CN102322809A - 脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，包括脉冲编码光纤激光器驱动电源，脉冲编码光纤激光器，集成型光纤波分复用器，光纤窄带反射滤光片，泵浦-信号耦合器，光纤拉曼激光器，传感光纤，光电接收模块，数字信号处理器和工控机。该传感器基于脉冲编码原理,光纤受激拉曼放大原理，光纤瑞利与拉曼融合散射传感原理，利用光时域反射原理对测点进行定位。改善了传感器系统的信噪比，提高了测量温度和应变精度。铺设在现场的光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀，光纤既是传输介质又是传感介质。该传感器成本低、寿命长、结构简单、信噪比好，可靠性好，适用于超远程100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

脉冲编码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，尤其是脉冲编码超远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。为满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，提高测量距离和测量精度，对超远程全分布式应变、温度传感网提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是结合脉冲编码原理和光纤瑞利与拉曼融合散射传感原理，提供一种利用光时域反射（OTDR）对测点进行定位，信噪比高、性价比和可靠性好的脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器。

本发明的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是包括脉冲编码光纤激光器驱动电源，脉冲编码光纤激光器，集成型光纤波分复用器，光纤窄带反射滤光片，泵浦-信号耦合器，光纤拉曼激光器，100km传感光纤，光电接收模块，数字信号处理器和工控机，数字信号处理器与工控机相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源的输入端与数字信号处理器的输出端相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源的输出端与脉冲编码光纤激光器的输入端相连，数字信号处理器产生的时间序列脉冲编码信号经脉冲编码光纤激光器驱动电源驱动脉冲编码光纤激光器，产生时间序列编码的激光脉冲，作为传感器的泵浦源，集成型光纤波分复用器具有四个端口，其中1550nm输入端口与脉冲编码光纤激光器的输出端相连，1450nm输出端口与光电接收模块的一个输入端相连， 1550nm输出端口与光电接收模块的另一个输入端相连，COM输出端口经光纤窄带反射滤光片与泵浦-信号耦合器的输入端相连，泵浦-信号耦合器的一个输出端与光纤拉曼激光器相连，泵浦-信号耦合器的另一个输出端与100km传感光纤相连，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，数字信号处理器将采集、累加的脉冲编码光回波信号经过解码解调后输给工控机处理，获得100km传感光纤所在现场各点的应变、温度信息并传送给远程监控网。

本发明中，所述的脉冲编码光纤激光器由F-P半导体激光器和掺饵光纤放大器组成，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，所述的光纤拉曼激光器为连续激光器，它的中心波长为1465nm，光谱宽度为0.1nm，功率0-1.2W可调。光纤拉曼激光器与超远程100km传感光纤构成一个前向泵浦的分布式光纤拉曼放大器。

本发明中，所述的光纤窄带反射滤光片的中心波长为1465nm，光谱宽度为0.3nm，对1465nm瑞利散射光的隔离度>45dB。光纤窄带反射滤光片抑制1465nm光纤拉曼激光器在传感光纤中产生的背向瑞利散射，避免瑞利散射光干扰传感光纤中1450nm波段的反斯托克斯拉曼散射的影响。

本发明中，所述的传感光纤可以是通信用G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。

本发明中，所述的光电接收模块采用两路低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片MAX4107和三级主放大器组成。

本发明中，所述的数字信号处理器采用嵌入式设计，由以ADS62P49采集芯片为核心的高速采集器和以ADSP-BF561 芯片为核心的高速数字处理器组成。

脉冲编码光纤激光器发出时间序列编码激光脉冲进入传感光纤，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，经光纤拉曼放大器放大后由集成型光纤波分复用器分朿，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，由数字信号处理器和工控批解码解调后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100km传感光纤上各点应变与温度变化量，测温精度±2oC，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。

分布式光纤拉曼放大器原理

当入射激光ν₀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Δν，光纤分子的声子频率为13.2THz。

        ν=ν₀±Δν                                  （1）

放大器的开关增益为

                                                              

                      （2）

其中

是放大器的泵浦光输入功率，

是拉曼增益系数

是光纤的有效截面，

 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：

                

                      （3）

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=ν₀-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，这种受激拉曼散射现象用来增加全分布式光纤传感器的工作距离。

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：

                                    (4)

上式中

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，

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

，则总损耗，局域处的光强有一个跌落，光强由

减少为

，形变造成的附加损耗通过光强的改变进行测量。

  

                                            (5)

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

               （6）

它受到光纤温度的调制，温度调制函数R _a

               （7）

h是波朗克（Planck）常数，Δν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

  

             （8）

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。

采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度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：

          

                                     (9)

由(9)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OTDR曲线的变形。

本发明的有益效果在于：

本发明的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，采用分布式光纤拉曼放大器，将带有应变信息的探测激光在传感光纤中产生背向瑞利散射信号放大，并放大了带有温度信息的背向反斯托克斯散射信号，提高了传感器系统的信噪比，采用脉冲编码原理有效地增加了进入传感光纤的泵浦光子数，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，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。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，并具有50年以上的长寿命, 本发明适用于超远程100km全分布式光纤应变、温度传感网。

附图说明

    图1是脉冲编码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，脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是包括脉冲编码光纤激光器驱动电源10，脉冲编码光纤激光器11，集成型光纤波分复用器12，光纤窄带反射滤光片13，泵浦-信号耦合器14，光纤拉曼激光器15，100km传感光纤16，光电接收模块17，数字信号处理器18和工控机19，数字信号处理器18与工控机19相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源10的输入端与数字信号处理器18的输出端相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源10的输出端与脉冲编码光纤激光器11的输入端相连，数字信号处理器18产生的时间序列脉冲编码信号经脉冲编码光纤激光器驱动电源10驱动脉冲编码光纤激光器11，产生时间序列编码的激光脉冲，作为传感器的泵浦源，集成型光纤波分复用器12具有四个端口，其中1550nm输入端口与脉冲编码光纤激光器11的输出端相连，1450nm输出端口与光电接收模块17的一个输入端相连， 1550nm输出端口与光电接收模块17的另一个输入端相连，COM输出端口经光纤窄带反射滤光片13与泵浦-信号耦合器14的输入端相连，泵浦-信号耦合器14的一个输出端与光纤拉曼激光器15相连，泵浦-信号耦合器14的另一个输出端与100km传感光纤16相连，光电接收模块17的两个输出端分别与数字信号处理器18的两个输入端口相连，数字信号处理器18将采集、累加的脉冲编码光回波信号经过解码解调后输给工控机19处理，获得100km传感光纤16所在现场各点的应变、温度信息并传送给远程监控网。

上述的脉冲编码光纤激光器由F-P半导体激光器和掺饵光纤放大器组成，中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。

上述的光纤拉曼激光器为连续激光器，它的中心波长为1465nm，光谱宽度为0.1nm，功率0-1.2W可调。光纤拉曼激光器（15）与100km传感光纤构成一个前向泵浦的C波段光纤拉曼放大器。

上述的光纤窄带反射滤光片的中心波长为1465nm，光谱宽度为0.3nm，对1465nm瑞利散射光的隔离度>45dB。光纤窄带反射滤光片抑制1465nm光纤拉曼激光器在传感光纤中产生的背向瑞利散射，避免瑞利散射光干扰传感光纤中1450nm波段的反斯托克斯拉曼散射的影响。

上述的集成型光纤波分复用器它具有1550nm激光输入端口，COM输出端口，1450nm输出端口和1550nm输出端口等四个端口。传感光纤中被放大的1450nm波段背向反斯托克斯拉曼散射回波通过1450nm输出端口进入光电接收模块; 传感光纤中被放大的1550nm波段背向瑞利散射回波通过1550nm输出端口进入光电接收模块。

上述的光电接收模块采用两路低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片MAX4107和三级主放大器组成。

上述的数字信号处理器采用嵌入式设计，由以ADS62P49采集芯片为核心的高速采集器和以ADSP-BF561 芯片为核心的高速数字处理器组成。数字信号处理器可送出按

S矩阵转换规则排列的序列255位编码脉冲驱动。也适用于其它位数的编码，例如：127位等。

Claims (6)

1. 脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是包括脉冲编码光纤激光器驱动电源（10），脉冲编码光纤激光器（11），集成型光纤波分复用器（12），光纤窄带反射滤光片（13），泵浦-信号耦合器（14），光纤拉曼激光器（15），100km传感光纤（16），光电接收模块（17)，数字信号处理器（18）和工控机（19），数字信号处理器（18）与工控机（19）相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源（10）的输入端与数字信号处理器（18）的输出端相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源（10）的输出端与脉冲编码光纤激光器（11）的输入端相连，数字信号处理器（18）产生的时间序列脉冲编码信号经脉冲编码光纤激光器驱动电源（10）驱动脉冲编码光纤激光器（11），产生时间序列编码的激光脉冲，作为传感器的泵浦源，集成型光纤波分复用器（12）具有四个端口，其中1550nm输入端口与脉冲编码光纤激光器（11）的输出端相连，1450nm输出端口与光电接收模块（17）的一个输入端相连， 1550nm输出端口与光电接收模块（17）的另一个输入端相连，COM输出端口经光纤窄带反射滤光片（13）与泵浦-信号耦合器（14）的输入端相连，泵浦-信号耦合器（14）的一个输出端与光纤拉曼激光器（15）相连，泵浦-信号耦合器（14）的另一个输出端与100km传感光纤（16）相连，光电接收模块（17）的两个输出端分别与数字信号处理器（18）的两个输入端口相连，数字信号处理器（18）将采集、累加的脉冲编码光回波信号经过解码解调后输给工控机（19）处理，获得100km传感光纤（16）所在现场各点的应变、温度信息并传送给远程监控网。

2. 根据权利要求1所述的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是脉冲编码光纤激光器（11）由F-P半导体激光器和掺饵光纤放大器组成，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所述的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是光纤拉曼激光器（15）为连续激光器，它的中心波长为1465nm，光谱宽度为0.1nm，功率0-1.2W可调。

4. 根据权利要求1所述的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是光纤窄带反射滤光片（13）的中心波长为1465nm，光谱宽度为0.3nm，对1465nm瑞利散射光的隔离度>45dB。

5. 根据权利要求1的脉冲编码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（16）是100km通信用G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。

6. 根据权利要求1所述的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是数字信号处理器(18)由以ADS62P49采集芯片为核心的高速采集器和以ADSP-BF561 芯片为核心的高速数字处理器组成。