CN102080953A - 融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，基于光纤拉曼频移原理，光纤瑞利与拉曼融合散射传感原理，采用光纤拉曼频移器，集成型光纤波分复用技术和利用光时域反射原理对测点进行定位。包括光纤脉冲激光器、由单模光纤和1660nm带通滤光片组成的光纤拉曼频移器、集成型光纤波分复用器、传感光纤、光电接收模块、数字信号处理器和计算机。该传感器成本低、寿命长、结构简单、信噪比好，可靠性好，适用于远程、超远程15-60公里范围内石化管道，隧道，大型土木工程监测和灾害预报监测。

Description

融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，尤其是融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器。

背景技术

长期以来，国内外在工程领域，大型土木建筑、桥粱、隧道、石化管道、储油罐和电力电缆主要使用电学应变片和热敏电组作为应变和温度传感器，每个传感器均需连电线，组成大型检测网络，结构很复杂，这类传感器本身带电，本质上是不安全的，易受电磁干扰，不耐腐蚀，也不能定位，不适合于恶劣环境中使用，更不适合于应用地质灾害和火灾的现场。

近年来发展起来的光纤传感器网能实现大型土木工程、电力工程、石化工业，交通桥梁，隧道，地铁站，大坝、大堤和矿业工程等安全健康监控和灾害的预报和监测。光纤传感器有两大类：一类是以光纤光栅(FBG)和光纤法白(F-P)等点式传感器“挂”(布设)在光纤上，采用光时域技术组成的准分布式光纤传感器网络，准分布式光纤传感器网的主要问题是在点式传感器之间的光纤仅是传输介质，因而存在检测“盲区”；另一类利用光纤的本征特性，光纤瑞利、拉曼和布里渊散射效应，采用光时域(OTDR)技术组成的全分布光纤传感器网，测量应变和温度。全分布光纤传感器网中的光纤既是传输介质又是传感介质，不存在检测盲区。

张在宣提出的《全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器》(中国发明专利，专利号：200910099463.7，2010年授权)提供了一种成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好的分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器，适用于中、短程0-15km全分布式光纤传感网的检测范围。但已不能完全满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对远程、超远程全分布式光纤瑞利、拉曼和布里渊散射应变、温度传感网的迫切需求。

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，可靠性好的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器。

本发明的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，包括光纤脉冲激光器、由单模光纤和1660nm带通滤光片组成的光纤拉曼频移器、集成型光纤波分复用器、传感光纤、光电接收模块、数字信号处理器和计算机。单模光纤的输入端与光纤脉冲激光器相连，集成型光纤波分复用器具有四个端口，其中1660nm输入端口与1660nm带通滤光片相连，COM输出端口与传感光纤相连，1550nm输出端口与光电接收模块的一个输入端相连，1660nm输出端口与光电接收模块另一输入端相连，光电接收模块的两个输出端分别与数字信号处理器的两个输入端口相连，数字信号处理器信号输出端连接计算机。

本发明中，所说的脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为10ns，峰值功率为1-1kW可调，重复频率为500Hz-20KHz可调。

本发明中，所说的光纤拉曼频移器中的带通滤光片的中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98％，对1550nm激光的隔离度＞45dB。单模光纤可以采用600m、900m或1200m单模光纤。

本发明中，所说的传感光纤长度为15-60km，可以采用G652通信单模光纤，也可以采用碳涂覆单模光纤。

碳涂覆单模光纤是一种在拉丝过程中，于裸光纤表面上沉积一层35～70nm厚的致密碳膜，然后再涂覆一层紫外固化有机涂料，致密碳膜可大大增强在恶劣环境下对裸光纤的保护，保障其耐久性，传感光纤铺设在现场，该光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀，可靠性好，光纤既是传输介质又是传感介质。

光纤脉冲激光器发出激光脉冲进入光纤拉曼频移器，光纤拉曼频移器将1550nm波段的光脉冲激光器的频率频移13.2THz到1660nm波段，作为全分布式光纤传感器的宽带探测光源。宽带光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入传感光纤，在传感光纤中产生的背向瑞利散射，斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波，经集成型光纤波分复用器分束，带有应变信息的背向瑞利散射光和带有温度信息的反斯托克斯拉曼散射光子波分别经光电接收模块，将光信号转换成模拟电信号并放大，由瑞利散射光的强度比得到应变的信息，给出传感光纤上各应变探测点的应变，应变变化速度和方向；由反斯托克斯拉曼散射光与瑞利散射光的强度比，扣除应变的影响得到光纤各段的温度信息，各感温探测点的温度，温度变化速度和方向，应变与温度的检测不存在交叉效应，利用光时域反射对传感光纤上的检测点定位(光纤雷达定位)。通过数字信号处理器与应变、温度解调软件解调并对应变与温度测进行定标，在60秒内得到15-60km传感光纤上各点应变与温度变化量，测温精度±2℃，由计算机通讯接口、通讯协议进行远程网络传输，当传感光纤上检测点达到设定的应变或温度报警设定值时，向报警控制器发出报警信号。

光纤拉曼频移器原理：

当入射激光v₀与光纤分子产生非线性相互作用散射，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Δv，光纤分子的声子频率为13.2THz，入射激光v₀，产生了频移。

v＝v₀±Δv    (1)

叫做光纤拉曼频移，可制作成光纤拉曼频移器。如果入射激光超过一定的阈值，在光纤里的斯托克斯波v＝v₀-Δv在光纤介质内快速增加，大部分泵浦光的功率都可以转换成斯托克斯光，并有拉曼放大作用，增益可以抑制光纤的传输损耗，提高全分布式光纤应变、温度传感器的工作距离，这种受激拉曼散射现象成为光纤拉曼频移器的工作原理。

分布式光纤瑞利散射光子传感器测量形变的原理：

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传感光纤，激光与光纤分子的相互作用，产生与入射光子同频率的瑞利散射光，瑞利散射光在光纤中传输存损耗，随光纤长度而指数式衰减，背向端利散射光强用下式表示：

I_Ray＝I₀·v₀ ⁴exp(-2α₀L)        (2)

上式中I₀为入射到光纤处的光强，L为光纤长度，I为背向瑞利散射光在光纤长度L处的光强，α₀为入射光波长处的光纤传输损耗。

由于光纤将传感光纤铺设在检测现场，当现场环境产生形变或裂纹时，造成铺设在现场的光纤发生弯曲，光纤产生局部损耗，形成光纤的附加损耗Δα，则总损耗α＝α₀+Δα，局域处的光强有一个跌落，光强由I(l)减少为I′(l)，形变造成的附加损耗通过光强的改变进行测量。

$\mathrm{\Δ\α}=\frac{1}{2l}\log \frac{I\left(l\right)}{I^{\′}\left(l\right)}---\left(3\right)$

形变或裂纹大小与光纤损耗的关系采用仿真模型计算并在实验室进行摸拟试验测量获得。

分布式光纤拉曼散射光子传感器测量温度的原理：

当入射激光与光纤分子产生非线性相互作用散射，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，在光纤里反斯托克斯背向拉曼散射光强为

I_a＝I₀·v_a ⁴R_a(T)exp[-(α₀+α_a)·L]        (4)

它受到光纤温度的调制，温度调制函数Ra

R_a(T)＝[exp(hΔv/kT)-1]^-1            (5)

h是波朗克(Planck)常数，Δv是一光纤分子的声子频率，为13.2THz，k是波尔兹曼常数，T是凯尔文(Kelvin)绝对温度。

在本发明中采用光纤瑞利通道做参考信号，用反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光强度的比值来检测温度

$\frac{I_a\left(T\right)}{I_R\left(T\right)}={\left(\frac{v_a}{v_0}\right)}^4\·\exp {[(\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})-1]}^{-1}\·\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_0)\·L]---\left(6\right)$

由光纤拉曼光时域反射(OTDR)曲线在光纤检测点的反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光强度比，扣除应变的影响得到光纤各段的温度信息。

本发明的有益效果在于：

本发明的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，采用光纤拉曼频移器，将探测激光移到1660nm波段并得到了放大，提高了传感器系统的信噪比，增加了传感器的测量长度，提高了传感器的可靠性和空间分辨率，在测量现场温度的同时能测量现场的形变、裂缝和温度并且互不交叉。采用集成型波分复用器，降低了成本；在性价比上优于分布式光纤布里渊温度、应变传感器。铺设在防灾现场的传感光纤是绝缘的，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，是本征型的传感光纤，且寿命长，本发明适用于远程、超远程15-60km全分布式光纤应变、温度传感网，可用于石化管道，隧道，大型土木工程监测和灾害预报监测。

附图说明

图1是融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器的示意图。

具体实施方式

参照图1，融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，包括光纤脉冲激光器11、由单模光纤12和1660nm带通滤光片13组成的光纤拉曼频移器、集成型光纤波分复用器14、传感光纤15、光电接收模块16、数字信号处理器17和计算机18。单模光纤12的输入端与光纤脉冲激光器11相连，集成型光纤波分复用器14具有四个端口，其中1660nm输入端口与1660nm带通滤光片13相连，COM输出端口与传感光纤15相连，1550nm输出端口与光电接收模块16的一个输入端相连，1660nm输出端口与光电接收模块16另一输入端相连，光电接收模块16的两个输出端分别与数字信号处理器17的两个输入端口相连，数字信号处理器17信号输出端连接计算机18。

其中，脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为10ns，峰值功率为1-1kW可调，重复频率为500Hz-20KHz可调。铺设在现场的60km，空间分辨率为1米，具有60,000个检测点。数字信号处理器采用通用的信号处理卡，插在工业控制计算机内。

光纤拉曼频移器由600m单模光纤和1660nm带通滤光片组成，带通滤光片中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98％，对1550nm激光的隔离度＞45dB。当1550nm光纤脉冲激光通过600m单模光纤时，光脉冲的频率产生13.2THz移动，得到中心波长在1660nm，宽光谱28nm的探测光脉冲，当光纤拉曼频移器将1550nm波段的高功率激光器频移13.2THz到1660nm波段，作为全分布式光纤传感器的宽带探测光源，如果入射激光超过一定的阈值，在光纤里的斯托克斯波v＝v₀-Δv在光纤介质内快速增加，大部分泵浦光的功率都可以转换成斯托克斯光，并有拉曼放大作用，增益可以抑制光纤的传输损耗，提高全分布式光纤应变、温度传感器的工作距离。

信号处理器采用杭州欧忆光电科技有限公司的100MHz带宽，250MS/s采集率的HZOE-SP01型信号处理卡。集成型光纤波分复用器采用SZMX-WDM-2型光纤波分复用器。光电接收模块采用HZOE-GDJM-2型光电接收模块。

Claims (5)

1.融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是包括光纤脉冲激光器(11)、由单模光纤(12)和1660nm带通滤光片(13)组成的光纤拉曼频移器、集成型光纤波分复用器(14)、传感光纤(15)、光电接收模块(16)、数字信号处理器(17)和计算机(18)。单模光纤(12)的输入端与光纤脉冲激光器(11)相连，集成型光纤波分复用器(14)具有四个端口，其中1660nm输入端口与1660nm带通滤光片(13)相连，COM输出端口与传感光纤(15)相连，1550nm输出端口与光电接收模块(16)的一个输入端相连，1660nm输出端口与光电接收模块(16)另一输入端相连，光电接收模块(16)的两个输出端分别与数字信号处理器(17)的两个输入端口相连，数字信号处理器(17)信号输出端连接计算机(18)。

2.根据权利要求1所述的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是光纤脉冲激光器(11)的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为10ns，峰值功率为1-1kW可调，重复频率为500Hz-20KHz可调。

3.根据权利要求1所述的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是带通滤光片(13)的中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98％，对1550nm激光的隔离度＞45dB。

4.根据权利要求1所述的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是单模光纤(12)为600m、900m或1200m单模光纤。

5.根据权利要求1所述的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是传感光纤(15)为G652通信单模光纤或碳涂覆单模光纤。

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