CN102322811B

CN102322811B - 混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器

Info

Publication number: CN102322811B
Application number: CN201110227239.9A
Authority: CN
Inventors: 张在宣; 王剑锋; 余向东
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: CN102322811A

Abstract

本发明公开了一种混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，它是根据混沌激光相关原理、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制成的；该传感器采用混沌激光器，在时域上随机起伏的光脉冲序列，通过传感光纤的反向探测光与本地参考光的相关处理，提高了传感器系统的空间分辨率；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，提高了传感器的测量长度与测量精度，在测量现场温度的同时能测量现场的形变、裂缝，与测量温度互不交叉。具有成本低、寿命长、结构简单、高空间分辨率和信噪比好等特点，适用于30公里范围内高空间分辨率15cm石化管道、隧道、大型土木工程监测和灾害预报监测。

Description

混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种混沌激光相关高空间分辨率全分布式光纤瑞利与拉曼散射应变、温度传感器。

背景技术

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。

张在宣教授提出的《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：200910099463.7，2010年9月授权）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。但难以提高传感系统的空间分辨率，王云才教授研究团队提出将混沌激光相关法用于OTDR，空间分辨率达到了6cm（王安帮，王云才，混沌激光相关法光时域反射测量技术，中国科学，信息科学，2010年，第40卷，第3期，1-7页）但无法测量传感光纤上各点温度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，本发明具有高空间分辨率、低成本、结构简单、信噪比好、可靠性高等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种混沌激光相关全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，包括半导LD激光器，第一偏振控制器，光纤环行器，第一光纤分路器，可调光衰减器第二偏振控制器，单向器，掺饵光纤放大器EDFA，第二光纤分路器，光纤波分复用器，传感光纤，光纤延迟线，第一光电接收模块，第二光电接收模块数字信号处理器和计算机。半导体LD激光器经第一偏振控制器与光纤环行器的一个输入端口相接，光纤环行器的一个输出端与第一光纤分路器输入端相连，第一光纤分路器的一个输出端与可调光衰减器的输入端相连，可调光衰减器的输出端通过第二偏振控制器与光纤环行器一个输入端相连，再经第一偏振控制器反馈给半导体LD激光器；第一光纤分路器的另一个输出端经单向器与掺饵光纤放大器EDFA相连，掺饵光纤放大器EDFA的输出端与第二光纤分路器输入端相连，第二光纤分路器的一个输出端与光纤波分复用器的输入端相连，光纤波分复用器的一个输出端与传感光纤相连，第二光纤分路器的另一个输出端经光纤延迟线与第一光电接收模块相连，第一光电接收模块输出端与数字信号处理器和计算机相连；光纤波分复用器的1550nm输出端口与数字信号处理器和计算机相连，光纤波分复用器的1450nm输出端口与数字信号处理器和计算机相连。

进一步地，所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，混沌激光器是由半导体LD激光器经第一偏振控制器与光纤环行器的一个输入端口相接，光纤环行器的一个输出端与第一光纤分路器输入端相连，第一光纤分路器的一个输出端与可调光衰减器的输入端相连，可调光衰减器的输出端通过第二偏振控制器与光纤环行器一个输入端相连，再经第一偏振控制器反馈给半导体LD激光器组成。半导体LD激光器是半导体DFB激光器，工作波长为1550nm，输出功率为10dBm。第一光纤分路器的分支比为20:80。

进一步地，所述的传感光纤是通信用30km G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。

进一步地，所述的光纤延迟线是由一段单模光纤组成，用于标定传感系统的零点。第二光纤分路器的另一个输出端经光纤延迟线与第一光电接收模块（22）相连，构成参考光路，第二光纤分路器的分支比为5:95，当传感系统不接入传感光纤时（相当于传感光纤的零点），测量探测光与参考光相关曲线，选择光纤延迟线的长度，使相关曲线峰值处于零点。

进一步地，所述的第一光电接收模块是由宽带低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成，第二光电接收放大模块采用两路宽带低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成。

进一步地，所述的数字信号处理器是一个相关处理器，将本地参考信号与传感光纤回波的1550nm瑞利信号和1450nm反斯托克斯拉曼信号进行相关处理，由计算机处理后显示温度和应变的信息。

混沌激光发出时间序列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，背向瑞利散射、反斯托克斯拉曼散射光子波，由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探测光分别经光电接收放大模块，将光信号转换成模拟电信号并放大，经数字信号处理器采集、累加与混沌激光的本地参考光作相关处理后，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）。在60秒内得到30km传感光纤上各点应变与温度变化量，测温精度±2oC，空间分辨率小于15cm，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。

混沌激光相关全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器的相关原理：

半导体激光器在受到光反馈时持续地产生随机起伏的宽带，低相关噪声的混沌激光，其相关曲线具有δ函数形状，半导体激光器的非线性混沌振荡的带寬可大于15GHz，实现与测量长度无关的高分辨率、高精度的测量。

设参考光为f（t），探测光为g（t）=Kf（t-τ）；

互相关函数：

（1）

当τ=τ₀时，互相关函数存在峰值，互相关峰值与探测光的强度相关。通过数字信号处理器和计算机对探测光与参考光进行采集、累加和相关处理，获得传感光纤上温度和应变的信息。系统的信噪比决定了测量长度。

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在损耗，随着光纤长度而指数式衰减，光纤的背向端利散射光光强用下式表示：

（2）

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。

（3）

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，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

（4）

它受到光纤温度的调制，温度调制函数R _a

（5）

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

（6）

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。可采用一段置于恒温槽内光纤对传感系统进行温度定标。

本发明的有益效果在于：本发明的混沌激光相关全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，采用混沌激光相关原理有效地提高了传感器的可靠性和空间分辨率，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，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。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，不存在测量的盲区，且寿命长，本发明适用于30km全分布式光纤应变、温度传感网。可用于超远程30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。

附图说明

图1是混沌激光相关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，混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，包括半导体LD激光器10、第一偏振控制器11、光纤环行器12、第一光纤分路器13、可调光衰减器14、第二偏振控制器15、单向器16、掺饵光纤放大器EDFA17、第二光纤分路器18、光纤波分复用器19、传感光纤20、光纤延迟线21、第一光电接收模块22、第二光电接收模块23、数字信号处理器24和计算机25。半导体LD激光器10经第一偏振控制器11与光纤环行器12的一个输入端口相接，光纤环行器12的输出端与第一光纤分路器13的输入端相连，第一光纤分路器13的一个输出端与可调光衰减器14的输入端相连，可调光衰减器14的输出端通过第二偏振控制器15与光纤环行器12的另一个输入端相连，再经第一偏振控制器11反馈给半导体LD激光器10；第一光纤分路器13的另一个输出端经单向器16与掺饵光纤放大器EDFA 17相连，掺饵光纤放大器EDFA 17的输出端与第二光纤分路器18的输入端相连，第二光纤分路器18的一个输出端与光纤波分复用器19的输入端相连，光纤波分复用器19的一个输出端与传感光纤20相连，第二光纤分路器18的另一个输出端经光纤延迟线21与第一光电接收模块22相连，第一光电接收模块22的输出端与数字信号处理器24相连，光纤波分复用器19 的1550nm输出端口和1450nm输出端口分别与数字信号处理器24相连，数字信号处理器24和计算机25相连。

半导体LD激光器10、第一偏振控制器11、光纤环行器12、第一光纤分路器13、可调光衰减器14、第二偏振控制器15组成混沌激光器，半导体LD激光器10是半导体DFB激光器，工作波长为1550nm，输出功率为10dBm。第一光纤分路器13的分支比为20:80。

传感光纤20是通信用30km G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。

光纤延迟线21是由一段单模光纤组成，用于标定传感系统的零点。第二光纤分路器18的另一个输出端经光纤延迟线21与第一光电接收模块22相连，构成参考光路第二光纤分路器18的分支比为5:95。当传感系统不接入传感光纤时（相当于传感光纤的零点），测量探测光与参考光相关曲线，调整光纤延迟线21的长度，使相关曲线峰值处于零点。

第一光电接收模块22是由宽带低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成，第二光电接收放大模块23采用两路宽带低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成。

数字信号处理器24是一个相关处理器，将本地参考信号与传感光纤回波的1550nm瑞利信号和1450nm反斯托克斯拉曼信号进行相关处理，由计算机处理后显示温度和应变的信息。

本发明采用混沌激光器，在时域上随机起伏的光脉冲序列，通过传感光纤的反向探测光与本地参考光的相关处理，提高了传感器系统的空间分辨率；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，提高了传感器的测量长度与测量精度，在测量现场温度的同时能测量现场的形变、裂缝，与测量温度互不交叉。具有成本低、寿命长、结构简单、高空间分辨率和信噪比好等特点，适用于30公里范围内高空间分辨率15cm石化管道、隧道、大型土木工程监测和灾害预报监测。

Claims

1.一种混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，它包括半导体LD激光器（10）、第一偏振控制器（11）、光纤环行器（12）、第一光纤分路器（13）、可调光衰减器（14）、第二偏振控制器（15）、单向器（16）、掺饵光纤放大器EDFA（17）、第二光纤分路器（18）、光纤波分复用器（19）、传感光纤（20）、光纤延迟线（21）、第一光电接收模块（22）、第二光电接收模块（23）、数字信号处理器（24）和计算机（25）；其中，所述半导体LD激光器（10）经第一偏振控制器（11）与光纤环行器（12）的一个输入端口相接，光纤环行器（12）的输出端与第一光纤分路器（13）输入端相连，第一光纤分路器（13）的一个输出端与可调光衰减器（14）的输入端相连，可调光衰减器（14）的输出端通过第二偏振控制器（15）与光纤环行器（12）的另一个输入端相连，再经第一偏振控制器（11）反馈给半导体LD激光器（10）；第一光纤分路器（13）的另一个输出端经单向器（16）与掺饵光纤放大器EDFA（17）相连，掺饵光纤放大器EDFA（17）的输出端与第二光纤分路器（18）输入端相连，第二光纤分路器（18）的一个输出端与光纤波分复用器（19）的输入端相连，光纤波分复用器（19）的一个输出端与传感光纤（20）相连，第二光纤分路器（18）的另一个输出端经光纤延迟线（21）与第一光电接收模块（22）相连，第一光电接收模块（22）输出端与数字信号处理器（24）相连；光纤波分复用器（19）的1550nm输出端口和1450nm输出端口均与第二光电接收模块（23）相连，第二光电接收模块（23）与数字信号处理器（24）相连，数字信号处理器（24）和计算机（25）相连，所述数字信号处理器（24）是一个相关处理器，将本地参考信号与传感光纤回波的1550nm瑞利信号和1450nm反斯托克斯拉曼信号进行相关处理。

2.根据权利要求1所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，所述半导体LD激光器（10）、第一偏振控制器（11）、光纤环行器（12）、第一光纤分路器（13）、可调光衰减器（14）和第二偏振控制器（15）组成混沌激光器；所述半导体LD激光器（10）是半导体DFB激光器，其工作波长为1550nm，输出功率为10dBm；第一光纤分路器（13）的分支比为20:80。

3.根据权利要求1所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，所述传感光纤（20）是通信用30km G652光纤、DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。

4.根据权利要求1所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，所述光纤延迟线（21）是由一段单模光纤组成，用于标定传感系统的零点；第二光纤分路器（18）的另一个输出端经光纤延迟线（21）与第一光电接收模块（22）相连，构成参考光路，第二光纤分路器（18）的分支比为5:95。

5.根据权利要求1所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，所述第一光电接收模块（22）是由宽带低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成，第二光电接收模块（23）采用两路宽带低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成。

6.根据权利要求1所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，由计算机（25）处理后显示温度和应变的信息。