CN101852655A - 分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器 - Google Patents

分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，包括半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器、半导体外腔窄带连续光纤激光器、分波器、电光调制器、单向器、掺鉺光纤放大器、双向耦合器、集成波分复用器、两个光电接收放大模块、直接检测系统、窄带的透射光纤光栅、环行器和相干检测系统。该传感器基于光纤非线性光学散射的融合原理和波分复用原理，利用背向光纤自发反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光强度比来测光纤温度；背向光纤自发布里渊散射光的频移测量光纤所受的应变，实现温度和应变的同时测量，提高系统的信噪比，改善了测量精度。

Description

分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器
技术领域
本发明涉及分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术
在分布式光纤传感器领域，国内外有分布式光纤拉曼散射光子温度传感器，国外有分布式布里渊散射光子传感器。CN101324424采用探测和泵浦光源，由光纤拉曼放大器取代传统的光纤布里渊放大器，得到背向光纤受激布里渊散射(SBS)线，通过测量SBS线的频移得到应变信息，但光纤拉曼放大器的价格昂贵，成本高。英国南安普敦大学Newson研究团队采用窄带激光光源利用光纤的背向自发反斯托克斯拉曼散射测温并用自发光纤布里渊散射效应来测量应变，但由于光纤布里渊散射的光谱带寬很窄，因此，测量温度和应变的精度低(M.N.Allahbabi，Y.T.Cho and T.P.Newson，Simulataneous DistributedMeasurements of Temperature and Strain using Spontaneous Raman and BrillouinScattering，Optics Letters，2005，1 June，p.1276-1278)。CN101162158适用于超远程光纤温度和应变的测量，但系统中嵌入了光纤拉曼放大器，容易产生光纤非线性效应的相互干扰，而且光纤拉曼放大器的价格昂贵，成本高。
发明内容
本发明的目的是提出一种分布式温度、应变同时测量的高精度的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器。
本发明的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，包括半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器、半导体外腔窄带连续光纤激光器、分波器、电光调制器、单向器、掺鉺光纤放大器、双向耦合器、集成波分复用器、两个光电接收放大模块、直接检测系统、窄带的透射光纤光栅、环行器和相干检测系统，半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器的输出端与掺鉺光纤放大器的一个输入端相连，半导体外腔窄带连续光纤激光器的输出端与分波器的输入端相连，分波器的一个输出端依次连接电光调制器、单向器和掺鉺光纤放大器的另一个输入端，掺鉺光纤放大器的输出端与双向耦合器的输入端相连，双向耦合器的一个输出端与单模光纤相连，双向耦合器的另一个输出端与集成波分复用器的输入端相连，集成波分复用器的两个输出端口分别经第一、第二光电接收放大模块与直接检测系统相连，集成波分复用器的第三个输出端口经窄带的透射光纤光栅与环行器的一个输入端相连，环行器的另一个输入端与分波器的另一个输出端相连，环行器的输出端与相干检测系统相连。
上述的半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器的脉冲宽度小于30ns，波长为1550nm。半导体外腔窄带连续光纤激光器的光谱寬度为10MHz，波长为1555nm。两个光源处于不同波段，实现了波分复用。
上述的集成波分复用器由两对光纤耦合器、自聚焦透镜平行光路以及中心波长1450nm、光谱带宽38nm、损耗＜0.3dB的滤光片和中心波长1660nm、光谱带宽40nm、损耗＜0.3dB的滤光片组成，集成波分复用器具有四个端口，一个输入端口，三个输出端口，第一输出端口是1450nm端口，为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口，第二输出端口是1660nm端口，为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口，第三输出端口是1550nm端口，为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。
上述的窄带的透射光纤光栅是中心波长为1555.08nm，光谱带宽为0.1nm，损耗＜0.3dB，隔离度＞35dB的光纤光栅。
本发明的分布式拉曼、布里渊散光纤传感器是基于光纤非线性光学散射的融合原理和波分复用原理，利用背向光纤自发反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光强度比来测光纤温度；背向光纤自发布里渊散射光的频移测量光纤所受的应变，实现温度和应变的同时测量，提高系统的信噪比，改善测量精度。
半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器产生的激光经掺鉺光纤放大器和双向耦合器进入单模光纤，单模光纤的背向拉曼散射光经双向耦合器输入集成波分复用器，集成波分复用器的第一、第二输出端口输出的反斯托克斯和斯托克斯自发拉曼散射光分别经第一、第二光电接收放大模块进入直接检测系统，直接检测系统对输入信号进行处理，由反斯托克斯和斯托克斯自发拉曼散射光的比值，给出光纤各段的温度信息。半导体外腔窄带连续光纤激光器输出的连续激光经分波器，通过电光调制器调制成30ns脉冲激光，再经单向器、掺鉺光纤放大器和双向耦合器进入单模光纤，光纤的背向布里渊散射光依次经双向耦合器、集成波分复用器的第三输出端口、窄带的透射光纤光栅进入环行器，与进入环行器的来自分波器的本地激光共同输入相干检测系统，利用相干检测系统测量光纤布里渊散射光的频移，得到光纤各段的应变与温度的信息。
光纤拉曼散射的测温原理：反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比I(T)：
其中φa、φs是经光电转换后的电平值，va，vs分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率，h是波朗克(Planck)常数，h＝6.626 068 76.52x10-34J.s(1998年基本物理常数数据)，Δvr是一光纤分子的声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，k＝1.380 650324x10-23JK-1，T是凱尔文(Kelvin)绝对温度。由两者的强度比，得到光纤各段的温度信息。
光纤布里渊散射的测量应变、温度原理：在光纤中，入射光纤的激光与光纤中声波的非线性相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起光纤折射率的周期性调制形成空间折射率光栅，产生频率下移的布里渊散射光，在光纤中产生的背向布里渊散射的频移vB为：
vB＝2nv/λ(2)
其中n为入射光波长λ处的折射率，v为光纤中声速，对石英光纤，在λ＝1550nm附近，vB约为11GHz。
在光纤中的布里渊散射光频移vB具有应变和温度效应
Figure GSA00000082550400031
布里渊散射光的频移
δvB＝Cvεδε+CvTδT    (4)
其中频移的应变系数Cvε和温度系数CvT为
Cvε＝0.0482±0.004MHz/με，CvT＝1.10±0.02MHz/K
通过测量光纤背向布里渊散射线的频移得到光纤上各段的应变量。
优点：本发明基于光纤非线性光学散射融合原理和波分复用原理，采用两个激光光源，其中，半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器利用光纤自发拉曼散射強度比测温，另一个半导体外腔窄带连续光纤激光器利用光纤自发布里渊散射线的频移测应变，增加了系统的信噪比，在空间实现在线温度和应变的同时测量并改善了测量精度。
附图说明
图1是本发明的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器的示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，包括半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器11、半导体外腔窄带连续光纤激光器12、分波器13、电光调制器14、单向器15、掺鉺光纤放大器16、双向耦合器17、集成波分复用器19、两个光电接收放大模块20、21、直接检测系统22、窄带的透射光纤光栅23、环行器24和相干检测系统25，半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器11的输出端与掺鉺光纤放大器16的一个输入端相连，半导体外腔窄带连续光纤激光器12的输出端与分波器13的输入端相连，分波器13的一个输出端依次连接电光调制器14、单向器15和掺鉺光纤放大器16的另一个输入端，掺鉺光纤放大器16的输出端与双向耦合器17的输入端相连，双向耦合器17的一个输出端与单模光纤18相连，双向耦合器17的另一个输出端与集成波分复用器19的输入端相连，集成波分复用器19的两个输出端口分别经第一、第二光电接收放大模块20，21与直接检测系统22相连，集成波分复用器19的第三个输出端口经窄带的透射光纤光栅23与环行器24的一个输入端相连，环行器24的另一个输入端与分波器13的另一个输出端相连，环行器24的输出端与相干检测系统25相连。
上述的半导体脉冲光纤激光器11是脉冲宽度小于30ns，波长为1550nm的半导体FP腔的高功率光纤激光器。半导体外腔窄带光纤激光器12是光谱寬度为10MHz，波长为1555nm的半导体外腔连续光纤激光器，经电光调制器调制成脉宽为30ns的脉冲激光器。两个光源处于不同波段，实现了波分复用。
上述的集成波分复用器是使用深圳明鑫光电公司SZMX-WDM-2型波分复用器，由两对光纤耦合器、自聚焦透镜平行光路、中心波长1450nm光谱带宽38nm，低损耗＜0.3dB滤光片和中心波长1660nm光谱带宽40nm，低损耗＜0.5dB滤光片组成。它具有一个输入端口和三个输出端口，第一输出端口是1450nm端口，第二输出端口是1660nm端口，第三输出端口是1550nm端口，其中，第一输出端口为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口，第二输出端口为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口，第三输出端口为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。
所述的窄带的透射光纤光栅23是中心波长为1555.08nm窄带的透射光纤光栅，光谱带宽为0.1nm，损耗＜0.3dB，隔离度＞35dB的光纤光栅，从集成波复用器第三端口选取光纤布里渊散射光，隔离背向光纤瑞利散射。
所述的第一、第二光纤光电接收放大模块20、21，分别由光纤连接的低噪音InGaAs光电雪崩二极管、低噪音MAX4107前置放大器和主放大器构成。
所述的直接检测系统22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。
所述的相干检测系统25将反向的光纤布里渊散射光与外腔窄带光纤激光器的本地光，通过光电检测器拍频进行相干检测，测量频移得到光纤各段的应变信息。

Claims (4)

1.分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是包括半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器(11)、半导体外腔窄带连续光纤激光器(12)、分波器(13)、电光调制器(14)、单向器(15)、掺鉺光纤放大器(16)、双向耦合器(17)、集成波分复用器(19)、两个光电接收放大模块(20)、(21)、直接检测系统(22)、窄带的透射光纤光栅(23)、环行器(24)和相干检测系统(25)。半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器(11)的输出端与掺鉺光纤放大器(16)的一个输入端相连，半导体外腔窄带连续光纤激光器(12)的输出端与分波器(13)的输入端相连，分波器(13)的一个输出端依次连接电光调制器(14)、单向器(15)和掺鉺光纤放大器(16)的另一个输入端，掺鉺光纤放大器(16)的输出端与双向耦合器(17)的输入端相连，双向耦合器(17)的一个输出端与单模光纤(18)相连，双向耦合器(17)的另一个输出端与集成波分复用器(19)的输入端相连，集成波分复用器(19)的两个输出端口分别经第一、第二光电接收放大模块(20)、(21)与直接检测系统(22)相连，集成波分复用器(19)的第三个输出端口经窄带的透射光纤光栅(23)与环行器(24)的一个输入端相连，环行器(24)的另一个输入端与分波器(13)的另一个输出端相连，环行器(24)的输出端与相干检测系统(25)相连。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是半导体FP腔脉冲宽带光纤激光器(11)的脉冲宽度小于30ns，波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是半导体外腔窄带连续光纤激光器(12)的光谱宽度为10MHz，波长为1555nm。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是集成波分复用器由两对光纤耦合器、自聚焦透镜平行光路以及中心波长1450nm、光谱带宽38nm、损耗＜0.3dB的滤光片和中心波长1660nm、光谱带宽40nm、损耗＜0.3dB的滤光片组成，集成波分复用器具有四个端口，一个输入端口，三个输出端口，第一输出端口是1450nm端口，为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口，第二输出端口是1660nm端口，为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口，第三输出端口是1550nm端口，为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是窄带的透射光纤光栅(23)是中心波长为1555.08nm，光谱带宽为0.1nm，损耗＜0.3dB，隔离度＞35dB的光纤光栅。
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