CN102027346B - 用于空间分辨温度测量的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于空间分辨的温度测量的设备，包括至少一个用于空间分辨的温度测量的光导纤维(6)和至少一个激光源(2，30)，激光源的光(3，23)能够被耦入到光导纤维(6)中，其中光(3，23)在光导纤维(6)中被反向散射的分量能够被从光导纤维(6)中耦出并被分析。该设备包括用于减小由偏振决定的效应的装置，其例如可以是能够至少部分地将光消偏振的偏振改变器(4)。

Description

用于空间分辨温度测量的设备
技术领域
本发明涉及一种用于空间分辨
Figure DEST_PATH_GSB00001052124100011
温度测量的设备。 
背景技术
例如从EP 0 692 705 A1中已知上述类型的设备。纤维光学温度测量系统(分布式温度感测DTS)可以将光导纤维中的光学效应用于空间分辨的温度测量。例如，可以使用拉曼散射效应。在这种情况下，窄带的电磁辐射源的辐射(例如激光器的辐射)在纤维材料中无弹性地散射。具有比激励更短的波长的散射(反斯托克斯散射)和在更长波长情况下的散射(斯托克斯散射)的强度比是取决于温度的，并且可以被用于温度确定。通过使用频率技术(光频域反射技术OFDR)(如其在EP 0 692 705 A1和在EP 0 898 151 A2中所描述的那样)，或者使用脉冲技术(光时域反射技术OTDR)，可以沿着纤维空间分辨地确定温度。这样的温度测量系统例如可用于隧道和运河中的消防监测，可用于电力电缆和管道的监测，以及可在供油和供气中使用。 
除了相应的耦接光学元件(Koppeloptik)之外，DTS装置通常还包含以下主要的光学元件： 
激光源 
用于将激光源的光耦入用于测量的光导纤维中并用于分离该激光的从该光导纤维反向散射的拉曼散射光分量的光谱分离器(Spektralteiler)， 
用于测量的光导纤维， 
用于分离斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光谱分离器， 
用于斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的滤波器， 
用于斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的检测器。 
代替两个用于斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的滤波器，可以设置可调或可更换的滤波器。在使用这种可更换的滤波器时，依次测量两个通道。这对于测量时间而言是不利的，但是可以带来成本上的优势，并且还可以通过为两个信号使用相同的通道而带来准确性方面的优点。 
DTS装置基本上大多可以被构造为自由辐射光学装置(Freistrahloptik)。但是，由于种种实现的原因(效率，稳定性)，通常使用纤维光学的构造。 
光导纤维中空间分辨的温度测量的一个问题在于偏振沿着纤维而变化。这主要、但不是仅仅出现在单模光纤中。激励辐射通常被偏振。由于拉曼散射也可能发生偏振，所以从纤维返回的拉曼散射光分量同样可能被偏振。拉曼散射光的检定(Nachweis)通过使用光谱分离器、滤波器和其他可能依赖于偏振的部件而实现。测量的结果因此可能取决于偏振。 
在多模光纤中，不同模式以略微不同的速度传播，并且纤维对偏振的影响也取决于模式。因此，在较长的线路上产生不同偏振状态的或多或均匀的混合。因此，在使用DTS的测量中偏振效应的问题主要在于单模光纤中，以及在具有少量模式或长度短的多模光纤的测量中。 
在光纤中，偏振平面可能旋转，或者偏振由于诸如应力双折射这样的效应而在其他方面被改变。因此，测试信号不仅取决于所希望的局部温度的方式，而且也取决于测量点的本地偏振或在通过光纤的路径上偏振的变化。即使当偏振效应仅仅少许地影响测量参数时，偏振效应也可能已经具有对温度确定的显著影响，并且例如表现为几℃。因此，这样的效应可能限制DTS装置的温度分辨率。特别是在使用单模光纤工作的装置中，在温度曲线上观察到幅度为几℃且波长为数米直至几十米的调制。这归因于光纤材料中由于由应力导致的双折射而产生的偏振平面的旋转。 
发明内容
本发明要解决问题是提供一种前述类型的设备，利用其可以实现更高的温度分辨率和/或空间分辨率。 
根据本发明，这是通过具有根据本发明一个方面的特征的前述类型的设备来实现的。 
根据本发明的一个方面，该设备包括用于减小由偏振决定的效应的装置。通过该装置，所述偏振效应的影响可以被降低使得可以改善该设备的温度分辨率和/或空间分辨率。 
例如可以规定，用于减小由偏振决定的效应的装置包括偏振改变器(Polarisationsveraenderer)，其可以将至少一个激光源的光在耦入到光导纤维中之前至少部分地消偏振，或者可以将光的偏振状态在耦入前在时间上和/或在空间上进行改变。 
偏振改变器应当影响激光、或可能还有散射光的偏振，使得元件(如光谱分离器和滤波器)的偏振依赖性不再产生重要作用。 
一个理想的偏振改变器会消除光的偏振，并因此作为消偏振器。但是，这不是在所有情形下都是可能的，或者涉及巨大的花费。 
尤其地，相干辐射总是偏振的，并且只会在其偏振状态(线、圆、椭圆、偏振轴)方面受到影响。 
另一方面，对于所希望的检测的偏振无关性，实际的消偏振不是绝对必需的。相反，也可以使用偏振改变器，其在时间上和/或在空间上改变偏振状态，并因此导致检测中不同偏振分量的平均。 
对于根据本发明的设备特别适合的偏振改变器工作如下： 
-将光分解为两个强度相近的分量， 
-将一个分量的偏振平面旋转90°， 
-将一个分量延迟一段距离，该距离大于该至少一个激光源的相干长度、但小于设备的所希望的空间分辨率， 
-将两个分量耦入到用于温度测量的光导纤维中。 
这种设置在没有可移动部件的情况下也能工作，不需要能量输入，并且能够经济地被实现。延迟距离必须大于相干长度，以便不会 在消偏振器后面又获得偏振光。由于大的延迟距离影响空间分辨率，所以在高分辨率设备中的使用时存在可能的限制。对于高分辨率的设备，可以考虑其他解决方案，例如通过使用旋转的光学活性片(半波板)、用于改变偏振的电活化单元或机械加载的光导纤维，机械加载的光导纤维通过机械荷载由于引起的双折射而可能导致偏振的改变。 
偏振改变器基本上很多可以被构造为自由辐射光学元件。但是，也存在这样的可能性，即考虑偏振改变器的纤维光学构造。 
作为替代或作为补充，可以规定，用于减小由偏振决定的效应的装置包括至少一个滤波器，其特性、尤其是在其透射性方面，对于两个偏振方向或对于任何两个相互垂直的偏振方向，差别低于10％，特别是小于5％，优选小于1％。 
作为替代或作为补充可以规定，用于减小由偏振决定的效应的装置包括至少一个光谱分离器，其特性、尤其是在其透射性和/或其反射性方面，对于两个偏振方向或对于任何两个相互垂直的偏振方向，差别低于10％，特别是小于5％，优选小于1％。 
通过这两个措施，由偏振决定的效应对温度测量的影响被减小。 
光谱分离器和其他波长选择性的滤波器在其功能方面可能明显依赖于偏振。这种偏振依赖性例如由于在倾斜的光入射时取决于偏振的反射和折射而产生。 
对于薄膜滤波器减小偏振依赖性的一种方法是使用特殊的层设计，这些层设计在所涉及的波长下对于两个偏振分量具有非常相似的特性。 
另一种方法是使用小的入射角。在垂直入射时，滤波器与偏振无关地工作。对于小的入射角，例如小于10°，偏振效应可能足够小，以便使得能够以根据本发明的设备实现温度的准确测量。 
附图说明
借助于以下参考附图描述优选实施例，本发明的其他特征和优点变得清楚。其中 
图1示出了根据本发明的设备的第一实施方式的示意图； 
图2示出了偏振改变器的一个示例性实施方式； 
图3示出了根据本发明的设备的第二实施方式的示意图的细节； 
图4示出了根据本发明的设备的第三实施方式的示意图。 
附图中，相同的部件或功能相同的部件具有相同的附图标记。 
具体实施方式
根据本发明的设备的在图1中所示的实施方式包括由控制装置1控制的激光源2。激光源2的光3穿过偏振改变器4，偏振改变器可以对光3消偏振或者在时间上和/或在空间上改变光3的偏振状态。在穿过偏振改变器4之后，光3经由包括光谱分离器5和例如透镜6的耦入装置被耦入到用于温度测量的光导纤维7中。 
透镜6和光谱分离器5还用作为耦出装置，并且可以将由激光源2所产生的光3的在光导纤维中被反向散射的分量馈送给示意性示出的分析装置8。分析装置8例如包括用于激光波长和拉曼散射的光谱分离器9以及两个用斯托克斯散射和反斯托克斯散射的检测器10、11，在它们之前设置有未示出的滤波器。此外，分析装置8还包括测量电子部件12。此外，在可能的情况下，可以设置用于瑞利波长的检测器。 
滤波器可以具有为相互垂直的线偏振给出相似的通带特性。尤其地，态正交穿越特征相似的结果。特别是，例如对于要检定的拉曼波长，透射性对于两个偏振方向或对于任何两个相互垂直的偏振方向差别小于1％。因此，滤波器对于温度测量的取决于偏振的影响被最小化。 
其中，光导纤维7中空间分辨的温度测量可以通过对应于OFDR方法(如其在EP 0 692 705 A1中所描述的那样)实现。尤其地，其中，激光源2的光3可以被频率调制，并且在分析装置8中执行傅立叶变换。 
此外，图1还示出了在激光源2的控制装置1与测量电子部件12之间的连接34。这个连接用于激光源2和电子测量部件12的同步。 
从图2中可以看出一种偏振改变器4的一个示例性实施方式。所示出的偏振改变器4包括一个偏振分束器13和两个各自由镜和偏振旋转器构成的法拉第镜14、15。45°的法拉第旋转器或四分之一波片可以被考虑作为偏振旋转器。 
激光源2的光3在图2中从左边击中到偏振分束光13上。光2应包括相对于平行偏振和相对于垂直偏振或相对于图2中的垂直方向成45°角的线偏振16。光3的第一分量17被偏振分束器13向上反射。这个第一分量17包括对应于平行偏振的偏振18。光3的第二分量19不受阻碍地穿过偏振分束器13。这个第二分量19包括对应于垂直偏振的偏振20。 
在图2中，第一分量17被第一法拉第镜14向下反射，其中其偏振被旋转90°，使得其作为垂直偏振21存在。在图2中，第二分量19被第二法拉第镜15向左反射，其中其偏振同样旋转90°，使得其作为平行偏振22存在。这两个分量17、19在再次击中到偏振分束器13时被该偏振分束器13组合并在图2中向下从该偏振分束器出射。 
其中，第一分量17的从偏振分束器13经由第一法拉第镜14返回到偏振分束器13的光路比第二分量19的从偏振分束器13经由第二法拉第镜15返回到偏振分束器13的光路短。这尤其通过偏振分束器13与第二法拉第镜15之间的距离比偏振分束器13与第一法拉第镜14之间的距离大来实现。由此导致的分量17、19的光路差应当大于光3的相干长度。 
在这种情况下，在图2中向下从偏振分束器13出射的光23(也参见图1)既具有带有垂直偏振24的分量，也具有带有平行偏振25的分量，这两个分量相互不相干。由此，在理想情况下得到光23的消偏振。 
在图2中示出的偏振改变器4是多个可能的例子之一。在US2007/0297054中公开了可使用的偏振改变器的这个例子和其他例子。 
图3示出了光谱分离器26，它例如可以被使用来代替图1中的光谱分离器5。光谱分离器26相对于图3中的垂线27倾斜小于10°的角 度α。由此，光3击中光谱分离器26的入射角也小于10°。光3的从光导纤维6反向散射的分量28被光谱分离器26以角度2α反射，并且被耦入到光导纤维29中，光导纤维29可以将待检测分量28馈送给分析装置8。由于几乎垂直地入射到光谱分离器26上，该光谱分离器26在很大程度上与偏振无关地工作。 
除了第一激光源2之外，根据本发明的设备的图4所示的实施方式包括同样由控制装置1控制的第二激光源30。其中，这两个激光源2、30具有不同的偏振，尤其是相互垂直的线偏振，并且这两个激光源2、30相互不相干。激光源2、30的光3、31被偏振耦合器32组合，并且经由光谱分离器5和透镜6被耦入到光导纤维7中。由激光源2、30所生成的光3、31在光导纤维7中被反向散射的分量经由透镜6和光谱分离器5馈送给示意性示出的分析装置8。分析装置8例如包括用于拉曼散射的滤波器33以及用于斯托克斯散射的检测器10。其中，滤波器被实现为能更换的滤波器，使得这两个通道(斯托克斯散射和反斯托克斯散射)被依次测量。此外，分析装置8附加地还包括测量电子部件12。 
由于在光导纤维6中反向散射的光3、31包括相互不相干的、具有相互垂直的线偏振的分量，所以在很大程度上避免了现有技术中已知的取决于偏振的效应。 
此外，从图4中还可以看出在激光源2、30的控制装置1与测量电子部件12之间的连接34。这个连接用于将激光源2、30与测量电子部件12同步。 

Claims (20)

1.一种用于空间分辨的温度测量的设备，包括 
至少一个用于空间分辨的温度测量的光导纤维(6)， 
至少一个激光源(2，30)，所述激光源的光(3，23，31)能够被耦入到所述光导纤维(6)中，其中由所述激光源(2，30)生成的光(3，23，31)在所述光导纤维(6)中被反向散射的分量能够被从所述光导纤维(6)中耦出， 
其特征在于，所述设备包括用于减小由偏振决定的效应的装置，所述用于减小由偏振决定的效应的装置包括至少一个滤波器(33)，所述滤波器的特性对于两个偏振方向差别小于10％，在所述设备中使用所述至少一个激光源(2，30)的耦入到所述光导纤维(6)中的光(3，23，31)的斯托克斯散射强度与反斯托克斯散射强度之比来进行温度测量，其中所述滤波器(33)的特性是在其透射性方面的特性。 
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述滤波器(33)的特性对于两个偏振方向差别小于5％。 
3.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述滤波器(33)的特性对于两个偏振方向差别小于1％。 
4.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述用于减小由偏振决定的效应的装置包括偏振改变器(4)，所述偏振改变器(4)能够将所述至少一个激光源(2)的光(3)在耦入到所述光导纤维(6)中之前至少部分地消偏振，或者能够将这个光(3)的偏振状态在耦入之前在时间上和／或在空间上进行改变。 
5.根据权利要求4的设备，其特征在于，所述偏振改变器(4)包括偏振分束器(13)，所述偏振分束器(13)能够将光(3)分为具有不同偏振(18，20)的两个分量(17，19)。 
6.根据权利要求5的设备，其特征在于，所述偏振改变器(4)被构造为使得所述具有不同偏振(18，20)的两个分量(17，19)在重新被相互组合之前在所述偏振改变器(4)中经过不同长度的光学路 径。 
7.根据权利要求1至6之一的设备，其特征在于，所述至少一个激光源(2，30)包括第一激光源(2)和第二激光源(30)，其中除了所述第一激光源(2)的光之外，所述第二激光源的光(31)也能够被耦入到所述光导纤维(6)中，其中由所述第二激光源(30)生成的光(31)的在所述光导纤维(6)中被反向散射的分量同样能够从所述光导纤维(6)中耦出，并且所述第二激光源(30)的被耦入到所述光导纤维(6)中的光(31)的偏振不同于所述第一激光源(2)的被耦入所述光导纤维(6)中的光(3)的偏振。 
8.根据权利要求7的设备，其特征在于，这两个激光源(2，30)相互不相干。 
9.根据权利要求1至6之一的设备，其特征在于，所述两个偏振方向相互垂直。 
10.一种用于空间分辨的温度测量的设备，包括 
至少一个用于空间分辨的温度测量的光导纤维(6)， 
至少一个激光源(2，30)，所述激光源的光(3，23，31)能够被耦入到所述光导纤维(6)中，其中由所述激光源(2，30)生成的光(3，23，31)在所述光导纤维(6)中被反向散射的分量能够被从所述光导纤维(6)中耦出， 
其特征在于，所述设备包括用于减小由偏振决定的效应的装置，所述用于减小由偏振决定的效应的装置包括至少一个光谱分离器(5，9，26)，所述光谱分离器(5，9，26)的特性对于两个偏振方向差别小于10％，在所述设备中使用所述至少一个激光源(2，30)的耦入到所述光导纤维(6)中的光(3，23，31)的斯托克斯散射强度与反斯托克斯散射强度之比来进行温度测量，所述光谱分离器(5，9，26)的特性是在其透射性和／或其反射性方面的特性。 
11.根据权利要求10的设备，其特征在于，所述光谱分离器(5，9，26)的特性对于两个偏振方向差别小于5％。 
12.根据权利要求10的设备，其特征在于，所述光谱分离器(5， 9，26)的特性对于两个偏振方向差别小于1％。 
13.根据权利要求10的设备，其特征在于，所述用于减小由偏振决定的效应的装置包括偏振改变器(4)，所述偏振改变器(4)能够将所述至少一个激光源(2)的光(3)在耦入到所述光导纤维(6)中之前至少部分地消偏振，或者能够将这个光(3)的偏振状态在耦入之前在时间上和／或在空间上进行改变。 
14.根据权利要求13的设备，其特征在于，所述偏振改变器(4)包括偏振分束器(13)，所述偏振分束器(13)能够将光(3)分为具有不同偏振(18，20)的两个分量(17，19)。 
15.根据权利要求14的设备，其特征在于，所述偏振改变器(4)被构造为使得所述具有不同偏振(18，20)的两个分量(17，19)在重新被相互组合之前在所述偏振改变器(4)中经过不同长度的光学路径。 
16.根据权利要求10的设备，其特征在于，所述光谱分离器(26)被设置在所述设备中使得所述光(3)和／或所述光(3)的从所述光导纤维(6)反向散射的分量(28)以小于20°的角度(α)入射到所述光谱分离器(26)上。 
17.根据权利要求10的设备，其特征在于，所述光谱分离器(26)被设置在所述设备中使得所述光(3)和／或所述光(3)的从所述光导纤维(6)反向散射的分量(28)以小于10°的角度(α)入射到所述光谱分离器(26)上。 
18.根据权利要求10至17之一的设备，其特征在于，所述至少一个激光源(2，30)包括第一激光源(2)和第二激光源(30)，其中除了所述第一激光源(2)的光之外，所述第二激光源的光(31)也能够被耦入到所述光导纤维(6)中，其中由所述第二激光源(30)生成的光(31)的在所述光导纤维(6)中被反向散射的分量同样能够从所述光导纤维(6)中耦出，并且所述第二激光源(30)的被耦入到所述光导纤维(6)中的光(31)的偏振不同于所述第一激光源(2)的被耦入所述光导纤维(6)中的光(3)的偏振。 
19.根据权利要求18的设备，其特征在于，这两个激光源(2，30)相互不相干。 
20.根据权利要求10至17之一的设备，其特征在于，所述两个偏振方向相互垂直。 
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