CN102012284B - 一种用于分布式光纤温度传感器的光电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分布式光纤温度传感器的光电装置，属于光纤传感技术领域。该装置包括第一、第二准直器尾纤，第一、二准直器的透射光路上分别设有波分复用滤波片；两波分复用滤波片的光路上分别设有带通滤波片，两带通滤波片透射光路上安置第一、二自聚焦透镜，两自聚焦透镜的焦点处分别安置第一、二雪崩光电二极管和温度探测头。在分布式光纤温度传感器利用本发明的光电装置能够非常方便的获得准确的温度信息，提高了系统的温度分辨率。

Description

一种用于分布式光纤温度传感器的光电装置

技术领域

本发明涉及一种光电装置，特别是涉及一种用于分布式光纤温度传感器的光电装置，属于光纤传感技术领域。

背景技术

自1985年J.P.Dakin等人首次成功实现了基于喇曼散射的分布式测温技术以来，人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术开展了广泛研究，其中基于喇曼散射的分布式传感技术得到了最为广泛的实际应用。与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多卓越的优势：以光纤本身作为传感媒介，一次测量就可以得到沿光纤分布的数千点温度信息，实现了连续分布式测量，降低了测量不确定度；测量距离远，测量时间短，适合远程实时监控；灵敏度高，测量精度高，误报率、漏报率低；耐腐蚀、耐水、耐火、电磁干扰免疫，可靠性高，维护成本低。

基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理是：在传感光纤的一端注入激光脉冲，当激光脉冲在光纤中传播时，由于纤芯分子的热振动与光子相互作用而发生能量交换，产生喇曼散射。具体的说，当光子的一部分能量传递给分子的热振动时，将发出波长比原来激光波长长的光子，称为喇曼斯托克斯(Raman Stokes)光；当分子热振动的一部分能量传递给光子时，将发出波长比原来激光波长短的光子，称为喇曼反斯托克斯(Raman Anti-Stokes)光。其中，喇曼反斯托克斯光对温度很敏感，而喇曼斯托克斯光对温度不敏感，所以人们通常用喇曼反斯托克斯光来解调出温度信息；并且，为了消除光纤损耗及光源功率波动的影响，通常采用喇曼斯托克斯光作为参考光。喇曼散射技术结合光时域反射技术(OTDR，Optical TimeDomain Reflectometer)，就能够定位温度信息，从而实现了分布式光纤温度传感。该传感技术被称为为Raman-DTS(Raman DistributedTemperature Sensing)。

Raman-DTS的关键技术之一是如何分离出喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光，通常需要设计独特的波分复用器件来实现。激光脉冲在光纤中传输的过程中，除了会产生喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光外，还会产生瑞利散射光，其波长与输入的激光脉冲波长相同。而且相对于喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光而言，瑞利散射光的强度高很多；通常，瑞利散射光的强度比斯托克斯光高三个数量级，比反斯托克斯光高四个数量级。因此，在强瑞利光噪声背景下提取斯托克斯光和反斯托克斯光，以及防止斯托克斯光与反斯托克斯光相互串扰，成为难点，也是核心技术。为了准确解调出温度信息，通常对这种波分复用器件的隔离度要求大于60dB。

附图2是公开号为CN 101696896中国专利申请公开的一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件的原理模型图。其中，21是光环行器，22是反斯托克斯波长的滤波片，23是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口1注入，并通过光环行器21输出到端口2，端口2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口2，并通过光环行器21输出到反斯托克斯波长的滤波片22；反斯托克斯光透射滤波片22由端口3输出；斯托克斯光和瑞利散射光被滤波片22反射，并输出到斯托克斯波长的滤波片23，斯托克斯光透射滤波片23，由端口4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。这种波分复用器件的隔离度主要取决于两个滤波片22、23的透射隔离度，通常这样的滤波片的的透射隔离度在35dB左右。因此，器件的隔离度很难超过40dB。

附图3是公开号为CN 101696896中国专利申请公开的另一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件的原理模型图。其中，31是1X3双向耦合器，32是反斯托克斯波长的滤波片，33是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口1注入，并通过1X3双向耦合器31输出到端口2，端口2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口2，并通过1X3双向耦合器31；用反斯托克斯波长的滤波片32、斯托克斯波长的滤波片33分别滤出反斯托克斯光和斯托克斯光，并分别由端口3和端口4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。首先，这种波分复用器件采用的是1X3双向耦合器，会引入约9.5dB(10log(1/9)＝9.5dB)的额外损耗，大大削弱了可以利用的反斯托克斯光和斯托克斯光强度；其次，器件的隔离度很难超过40dB，原因同上。

如果在分布式光纤温度传感器中使用上述常规的波分复用器件，由于隔离度不够，会造成反斯托克斯光和斯托克斯光的相互串扰，以及瑞利散射光的干扰，结果难以获得准确的温度信息和高分辨率，严重情况下甚至导致温度曲线扭曲，系统不能正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种具有高隔离度、低插入损耗的用于分布式光纤温度传感器的光电装置，从而能够直接获得准确的反斯托克斯光和斯托克斯光的电信号，进而可以获得准确的温度信息，提高了系统的温度分辨率和精确度。

为了实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种用于分布式光纤温度传感器的光电装置，包括输入激光的第一准直器尾纤和外接传感光纤的第二准直器尾纤，所述第一准直器的透射光路上设有激光波长的波分复用滤波片，所述第二准直器的透射光路上设有反斯托克斯波长的波分复用滤波片；所述激光波长的波分复用滤波片反射光路上设有一对平行安置的斯托克斯波长的带通滤波片，所述两斯托克斯波长的带通滤波片透射光路上安置第一自聚焦透镜，所述第一自聚焦透镜的焦点处安置第一雪崩光电二极管，所述第一雪崩光电二极管的附近安置第一温度探测头；所述反斯托克斯波长的波分复用滤波片以将激光波长的波分复用滤波片透射光反射到第二准直器的位置，设置在激光波长的波分复用滤波片透射光路上；所述反斯托克斯波长的波分复用滤波片透射光路上安置反斯托克斯波长的带通滤波片，所述反斯托克斯波长的带通滤波片透射光路上安置第二自聚焦透镜，所述第二自聚焦透镜的焦点处安置第二雪崩光电二极管，所述第二雪崩光电二极管的附近安置第二温度探测头。

工作时，激光脉冲从第一准直器的尾纤输入，经过激光波长的波分复用滤波片透射，再经过反斯托克斯波长的波分复用滤波片反射，耦合进入第二准直器，射入传感光纤。传感光纤中产生的背向散射光从第二准直器返回，背向散射光中的反斯托克斯光，透射反斯托克斯波长的波分复用滤波片，然后透射反斯托克斯波长的带通滤波片，再经过第二自聚焦透镜耦合到第二雪崩光电二极管，转换为反斯托克斯光的电信号输出。背向散射光中的斯托克斯光，分别经过反斯托克斯波长的波分复用滤波片和激光波长的波分复用滤波片反射，然后透射两个斯托克斯波长的带通滤波片，再经过第一自聚焦透镜耦合到第一雪崩光电二极管，转换为斯托克斯光的电信号输出。

由于反斯托克斯光的隔离度主要由一个反斯托克斯波长的波分复用滤波片和一个反斯托克斯波长的带通滤波片保证，因此能够高于70dB；而斯托克斯光的隔离度主要由两个斯托克斯波长的带通滤波片保证，因此也能够高于70dB。

归纳起来，本发明具有如下有益效果：从技术上实现了一种光电装置，能够保证斯托克斯光、反斯托克斯光及瑞利散射光三者的光路隔离度都大于70dB，完全满足当前分布式光纤温度传感器对隔离度的严苛要求。反斯托克斯光和斯托克斯光的插入损耗分别小于2dB和2.4dB，完全能够满足当前分布式光纤温度传感器对插入损耗的要求。集成了雪崩光电二极管和温度探测头，能够直接输出稳定、准确的反斯托克斯光和斯托克斯光的电信号。因此，在分布式光纤温度传感器利用本发明的光电装置，能够非常方便的获得准确的温度信息，提高了系统的温度分辨率。

附图说明

图1是本发明一个实施例结构示意图。图中：

101、102-准直器尾纤    103、104-准直器

105-激光波长的波分复用滤波片

106、107-斯托克斯波长的带通滤波片

108-反斯托克斯波长的波分复用滤波片

109-反斯托克斯波长的带通滤波片

110、111-自聚焦透镜       112、115-雪崩光电二极管(APD)

113、116-APD反向电压输入端114-反斯托克斯电信号输出端

117-斯托克斯电信号输出端  118、119-温度探测头

120-器件外壳

图2是CN 101696896公开的原理模型图。图中：

21-光环行器        22-反斯托克斯波长的滤波片

23-斯托克斯波长的滤波片

图3是CN 101696896公开的另一种原理模型图。图中：

31-1X3双向耦合器   32-反斯托克斯波长的滤波片

33-斯托克斯波长的滤波片

图4是图1实施例的工作原理图。

图5是图1实施例中的反斯托克斯光和斯托克斯光历经的插入损耗示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明用于分布式光纤温度传感器的光电装置做进一步详细描述，该描述并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例用于分布式光纤温度传感器的光电装置由准直器尾纤101、102，准直器103、104，激光波长的波分复用滤波片105，斯托克斯波长的带通滤波片106、107，反斯托克斯波长的复用滤波片108，反斯托克斯波长的带通滤波片109，自聚焦透镜110、111，雪崩光电二极管(APD)112、115，APD反向电压输入端113、116，反斯托克斯电信号输出端114，斯托克斯电信号输出端117，温度探测头118、119，器件外壳120等组件构成。其基本结构可以描述为：包括输入激光的第一准直器尾纤101和外接传感光纤的第二准直器尾纤102，所述第一准直器103的透射光路上设有激光波长的波分复用滤波片105，所述第二准直器104的透射光路上设有反斯托克斯波长的波分复用滤波片108；所述激光波长的波分复用滤波片105反射光路上设有一对平行安置的斯托克斯波长的带通滤波片106、107，所述两斯托克斯波长的带通滤波片106、107透射光路上安置第一自聚焦透镜111，所述第一自聚焦透镜111的焦点处安置第一雪崩光电二极管115，所述第一雪崩光电二极管115的附近安置第一温度探测头119；所述反斯托克斯波长的波分复用滤波片108以将激光波长的波分复用滤波片105透射光反射到第二准直器104的位置，设置在激光波长的波分复用滤波片105透射光路上；所述反斯托克斯波长的波分复用滤波片108透射光路上安置反斯托克斯波长的带通滤波片109，所述反斯托克斯波长的带通滤波片109透射光路上安置第二自聚焦透镜110，所述第二自聚焦透镜110的焦点处安置第二雪崩光电二极管112，所述第二雪崩光电二极管112的附近安置第二温度探测头118。

本实施例光电装置的工作原理如附图4所示，激光脉冲从本发明的光电装置的一个准直器的尾纤输入，经过激光波长的波分复用滤波片透射，再经过反斯托克斯波长的波分复用滤波片反射，耦合进入另一个准直器，射入传感光纤；传感光纤中产生的背向散射光从准直器返回；背向散射光中的反斯托克斯光，透射反斯托克斯波长的波分复用滤波片，然后透射反斯托克斯波长的带通滤波片，再经过自聚焦透镜耦合到雪崩光电二极管，转换为电信号输出，反斯托克斯光的整个路径为a→b→c→d→c→e→f(如图4所示)；背向散射光中的斯托克斯光，分别经过反斯托克斯波长的波分复用滤波片和激光波长的波分复用滤波片反射，然后透射两个斯托克斯波长的带通滤波片，再经过自聚焦透镜耦合到雪崩光电二极管，转换为电信号输出，斯托克斯光的整个路径为a→b→c→d→c→b→g→h。反斯托克斯光的隔离度主要由一个反斯托克斯波长的波分复用滤波片和一个反斯托克斯波长的带通滤波片保证，能够高于70dB(35dB+35dB)；斯托克斯光的隔离度主要由两个斯托克斯波长的带通滤波片保证，能够高于70dB(35dB+35dB)。

附图5说明了反斯托克斯光和斯托克斯光的插入损耗分别小于2dB和2.4dB。两个雪崩光电二极管的反向电压输入端和信号输出端，以及两个温度探测头的输出端分别接调理电路。温度探测头用于给调理电路提供雪崩光电二极管的温度信息，进而调节雪崩光电二极管的反向电压，使雪崩光电二极管的增益保持稳定。最终，本光电装置能够稳定、准确的输出反斯托克斯光和斯托克斯光的电信号。

本实施例中，因为输入的激光脉冲波长为1550nm、带宽为1nm，斯托克斯波长约为1663nm、带宽约为3nm，反斯托克斯波长约为1450nm、带宽约为3nm，所以选择反斯托克斯波长的波分复用滤波片的透射中心波长为1450nm，透射带宽为14nm，透射隔离度和插入损耗分别为35dB和0.3dB，1457nm到1680nm为反射带宽，反射插入损耗为0.2dB；激光波长的波分复用滤波片的透射中心波长为1550nm，透射带宽为14nm，透射隔离度和插入损耗分别为35dB和0.3dB，1420nm到1543nm、1557nm到1680nm为反射带宽，反射插入损耗为0.2dB；反斯托克斯波长的带通滤波片的透射中心波长为1450nm，透射带宽为14nm，透射隔离度和插入损耗分别为35dB和0.3dB；斯托克斯波长的带通滤波片的透射中心波长为1663nm，透射带宽为14nm，透射隔离度和插入损耗分别为35dB和0.3dB。

除此之外，本实施例还有以下具体技术细节：

1、外接输入激光脉冲的第一准直器与激光波长的波分复用滤波片之间的入射角约为20度(20±2度)；第二准直器与反斯托克斯波长的波分复用滤波片之间的入射角也约为20度(20±2度)。

2、自聚焦透镜的端面度有增透膜，自聚焦透镜的焦点位于雪崩光电二极管的光接受面。

3、雪崩光电二极管为TO封装的铟镓砷雪崩光电二极管，两个温度探测头分别紧贴两个雪崩光电二极管。

4、该装置安置在不锈钢外壳内。

除以上实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡不脱离本发明创新实质的技术方案均落在本发明要求的保护范围中。

Claims (7)

1.一种用于分布式光纤温度传感器的光电装置，其特征在于：包括输入激光的第一准直器尾纤(101)和外接传感光纤的第二准直器尾纤(102)，第一准直器(103)的透射光路上设有激光波长的波分复用滤波片(105)，第二准直器(104)的透射光路上设有反斯托克斯波长的波分复用滤波片(108)；所述激光波长的波分复用滤波片(105)反射光路上设有一对平行安置的斯托克斯波长的带通滤波片(106、107)，所述一对平行安置的斯托克斯波长的带通滤波片(106、107)透射光路上安置第一自聚焦透镜(111)，所述第一自聚焦透镜(111)的焦点处安置第一雪崩光电二极管(115)，所述第一雪崩光电二极管(115)的附近安置第一温度探测头(119)；所述反斯托克斯波长的波分复用滤波片(108)以将激光波长的波分复用滤波片(105)透射光反射到第二准直器(104)的位置，设置在激光波长的波分复用滤波片(105)透射光路上；所述反斯托克斯波长的波分复用滤波片(108)透射光路上安置反斯托克斯波长的带通滤波片(109)，所述反斯托克斯波长的带通滤波片(109)透射光路上安置第二自聚焦透镜(110)，所述第二自聚焦透镜(110)的焦点处安置第二雪崩光电二极管(112)，所述第二雪崩光电二极管(112)的附近安置第二温度探测头(118)。

2.根据权利要求1所述用于分布式光纤温度传感器的光电装置，其特征在于：所述第一和第二雪崩光电二极管的反向电压输入端和信号输出端，以及两个温度探测头的输出端分别接调理电路。

3.根据权利要求1或2所述用于分布式光纤温度传感器的光电装置，其特征在于：所述第一准直器与激光波长的波分复用滤波片之间的入射角，以及所述第二准直器与反斯托克斯波长的波分复用滤波片之间的入射角均为20±2度。

4.根据权利要求3所述用于分布式光纤温度传感器的光电装置，其特征在于：所述第一和第二自聚焦透镜的端面具有增透膜。

5.根据权利要求4所述用于分布式光纤温度传感器的光电装置，其特征在于：所述第一和第二雪崩光电二极管的光接受面位于自聚焦透镜的焦点。

6.根据权利要求5所述用于分布式光纤温度传感器的光电装置，其特征在于：所述第一和第二雪崩光电二极管为TO封装的铟镓砷雪崩光电二极管，所述第一和第二温度探测头紧贴对应的雪崩光电二极管。

7.根据权利要求6所述用于分布式光纤温度传感器的光电装置，其特征在于：所述光电装置安置在不锈钢外壳内。

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