器输出的光脉冲同步输出的电脉冲信号，它可通知双通道分布式测温专用AD采集器开始A\D信号采集。触发模式可分为外同步、内触发两种模式。
所述的APD增益温度自补偿模块是一种高精度APD偏压控制温度补偿电路，其包高精度温度传感模块、高压模块和APD偏压控制单元。高精度温度传感模块用高精度温度传感器(精度±0.1℃)以把APD光探测模块的管芯温度转换成模拟电压信号VT；VT、高压电源模块输出VCC分别与APD偏压控制单元的对应输入端口相连接，APD偏压控制单元的高压输出VG分别连接到APD光探测器的偏置电压输入脚，这样就形成了对APD光探测器的闭环温度补偿控制。
进一步地，所述传感光纤5与所述光纤Raman-WDM耦合器2的反馈端之间还设有参考光纤环6及与之集成的高精度温度传感器，用于提供分布式光纤温度传感系统温度补偿需要的温度测量参考值，能为提高系统稳定性进行取样校正。
本系统设计具体实施时：
采用后向散射探测方法，由光纤激光器产生很窄的光脉冲，即光探测脉冲。光探测脉冲的宽度确定了分布式光纤温度传感系统的空间分辨率，光探测器在某个时刻探测到的光能量是与光脉冲宽度对应的一段光纤的后向散射光能量的贡献总和，因此由光脉冲宽度就决定了一个空间分辨率。大功率窄线宽脉冲光纤激光器的主要技术指标：
光脉冲经光纤传输至光纤Raman-WDM耦合器的入射端，再进入传感光纤，在传感光纤中产生的后向散射光再经光纤Raman-WDM耦合器分离(光纤Raman-WDM耦合器内含Anti-stokes滤波片、Stokes滤波片)，分离后得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和作为参考信号的后向斯托克斯拉曼散射光，自此便完成了光信号的接收工作。其中，Anti-stokes散射光和stokes散射光的波长由激光器的中心波长决定。
从Anti-stokes滤波片分离出来的后向反斯托克斯拉曼散射光和Stokes滤波片分离出来的斯托克斯拉曼散射光再分别进入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电转换，再经前级放大电路放大，从而完成信号的光电探测工作。此时信号已由光功率形式转换成电平形式，拉曼散射信号Anti-stokes和Stokes的输出电压值与双通道分布式测温专用AD采集器的模拟输入相匹配。
所述光纤Raman-WDM耦合器，它接收光脉冲，经光纤环形器注入到传感光纤中，在传感光纤中产生的后向散射光再经光纤Raman-WDM耦合器进行光滤波和分离。与传统的普通耦合器+光滤波器的拉曼光信号的提取方式相比，这种方式有用光提取效率更高。
所述双通道分布式测温专用AD采集器的主要组成部分包括AD前置放大器、AD转换器以及FPGA。它主要完成以FPGA为核心的高速数据采集、信号预处理等功能。双通道分布式测温专用AD采集器的采集方法，包括以下步骤：
步骤一，高速A/D转换模块将所述分布式光纤测温系统的散射光电信号数字化，输出数字信号；
步骤二，参考温度A/D转换模块将所述分布式光纤测温系统的参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号；
步骤三，FPGA采集控制及处理单元缓存并处理所述高速A/D转换模块输出的数字信号和所述参考温度A/D转换模块输出的参考温度数字信号。
步骤二中，参考温度测量模块51通过测量参考光纤环温度，输出参考温度模拟信号；所述参考温度模拟信号经A/D转换模块采样成为参考温度数字信号，再经温度补偿算法进行预处理，处理结果由通信传输模块通过总线送入PC处理器中显示出来。
系统软件流程如图3所示。系统软件设计主要包括数据预处理、数据定标、数据解调、数据修正。其中数据预处理主要负责采集数据的整形和分析；定标算法用于生成解调算法需要的各种参数等，解调算法就可以根据这些参数和预处理后的数据解调出温度信息；数据修正则用于在必要时对温度解调的修正。系统处理软件将各个模块有机的联系起来，实现环境温度的实时在线监测和报警控制输出。
所述系统软件中的温度解调算法采用Anti-stokes散射光的光强所携带的温度信息来进行测温，同时为了消除光源大小的不稳定性、光纤弯曲和受压等环境干扰对Anti-stokes光的影响，可以把Stokes光作为参考信道，故将两路光信号两式相比，计算分析可知Anti-stokes和Stokes散射光光强之比只与环境的绝对温度有关，而与光源输入光脉冲的功率大小、光注入条件及光纤应力条件、几何尺寸及组成成分无关。这种解调方法利用斯托克斯拉曼散射光作为参考信道，通过反斯托克斯拉曼散射信号光与其作比较，从而有效地消防光源的不稳定性以及光纤传输过程中的耦合损耗、光纤接头损、光纤弯曲损耗和光纤传输损耗等所带来的影响，因此温度解调精度和稳定性很高。
本发明揭示了一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统设计方法。本发明通过设计优化分布式光纤温度传感系统的软硬件设计结构，设计内容包括窄线宽脉冲光纤激光器(光源)的设计、光纤Raman-WDM耦合器的设计、APD光电接收模块的设计、APD增益温度自补偿模块的设计、双通道分布式测温专用AD采集器及温度解调算法的设计，使超大长度分布式光纤温度传感系统具有更佳的稳定性和准确性。
本发明的波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，利用光纤自发拉曼散射效应和光时域反射原理，巧妙地将后向散射反斯托克斯(Anti-stokes)光、斯托克斯(Stokes)光融合在一起，设计了一种先进的光纤Raman-WDM耦合器，增强了光纤中携带的温度信息的拉曼散射光的强度；设计了一种先进的APD增益温度自补偿模块，增强了APD光电接收模块的温度稳定性，同时监测参考光纤温度作为参考信号进行温度补偿，提高了传感器系统的信噪比。经此项技术改进的分布式光纤温度传感器的传输距离达50km，温度的测量精度1℃，空间分辨率1m。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。
Claims (10)
1.一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，其特征在于，包括：
激光器，用以产生光脉冲；
耦合器，包括一个输入端，一个反馈端和两个输出端；所述耦合器的输入端通过光纤与激光器的输出端相连接，所述耦合器的反馈端与传感光纤相连；
第一APD光接收模块，与所述耦合器的一个输出端相连，用以输出Anti-stokes光信号；
第一APD增益温度自补偿模块，与所述第一APD光接收模块相连，用以获得第一APD光接收模块硅APD的恒增益电压控制；
第二APD光接收模块，与所述耦合器的另一个输出端相连，用以输出stokes光信号；
第二APD增益温度自补偿模块，与所述第二APD光接收模块相连，用以获得第二APD光接收模块硅APD的恒增益电压控制；
双通道AD采集卡，用以将所述第一APD光接收模块和所述第二APD光接收模块的输出信号进行模数转换及数据预处理，获得预处理结果；
主机，与所述双通道AD采集卡相连，用以对所述预处理结果进行信号处理、分析计算，获得对应点的温度场信息。
2.根据权利要求1所述的波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，其特征在于，所述耦合器为光纤Raman-WDM耦合器，包括：
光纤环形器，与所述传感光纤相连；
Anti-stokes滤波片，用以分离出Anti-stokes光信号；所述Anti-stokes滤波片的光输入端与所述光纤环形器的输出端相连，Anti-stokes滤波片的透射光输出端与所述第一APD光接收模块相连；
Stokes滤波片，用以分离出Stokes光信号；所述Stokes滤波片的输入端与所述Anti-stokes滤波片的反射光输出端相连，Stokes滤波片的透射光输出端与所述第二APD光接收模块相连；
光收集器，与所述Stokes滤波片的反射光输出端相连。
3.根据权利要求2所述的波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，其特征在于，所述第一APD光接收模块包括：
第一光电探测器，用以将所述Anti-stokes滤波片的透射光输出端输出的Anti-stokes光信号转换为Anti-stokes电信号；
第一前级放大电路，用以放大所述Anti-stokes电信号。
所述第二APD光接收模块包括：
第二光电探测器，用以将所述Stokes滤波片的透射光输出端输出的Stokes光信号转换为Stokes电信号；
第二前级放大电路，用以放大所述Stokes电信号。
4.根据权利要求1所述的波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，其特征在于，所述传感系统还包括：
显示系统，与主机相连，用以实现对对应点的温度的实时在线监测；
报警系统，与主机相连，用以实现对对应点的温度的报警控制；
存储系统，与主机相连，用以实现对对应点的温度的信息存储；
主控器系统，与主机相连，用以实现信息共享。
5.根据权利要求1所述的波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述传感光纤与所述耦合器的反馈端之间还设有参考光纤环和与参考光纤环集成的温度传感器，所述温度传感器用以提供所述传感系统定标需要的温度测量参考值。
6.根据权利要求1所述的波长优化型高性能分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述激光器还包括同步信号输出端，用以输出同步信号通知所述双通道AD采集卡开始AD信号采集，所述激光器为大功率窄线宽脉冲光纤激光器。
7.一种波长优化型高性能分布式光纤温度传感方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，激光器产生光脉冲和同步信号；
步骤二，所述光脉冲经过耦合器进入传感光纤生成后向散射光；
步骤三，所述后向散射光经参考光纤环和温度传感器进入耦合器，所述耦合器输出一个第一光信号，一个第二光信号和一个反馈信号；
步骤四，所述第一光信号进入第一APD光接收模块转换成第一电信号，最后进入双通道AD采集卡；
步骤五，与步骤四同时进行，所述第二光信号进入第二APD光接收模块转换成第二电信号，最后进入双通道AD采集卡；
步骤六，所述同步信号控制双通道AD采集卡对AD信号的采集；
步骤七，主机接收所述双通道AD采集卡采集的数据，并对数据进行数据预处理、数据定标、数据解调、数据修正。
8.根据权利要求7所述的波长优化型高性能分布式光纤温度传感方法，其特征在于，所述光脉冲的中心波长为1060nm，所述第一光信号为Anti-stokes光信号，第一电信号为Anti-stokes电信号，所述第二光信号为Stokes光信号，第二电信号为Stokes电信号。
9.根据权利要求8所述的波长优化型高性能分布式光纤温度传感方法，其特征在于，所述耦合器为光纤Raman-WDM耦合器，包括：
光纤环形器，与所述传感光纤相连；
Anti-stokes滤波片，用以分离出Anti-stokes光信号；Anti-stokes滤波片的光输入端与所述光纤环形器的输出端相连，透射光输出端与所述第一APD光接收模块相连；
Stokes滤波片，用以分离出Stokes光信号；Stokes滤波片的输入端与所述Anti-stokes滤波片的反射光输出端相连，Stokes滤波片的透射光输出端与所述第二APD光接收模块相连；
光收集器，与所述Stokes滤波片的反射光输出端相连。
10.根据权利要求9所述的波长优化型高性能分布式光纤温度传感方法，其特征在于，所述第一APD光接收模块包括：
第一光电探测器，用以将所述Anti-stokes滤波片的透射光输出端输出的Anti-stokes光信号转换为Anti-stokes电信号；
第一前级放大电路，用以放大所述Anti-stokes电信号。
所述第二APD光接收模块包括：
第二光电探测器，用以将所述Stokes滤波片的透射光输出端输出的Stokes光信号转换为Stokes电信号；
第二前级放大电路，用以放大所述Stokes电信号。
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