CN102322808B - 超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器是利用脉冲编码原理，光纤受激拉曼散射效应，自发拉曼散射的温度效应和自发布里渊散射应变效应和光时域反射原理制成的测量温度和应变的传感器。将放大的脉冲编码反向反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光分别通过两个光电接收模块输入直接检测系统解码解调，测量两者的强度比，得到光纤各段的温度信息。将放大的脉冲编码反向光纤布里渊散射光与外腔窄带光纤激光器的本地光拍频进行相干检测，通过解码解调测量频移得到光纤各段的应变信息。该传感器采用时间序列编码激光脉冲可有效增加入射传感光纤的光子数，改善传感系统的信噪比。增加测量长度，改善测量精度和空间分辨率。

Description

超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器

技术领域

本发明涉及集成光纤Raman放大器的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，属于光纤传感器技术领域。

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检测现场的温度，国外有分布式光纤布里渊散射光子传感器检测现场的应变和温度，由于存在交叉效应，不能同时测量光纤的应变和温度，英国南安普敦大学Newson研究团队提出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 Distributed Measurements of Temperature and Strain using Spontaneous Raman and Brillouin Scattering, Optics Letters,2005,1 June, p.1276-1278）。中国计量学院张在宣研究团队提出采用两个不同光谱带宽的激光光源，采用宽带光源的光纤拉曼散射强度比测量光纤的温度，采用窄带光源的光纤布里渊散射线的频移比测量光纤的应变，初步解决了应变和温度同时测量的问题（张在宣等《超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器》，ZL200710156868.0）;中国计量学院余向东，张在宣等提出将脉冲编码技术应用于全分布式光纤传感器 (余向东，张在宣等《采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器》，CN101819073A)在光纤传感系统中采用脉冲编码技术提高了发射信号光子数，使得背向拉曼散射光强度提高，改善了系统的信噪比，从而大大提高了系统的信噪比。融合脉冲编码技术，光纤拉曼散射、布里渊散射技术，受激拉曼放大技术可有效地提高测量距离和测量精度，满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对超远程100km全分布式光纤应变、温度传感网的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，以实现增加系统的测量长度，同时提高测量温度和应变的精度。

本发明的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器包括波形发生器，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器，半导体FP腔宽带光纤激光器，光纤分波器，脉冲编码光调制器，光纤合波器，单向器，光纤拉曼激光器，泵浦-信号光纤耦合器，双向耦合器，超远程单模光纤，光纤光栅窄带反射滤光器，波分复用器，两个光电接收模块，直接检测系统，两个窄带光纤光栅滤光器，通过环行器，相干检测系统和工控机，工控机的输出端与波形发生器的输入端相连，波形发生器的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器的输入端相连，波形发生器的另一个输出端与脉冲编码光调制器的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器的输出端与光纤合波器的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器的输出端与光纤分波器的输入端相连，光纤分波器的一个输出端与脉冲编码光调制器的另一个输入端相连，光纤分波器的另一个输出端经第二窄带光纤光栅滤光器与通过环行器的一个输入端相连，脉冲编码光调制器的输出端与光纤合波器的另一个输入端相连，光纤合波器的输出端与单向器的输入端相连，单向器的输出端与泵浦-信号光纤耦合器的一个输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器的另一个输入端与光纤拉曼激光器相连，泵浦-信号光纤耦合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连接超远程单模光纤，双向耦合器的另一个输出端经光纤光栅窄带反射滤光器与波分复用器的输入端相连，波分复用器的一个输出端经第一光电接收模块与直接检测系统的一个输入端相连，波分复用器的另一个输出端经第二光电接收模块与直接检测系统的另一个输入端相连，波分复用器的第三个输出端与第一窄带光纤光栅滤光器的输入端相连，直接检测系统的输出端与工控机的一个输入端相连，第一窄带光纤光栅滤光器的输出端与通过环行器的另一个输入端相连，通过环行器的输出端经相干检测系统与工控机的另一个输入端相连。 

本发明中，所述的半导体FP腔宽带光纤激光器由F-P半导体激光器组成，其中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。

本发明中，所述的半导体外腔窄带脉冲光纤激光器是中心波長为1555nm，光谱带宽为200kHz的20mW连续运行的光纤激光器。

本发明中，所述的编码光调制器是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器（Mach–Zehnder modulator(MZM)）。

本发明中，所述的光纤拉曼激光器是波长为1465nm的功率可调光纤拉曼激光器。它与泵浦-信号光纤耦合器与超远程100km单模光纤组合成一只增益可调的前向泵浦分布式光纤拉曼放大器。

本发明中，所述的光纤光栅窄带反射滤波器是高反射率、高隔离度（大于35dB），波长为1465nm窄带光谱间隔为0.3nm的光纤光栅反射滤波器。

本发明中，所述的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。

本发明中，所述的第一窄带光纤光栅滤光器是中心波长为1555.08nm，光谱带宽为0.1nm，损耗<0.3dB，隔离度>35dB的光纤光栅。第二窄带光纤光栅滤光器是中心波长为1555.0nm，光谱带宽为0.1nm，损耗<0.3dB，隔离度>35dB的光纤光栅。

本发明中，所述的相干检测系统是频谱范围9kHz-26.5GHz的频谱分析仪。

超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器是基于光纤非线性光学散射融合原理、波分复用原理和脉冲编码原理，利用光纤受激拉曼散射效应，自发拉曼散射的温度效应和自发布里渊散射应变效应和光时域反射原理制成的测量温度和应变的传感器。

脉冲编码分布式拉曼、布里渊散射光纤传感器的编码解码原理：                                                

本传感器的序列脉冲编码是通过S矩阵转换来实现的，S矩阵转换是标准哈达马得（Hadamard）转换的一种变式，也可称为哈达马得转换。S矩阵的元素均由“0”和“1”组成，这一特点很适用于激光序列脉冲编码，在实际应用中可用“O”代表激光器关闭，用“1”代表激光器开启。这种采用“0”、“1”的编码方式又可称为简单编码。而解码的过程是对应的逆S矩阵转换。

由编码原理推导得知，采用N位的序列脉冲编码解码可获得的信噪比改善为：

          

                                     (1)

由(1)式可知，信噪比改善随着编码位数的提高而提高。

当N取255时：

光纤传感器的空间定位分辨率由单位的窄脉冲宽度决定，由于采用多脉冲发射，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，并且不必提高单个激光脉冲的峰值功率从而又有效地防止了光纤非线性效应造成背向反斯托克斯拉曼光时域反射(OTDR)曲线的变形。

受激拉曼放大器原理：

当频率为ν₀的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ν=ν₀-Δν，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子ν₀+Δν，光纤分子的声子频率为Δν，数值为13.2THz。可表达为          

ν=ν₀±Δν                                 （2）

放大器的开关增益为

              

                      （3）

其中

是放大器的泵浦光输入功率，I ₀ 是光强，

是光纤的有效截面，

是拉曼增益系数，，

 为光纤的有效作用长度 (考虑了光纤对泵浦的吸收损耗)，其表达式如下：

               

                      （4）

其中

为泵浦频率处的光纤损耗，L为光纤长度，对于光纤拉曼放大器，泵浦功率只有超过某一阈值时，才有可能会对信号产生受激拉曼放大，在光纤里的斯托克斯波ν=ν ₀ -Δν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。

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）：

                                     （5）                                      

其中是经光电转换后的电平值，ν _a  ，ν _s 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 76.52 x10^-34J.s（1998年基本物理常数数据）, Δν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（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ν _B 为：

                       ν _B =2nv/λ                       （6）

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，ν _B 约为11GHz。

在光纤中的布里渊散射光频移ν_B具有应变和温度效应

                                                                                                    （7）

布里渊散射光的频移

                                                （8）

其中频移的应变系数C_νε和温度系数C_νΤ为

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。

本发明的有益效果在于：

本发明基于光纤非线性光学散射融合原理、受激拉曼放大原理，波分复用原理和脉冲编码原理，采用时间序列编码激光脉冲，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，提高了传感系统的信噪比，受激拉曼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，改善了传感系统的测量精度。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是本发明的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器的示意图。

具体实施方式

参照图1，发明的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，包括波形发生器9，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器10，半导体FP腔宽带光纤激光器11，光纤分波器12，脉冲编码光调制器13，光纤合波器14，单向器15，光纤拉曼激光器16，泵浦-信号光纤耦合器17，双向耦合器18，超远程单模光纤19，光纤光栅窄带反射滤光器20，波分复用器21，两个光电接收模块22、23，直接检测系统24，两个窄带光纤光栅滤光器25、26，通过环行器27，相干检测系统28和工控机29，工控机29的输出端与波形发生器9的输入端相连，波形发生器9的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器11的输入端相连，波形发生器9的另一个输出端与脉冲编码光调制器13的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器11的输出端与光纤合波器14的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器10的输出端与光纤分波器12的输入端相连，光纤分波器12的一个输出端与脉冲编码光调制器13的另一个输入端相连，光纤分波器12的另一个输出端经第二窄带光纤光栅滤光器26与通过环行器27的一个输入端相连，脉冲编码光调制器13的输出端与光纤合波器14的另一个输入端相连，光纤合波器14的输出端与单向器15的输入端相连，单向器15的输出端与泵浦-信号光纤耦合器17的一个输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器17的另一个输入端与光纤拉曼激光器16相连，泵浦-信号光纤耦合器17的输出端与双向耦合器18的输入端相连，双向耦合器18的一个输出端连接超远程单模光纤19，双向耦合器18的另一个输出端经光纤光栅窄带反射滤光器20与波分复用器21的输入端相连，波分复用器21的1450nm端口经第一光电接收模块22与直接检测系统24的一个输入端相连，波分复用器21的1660nm端口经第二光电接收模块23与直接检测系统24的另一个输入端相连，波分复用器21的1550nm端口与第一窄带光纤光栅滤光器25的输入端相连。直接检测系统24的输出端与工控机29的一个输入端相连，第一窄带光纤光栅滤光器25的输出端与通过环行器27的另一个输入端相连，通过环行器27的输出端经相干检测系统28与工控机29的另一个输入端相连。 

工作时，波形发生器9在工控机29控制下，输出按

S矩阵转换规则排列的序列255位编码脉冲驱动半导体FP腔宽带光纤激光器11，产生宽带的时间序列编码激光脉冲，经光纤合波器, 双向耦合器18将光纤反向的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射光通过光纤光栅窄带反射滤光器20将有害的光纤拉曼放大器泵浦光的瑞利散射反射掉，经过过滤的散射光通过波分复用器21的两个端口将经光纤拉曼放大器放大的反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光分别通过第一光电接收模块22、第二光电接收模块23，进入直接检测系统24，测量两者的强度比，得到光纤各段的温度信息, 通过直接检测系统24和工控机29将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得100km传感光纤所在现场的温度信息。

半导体外腔窄带脉冲光纤激光器10通过光纤分波器12的一个输出端依次连接由工控机29产生的波形发生器10控制的脉冲编码光调制器13，产生窄带的时间序列编码激光脉冲。波分复用器21将经光纤拉曼放大器放大的反向光纤布里渊散射光，经过窄带光纤光栅滤光器25，通过环行器27与经过窄带光纤光栅滤光器26的外腔窄带光纤激光器的本地光，通过相干检测系统28拍频进行相干检测，通过相干检测系统28和工控机29将采集、累加的编码脉冲解码解调，测量频移获得100km传感光纤所在现场的应变信息。采用脉冲编码原理在时域上的编码光脉冲序列，有效地增加了入射光纤的光子数，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。由工控机将传感光纤上的温度、应变信息通过互联网或无线网传送给远程监控网。

本发明中，所述的直接检测系统是检测1450nm被光纤拉曼放大器放大的光纤反斯托克斯拉曼散射与1660nm斯托克斯拉曼散射的强度比，通过数字信号处理器与工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得100km传感光纤所在现场的温度信息并传送给远程监控网。

本发明中，所述的相干检测系统是检测传感光纤的相干放大的受激布里渊回波信号与窄带单频光纤激光器的本地信号的外差信号，由相干检测系统和工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得100km传感光纤所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。

Claims (9)

1.超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是包括波形发

生器（9），半导体外腔窄带脉冲光纤激光器（10），半导体FP腔宽带光纤激光器（11），光纤分波器（12），脉冲编码光调制器（13），光纤合波器（14），单向器（15），光纤拉曼激光器（16），泵浦-信号光纤耦合器（17），双向耦合器（18），超远程单模光纤（19），光纤光栅窄带反射滤光器（20），波分复用器（21），两个光电接收模块（22、23），直接检测系统（24），两个窄带光纤光栅滤光器（25、26），通过环行器（27），相干检测系统（28）和工控机(29)，工控机(29)的输出端与波形发生器（9）的输入端相连，波形发生器（9）的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器（11）的输入端相连，波形发生器（9）的另一个输出端与脉冲编码光调制器（13）的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器（11）的输出端与光纤合波器（14）的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器（10）的输出端与光纤分波器（12）的输入端相连，光纤分波器（12）的一个输出端与脉冲编码光调制器（13）的另一个输入端相连，光纤分波器（12）的另一个输出端经第二窄带光纤光栅滤光器（26）与通过环行器（27）的一个输入端相连，脉冲编码光调制器（13）的输出端与光纤合波器（14）的另一个输入端相连，光纤合波器（14）的输出端与单向器（15）的输入端相连，单向器（15）的输出端与泵浦-信号光纤耦合器（17）的一个输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器（17）的另一个输入端与光纤拉曼激光器（16）相连，泵浦-信号光纤耦合器（17）的输出端与双向耦合器（18）的输入端相连，双向耦合器（18）的一个输出端连接超远程单模光纤（19），双向耦合器（18）的另一个输出端经光纤光栅窄带反射滤光器（20）与波分复用器（21）的输入端相连，波分复用器（21）的一个输出端经第一光电接收模块（22）与直接检测系统（24）的一个输入端相连，波分复用器（21）的另一个输出端经第二光电接收模块（23）与直接检测系统（24）的另一个输入端相连，波分复用器（21）的第三个输出端与第一窄带光纤光栅滤光器（25）的输入端相连，直接检测系统（24）的输出端与工控机(29)的一个输入端相连，第一窄带光纤光栅滤光器（25）的输出端与通过环行器（27）的另一个输入端相连，通过环行器（27）的输出端经相干检测系统（28）与工控机(29)的另一个输入端相连。

2.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是半导体FP腔宽带光纤激光器（11）的中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。

3.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是半导体外腔窄带脉冲光纤激光器（10）是中心波长为1555nm，光谱带宽为200kHz的20mW连续运行的光纤激光器。

4.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是脉冲编码光调制器（13）是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器。

5.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于光纤拉曼激光器（16）是波长为1465nm的功率可调光纤拉曼激光器。

6.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于光纤光栅窄带反射滤波器（20）是波长为1465nm窄带光谱间隔为0.3nm的光纤光栅反射滤波器。

7.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是波分复用器（21）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。

8.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于第一窄带光纤光栅滤光器（25）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；第二窄带光纤光栅滤光器（26）是中心波长为1555.0nm，光谱带宽为0.1nm，损耗<0.3dB，隔离度>35dB的光纤光栅。

9.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是相干检测系统（28）是频谱范围9kHz-26.5GHz的频谱分析仪。

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