CN102322976A

CN102322976A - 光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器

Info

Publication number: CN102322976A
Application number: CN201110226344A
Authority: CN
Inventors: 张在宣; 余向东; 康娟; 李晨霞; 张文生; 张文平; 王剑锋
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-08-09
Also published as: CN102322976B

Abstract

本发明公开的光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包括脉冲编码光纤激光器驱动电源，脉冲编码光纤激光器，光纤分路器，光纤拉曼频移器，两个光纤波分复用器，两个光纤开关，传感光纤，光电接收模块，数字信号处理器和工控机。该传感器用一只脉冲编码光纤激光器通过光纤拉曼频移器获得拉曼相关双波长光源，自校正在现场使用测温光纤光缆时由于光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸而造成的非线性损耗，克服了测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号通道时偏离线性而造成的测温误差。成本低、寿命长、结构简单、信噪比好，可靠性好，适用于超远程80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

光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器

技术领域

本发明涉及光纤拉曼温度传感器，特别是光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

近年来，利用光纤拉曼散射光強度受温度调制的效应和光时域反射（OTDR）原理研制成分布式光纤拉曼温度传感器, 它可以在线实时预报现场的温度和温度変化的取向，在线监测现场温度的变化，在一定的温度范围设置报警温度，是一种本质安全型的线型感温探测器，已在电力工业、石化企业、大型土木工程和在线灾害监测等领域成功地应用。

由于各个波段的光纤损耗是不同的，即光纤损耗存在光谱效应，在分布式光纤拉曼温度传感器中用反斯托克斯拉曼散射光作为测量温度信号通道，用斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考通道，由于两个通道在不同波段，测温光纤的损耗不同，在测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号通道时出现非线性现象，而造成的测温误差，降低了测温精度，对于固定的波长的光纤损耗可以在解调过程中进行人为校正。

张在宣于2009年提出《拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器》（中国发明专利：ZL 200910102201.1），采用1550nm激光器为主光源，1450nm激光器为副光源，利用拉曼相关自校正方法解决了中、短程100m-15km在线温度监测中的校正问题。但需要用主光源和副光源两只光源，比较复杂，造价高，且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的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、信噪比好，稳定性和可靠性好的光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器。

本发明的光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包括脉冲编码光纤激光器驱动电源，脉冲编码光纤激光器，光纤分路器，由单模光纤和1660nm滤光器组成的光纤拉曼频移器，第一光纤波分复用器，第二光纤波分复用器，第一光纤开关，传感光纤，第二光纤开关，光电接收模块，数字信号处理器和工控机，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一个输出端相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源的输出端与脉冲编码光纤脉冲激光器相连，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，脉冲编码光纤脉冲激光器发出的时间序列激光脉冲通过光纤分路器分成两束，其中一束1550nm波段的激光进入光纤拉曼频移器，经频移13.2THz到1660nm波段作为主光源，另一束1550nm波段的激光作为副光源，第一光纤波分复用器具有三个端口，它的1660nm输入端口与光纤拉曼频移器输出的主光源相连，COM端口与第一光纤开关的一个输入端相连，1550nm输出端口与第二光纤开关的一个输入端相连，第二光纤波分复用器具有三个端口，其中的1550nm输入端口与光纤分路器分束的副光源相连，COM端口与第一光纤开关的另一个输入端相连，1660nm输出端口与第二光纤开关的另一个输入端相连，第一光纤开关的输出端与传感光纤相连，第二光纤开关的输出端与光电接收模块的输入端相连，光电接收模块的输出端与数字信号处理器的输入端相连，数字信号处理器的另一个输出端与工控机相连，第一、第二两只光纤开关联动，利用第一光纤开关将第一光纤波分复用器和第二光纤波分复用器输出的两束激光分时交替地进入传感光纤，利用第二光纤开关将第一光纤波分复用器和第二光纤波分复用器的输出端分时交替地与光电接收模块相连，当第一光纤开关通过第一光纤波分复用器与1660nm主光源相连时，第二光纤开关输入端与第一光纤波分复用器1550nm输出端口相连，将传感光纤的反斯托克斯回波送入光电接收模块；当第一光纤开关通过第二光纤波分复用器与1550nm副光源相连时，第二光纤开关输入端与第二光纤波分复用器1660nm输出端口相连，将传感光纤的斯托克斯回波送入光电接收模块，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80km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1660nm滤光器的中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98%，对1550nm激光的隔离度>45dB。

本发明中，所述的传感光纤是通信用89km G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。传感光纤既是传输介质又是传感介质，铺设在测温现场不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀。

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。

工作时，脉冲编码光纤激光器发出的时间序列编码激光脉冲分别轮流通过第一、第二光纤波分复用器射入传感光纤，在传感光纤上产生的主激光的反斯托克斯拉曼光子波经第一光纤波分复用器分束，由光电接收模块转换成模拟电信号并放大，副激光的斯托克斯拉曼光子波经第二光纤波分复用器分束，由光电接收模块转换成模拟电信号并放大，背向的反斯托克斯拉曼光和斯托克斯拉曼光两者的强度比，得到光纤各段的温度信息, 给出传感光纤上各点(小段)的温度，利用光时域反射对感温光纤上拉曼光子感温火灾探测点定位（光纤雷达定位）。通过数字信号处理器和工控机解码解调，经过温度定标，在60秒内得到80km传感光纤上各段的温度和温度变化量，测温精度±1oC，在0oC-300oC范围内进行在线温度监测，由工控机通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输。

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：

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE004

(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：

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE006

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。

光纤拉曼频移器的工作原理：

光纤拉曼频移器有单模光纤和宽带1660nm滤光器组成。当时间序列编码脉冲激光入射到单模光纤，激光与光纤分子的非线性相互作用，入射光子被一个光纤分子散射成另一个斯托克斯光子或反斯托克斯光子，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，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。当入射的1550nm激光功率达到一定阈值后，产生放大的斯托克斯拉曼散射光，光频移了13.2 THz，获得了宽光谱带1660nm 光，经1660nm滤光器后作为拉曼相关光源的主光源。

光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器的测温原理：

光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过光纤波分复用器射入传感光纤，激光与光纤分子的非线性相互作用，入射光子被一个光纤分子散射成另一个斯托克斯光子或反斯托克斯光子，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，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，反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比R（T）：

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE008

（2）

其中

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE010

分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光的強度

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE012

分别是反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的波长，h是波朗克（Planck）常数，cν是光纤分子的拉曼声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，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。实际应用中必须考虑反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的波长处光纤损耗不同

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE014

则（2）改为（3）式

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE016

（3）

由于各个波段的光纤的损耗是不同的，即光纤损耗存在光谱效应，在分布式光纤拉曼温度传感器中用反斯托克斯拉曼散射光作为测量温度信号通道，用斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考通道，由于两个通道在不同波段，测温光纤的损耗不同，在用参考通道解调温度信号通道时，解调后的光纤温度随光纤长度的分布曲线会偏离线性，造成测温误差，降低测温精度，对于固定的波长的光纤损耗可以在解调过程中进行人为校正。

但在现场使用的测温光纤、光缆，由于各个波段的光纤、光缆弯曲和受压拉伸造成的损耗不同，而且光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸大小和位置均有随机性，难以人为校正，需要采用自校正的办法。

本发明的光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，可以自校正在现场使用测温光纤光缆时由于光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸而造成的非线性损耗，克服了测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号通道时偏离线性而造成的测温误差。

主激光器的背向反斯托克斯拉曼光与副激光器的背向斯托克斯拉曼光强度比

（4）

其中，

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE020

，

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE022

则（3）式右边与光纤损耗有关部分均抵消了。

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE024

（5）

本发明采用了拉曼频移相关的双波长的主激光器λ₁=1660nm，副激光器

λ₂=1550nm。

若己知测温光纤前面一段光纤的温度T=T₀，则由已知拉曼光强度比通过（6）式得到测温光纤上任一个小段的温度。

Figure 2011102263440100002DEST_PATH_IMAGE026

（6）

本发明的有益效果在于：

本发明提供的光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，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，基于光纤拉曼散射频移和放大效应，利用一只1550nm脉冲编码光纤激光器产生拉曼相关双波长，经拉曼频移1660nm激光器作为主光源，1550nm作为副光源，组成一个超远程80km拉曼相关双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器系统。可以自校正在现场使用测温光纤光缆时由于光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸而造成的非线性损耗，克服了测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号通道时偏离线性而造成的测温误差。

由于采用一只脉冲编码光纤激光器来得到拉曼相关双波长光源，并采用了两只简单的光纤波分复用器和两只联动的2X1光纤开关以及光电接收模块、放大电路，是一种成本低、信噪比好，稳定性和可靠性好的自校正分布式光纤拉曼温度传感器。铺设在监测现场的测温光纤是绝缘的，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，是本征型的测温光纤，并具有长寿命, 本发明适用于超远程80公里分布式光纤拉曼温度传感器。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是光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器示意图。

具体实施方式

参照图1，光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包括脉冲编码光纤激光器驱动电源9，脉冲编码光纤激光器10，光纤分路器11，由单模光纤12和1660nm滤光器13组成的光纤拉曼频移器，第一光纤波分复用器14，第二光纤波分复用器15，第一光纤开关16，传感光纤17，第二光纤开关18，光电接收模块19，数字信号处理器20和工控机21，脉冲编码光纤激光器驱动电源9的输入端与数字信号处理器20的一个输出端相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源9的输出端与脉冲编码光纤脉冲激光器10相连，数字信号处理器20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9驱动脉冲编码光纤激光器10，产生时间序列编码的激光脉冲，作为传感器的泵浦源，数字信号处理器可以送出按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。脉冲编码光纤脉冲激光器10发出的时间序列激光脉冲通过光纤分路器11分成两束，其中一束1550nm波段的激光进入光纤拉曼频移器，经频移13.2THz到1660nm波段作为主光源，另一束1550nm波段的激光作为副光源，第一光纤波分复用器14具有三个端口，它的1660nm输入端口与光纤拉曼频移器输出的主光源相连，COM端口与第一光纤开关16的一个输入端相连，1550nm输出端口与第二光纤开关18的一个输入端相连，第二光纤波分复用器15具有三个端口，其中的1550nm输入端口与光纤分路器11分束的副光源相连，COM端口与第一光纤开关16的另一个输入端相连，1660nm输出端口与第二光纤开关18的另一个输入端相连，第一光纤开关16的输出端与传感光纤17相连，第二光纤开关18的输出端与光电接收模块19的输入端相连，光电接收模块19 的输出端与数字信号处理器20的输入端相连，数字信号处理器20的另一个输出端与工控机21相连，第一、第二两只光纤开关联动，利用第一光纤开关16将第一光纤波分复用器14和第二光纤波分复用器15输出的两束激光分时交替地进入传感光纤17，利用第二光纤开关18将第一光纤波分复用器14和第二光纤波分复用器15的输出端分时交替地与光电接收模块19相连，当第一光纤开关16通过第一光纤波分复用器14与1660nm主光源相连时，第二光纤开关18输入端与第一光纤波分复用器14的1550nm输出端口相连，将传感光纤的反斯托克斯回波送入光电接收模块19；当第一光纤开关16通过第二光纤波分复用器15与1550nm副光源相连时，第二光纤开关18输入端与第二光纤波分复用器15的1660nm输出端口相连，将传感光纤的斯托克斯回波送入光电接收模块19，数字信号处理器20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21处理，获得80km传感光纤17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。

所述的光纤拉曼频移器中1660nm滤光器的中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98%，对1550nm激光的隔离度>45dB。

所述的传感光纤是通信用80km G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。传感光纤既是传输介质又是传感介质，铺设在测温现场不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀。

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。

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。

Claims

1. 光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是包括脉冲编码光纤激光器驱动电源（9），脉冲编码光纤激光器（10），光纤分路器（11），由单模光纤（12）和1660nm滤光器（13）组成的光纤拉曼频移器，第一光纤波分复用器（14），第二光纤波分复用器（15），第一光纤开关（16），传感光纤（17），第二光纤开关（18），光电接收模块（19)，数字信号处理器（20）和工控机（21），脉冲编码光纤激光器驱动电源（9）的输入端与数字信号处理器（20）的一个输出端相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源（9）的输出端与脉冲编码光纤脉冲激光器（10）相连，数字信号处理器（20）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（9）驱动脉冲编码光纤激光器（10），产生时间序列编码的激光脉冲，作为传感器的泵浦源，脉冲编码光纤脉冲激光器（10）发出的时间序列激光脉冲通过光纤分路器（11）分成两束，其中一束1550nm波段的激光进入光纤拉曼频移器，经频移13.2THz到1660nm波段作为主光源，另一束1550nm波段的激光作为副光源，第一光纤波分复用器（14）具有三个端口，它的1660nm输入端口与光纤拉曼频移器输出的主光源相连，COM端口与第一光纤开关（16）的一个输入端相连，1550nm输出端口与第二光纤开关（18）的一个输入端相连，第二光纤波分复用器（15）具有三个端口，其中的1550nm输入端口与光纤分路器（11）分束的副光源相连，COM端口与第一光纤开关（16）的另一个输入端相连，1660nm输出端口与第二光纤开关（18）的另一个输入端相连，第一光纤开关（16）的输出端与传感光纤（17）相连，第二光纤开关（18）的输出端与光电接收模块（19) 的输入端相连，光电接收模块（19) 的输出端与数字信号处理器（20）的输入端相连，数字信号处理器（20）的另一个输出端与工控机（21）相连，第一、第二两只光纤开关联动，利用第一光纤开关（16）将第一光纤波分复用器（14）和第二光纤波分复用器（15）输出的两束激光分时交替地进入传感光纤（17），利用第二光纤开关（18）将第一光纤波分复用器（14）和第二光纤波分复用器（15）的输出端分时交替地与光电接收模块（19)相连，当第一光纤开关（16）通过第一光纤波分复用器（14）与1660nm主光源相连时，第二光纤开关（18）输入端与第一光纤波分复用器（14）的1550nm输出端口相连，将传感光纤的反斯托克斯回波送入光电接收模块（19）；当第一光纤开关（16）通过第二光纤波分复用器（15）与1550nm副光源相连时，第二光纤开关（18）输入端与第二光纤波分复用器（15）的1660nm输出端口相连，将传感光纤的斯托克斯回波送入光电接收模块（19），数字信号处理器（20）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（21）处理，获得80km传感光纤（17）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所述的光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是脉冲编码光纤激光器（10）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，光谱宽为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。

3. 根据权利要求1所述的光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是1660nm滤光器（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所述的光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于传感光纤(17) 是长度为80km的通信用G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。

5. 根据权利要求1所述的光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于数字信号处理器(20)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。