CN102361219A - 用于分布式光纤温度传感器的光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分布式光纤温度传感器的光源，外壳上设有同步电脉冲信号接口、通信接口、电源接口及光脉冲输出接口，外壳内部设有光链路、电链路和电源电路，光链路为：种子激光器的输出端经第一光隔离器、光波分复用器、掺铒光纤、第二光隔离器、光滤波器、可饱和吸收体及光分路器与光脉冲输出接口连接，泵浦激光器的输出端接入光波分复用器；电链路为：脉冲发生电路的输出端经脉冲整形电路、种子激光驱动电路连接种子激光器，泵浦激光驱动电路接入泵浦激光器的输入端；电链路的各单元分别与控制电路相连并受控制电路控制；光探测器的输出端连接控制电路；控制电路与通信接口连接并通过通信接口与外界通信。该光源信噪比和稳定性好，成本低。

Description

用于分布式光纤温度传感器的光源

技术领域

本发明涉及一种光源，特别涉及一种用于分布式光纤温度传感器的光源。

背景技术

自1985年J.P.Dakin等人首次成功实现了基于喇曼散射的分布式测温技术以来，人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术开展了广泛研究，其中基于喇曼散射的分布式传感技术得到了最为广泛的实际应用。

基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理是：在传感光纤的一端注入激光脉冲，当激光脉冲在光纤中传播时由于纤芯分子的热振动与光子相互作用而发生能量交换，产生了喇曼散射。具体的说，当光子的一部分能量传递给分子的热振动时，那么将发出波长比原来激光波长长的光子，称为喇曼斯托克斯(Raman Stokes)光；当分子热振动的一部分能量传递给光子时，那么将发出波长比原来激光波长短的光子，称为喇曼反斯托克斯(Raman Anti-Stokes)光。其中，喇曼反斯托克斯光对温度很敏感，而喇曼斯托克斯光对温度不敏感，所以人们通常用喇曼反斯托克斯光来解调出温度信息。喇曼散射技术结合光时域反射技术(OTDR，Optical Time Domain Reflectometer)，就能够定位温度信息，从而实现了分布式光纤温度传感。通常称这种传感技术为Raman-DTS (Raman Distributed Temperature Sensing)。

在Raman-DTS中有一个关键技术就是用于产生喇曼散射的脉冲光源，Raman-DTS系统对光源的具体要求体现在：一、因为光在石英光纤中的传播速度约为2×10⁸m/s，即光在一米长的光纤中往返需要十纳秒，所以如果要求空间分辨率达到米级，光源脉冲宽度需要在纳秒级；二、在保证光纤中不出现光学非线性现象（如受激拉曼散射、受激布里渊散射等）的前提下，需要尽可能高的光脉冲功率，以期获得较高的喇曼散射光信号，通常在多模光纤中，光源的输出光脉冲功率需要在十瓦级；三、Raman-DTS是从噪声中提取微弱的喇曼散射信号，因此通常平均几万次降噪处理，所以从实时性考虑，光源的脉冲重复频率需要在10KHz级；四、从调试系统的方便程度考虑，上述光源的三个参数（脉冲宽度、脉冲功率、重复频率）需要可调；五，从弱信号处理的角度考虑，光源的噪声应该尽可能低，光源的稳定性要高，这样才能获得较高的信噪比。

目前，在Raman-DTS中通常采用大功率半导体激光器作为光源。但是，这种光源输出十瓦级的光脉冲功率，需要几十安培的脉冲电流。而半导体激光器长期受这么大的电流冲击，使用寿命会变得很短，在使用过程中系统性能会不断下降，所以在这样的Raman-DTS系统中，光源需要经常更换，增加了维护成本。由于脉冲电流较大，受大功率半导体激光器的工作特性以及硬件电路的限制，脉冲宽度通常难以做到纳秒级，而且不能够调节。此外，由于大功率半导体激光器的弛豫振荡特性，光源具有较大的噪声，降低了Raman-DTS的信噪比。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种用于分布式光纤温度传感器的光源，该光源的脉冲宽度、重复频率、脉冲功率可调，稳定可靠且低成本。

为解决以上技术问题，本发明所提供的一种用于分布式光纤温度传感器的光源，包括外壳，其特征在于：所述外壳上设有同步电脉冲信号接口、通信接口、电源接口及光脉冲输出接口，所述外壳内部设有光链路、电链路和电源电路，所述电源电路与所述电源接口连接并向所述光链路和电链路供电；所述光链路为：种子激光器的输出端接入第一光隔离器的输入端，第一光隔离器的输出端与泵浦激光器的输出端分别接入光波分复用器的两个输入端，所述光波分复用器的输出端接入掺铒光纤的一端，所述掺铒光纤的另一端接入第二光隔离器的输入端，第二光隔离器的输出端与光滤波器的输入端相连，所述光滤波器的输出端接入可饱和吸收体的输入端，所述可饱和吸收体的输出端接入光分路器的输入端；所述光分路器的一个输出端接入所述光脉冲输出接口，所述光分路器的另一个输出端接入光衰减器的输入端，所述光衰减器的输出端接入光探测器；所述电链路为：脉冲发生电路的输出端和所述同步电脉冲信号接口分别接入脉冲整形电路的输入端，所述脉冲整形电路的输出端接入种子激光驱动电路的输入端，所述种子激光驱动电路的输出端连接所述种子激光器；泵浦激光驱动电路接入泵浦激光器的输入端；所述脉冲发生电路、脉冲整形电路、种子激光驱动电路、泵浦激光驱动电路分别与控制电路相连并受控制电路控制；所述光探测器的输出端连接所述控制电路；所述控制电路与所述通信接口连接并通过通信接口与外界通信。

相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：本发明的光源是基于主振荡功率放大技术，脉冲发生电路、脉冲整形电路、种子激光驱动电路、种子激光器四个部件构成主振荡，产生种子光脉冲，该光脉冲功率较微弱。具体说，脉冲发生电路产生脉冲宽度固定、重复频率数字可调的的脉冲电信号，或从同步电脉冲信号接口外接同步电脉冲信号输入脉冲整形电路，脉冲整形电路将输入的电脉冲信号的脉冲宽度调整到设定值后输出，得到一定重复频率、一定脉冲宽度的电脉冲信号，这样的电脉冲信号经过种子激光驱动电路放大后驱动种子激光器，就产生对应重复频率、对应脉冲宽度的种子光脉冲；种子激光驱动电路控制种子源的工作温度恒定，并且监测种子激光器的输出光功率和工作状态。控制电路控制脉冲发生电路产生电脉冲信号的重复频率，控制脉冲整形电路输出电脉冲信号的脉冲宽度，控制种子激光驱动电路开启或关闭，控制泵浦激光驱动电路的驱动电流大小，根据光探测器的反馈控制输出光功率恒定，以及通过通信接口与外界进行通信，重复频率、脉冲宽度的数值由外界设备通过通信接口发送至控制电路。泵浦激光器、泵浦激光驱动电路、掺铒光纤、光波分复用器、光隔离器、光滤波器等部件构成掺铒光纤放大器，将种子光脉冲功率放大到一定程度，由光脉冲输出接口输出。泵浦激光驱动电路向泵浦激光器提供驱动电流，控制泵浦激光器的工作温度恒定，以及监测泵浦激光器的输出光功率和工作状态。此外，光隔离器是一种单向导通的光器件，仅允许光从隔离器的输入端向输出端传输，输出端到输入端是阻止的；光滤波器能够在频域上将绝大部分ASE（Amplified Spontaneous Emission，放大的自发辐射）噪声滤除，只让有用的信号光通过；可饱和吸收体在输入光功率较小的时候具有吸收特性，而在输入光功率较大的时候具有透明特性，能够在时域上进一步滤除残余的ASE噪声，当没有种子光脉冲输入的时候，仅有残余的ASE噪声，功率很弱，会被可饱和吸收体吸收；当有种子光脉冲输入的时候，掺铒光纤放大器会将种子光脉冲放大到一定的程度（例如1000倍），功率很强，会以很低的损耗透过可饱和吸收体，因此，通过频域、时域双重手段，本发明光源的信噪比得到了大大提高。光分路器将输入的光按照固定的比例分为两路光输出，一路由光脉冲输出接口输出，另一路进入光衰减器衰减固定的比例后进入光探测器，光探测器将光信号转为电信号反馈给控制电路。在分布式光纤温度传感器利用本发明的光源，能够提高系统的信噪比和稳定性，提高测量温度时的空间分辨率和温度分辨率。又由于种子激光器、泵浦激光器都工作在较小的驱动电流（几十毫安培）情况下，所以大大增加了光源的耐用度，降低了光纤温度传感器的维护成本。

作为本发明的优选方案，所述同步电脉冲信号接口能够输入外接的同步电脉冲信号，每一个同步电脉冲都能激发一个光脉冲输出；所述同步电脉冲信号接口也能够将内部同步电脉冲信号输出，每发一个光脉冲的同时也输出一个同步电脉冲信号；以上两种方式互斥，任选其一工作。

作为本发明的优选方案，所述同步电脉冲信号接口具有大于300MHz的传输带宽，可以是SMA、SMB或BNC连接头。

作为本发明的优选方案，所述种子激光器和泵浦激光器均为半导体激光器，内部集成了热敏电阻、半导体制冷片、背光检测模块；所述种子激光器的波长位于1550nm波段，所述泵浦激光器的波长位于980nm波段。

作为本发明的优选方案，所述光波分复用器为1550/980nm波段，能够将1550nm和980nm两个输入端的光合到一个输出端输出。

作为本发明的优选方案，所述光波分复用器为熔融拉锥耦合器或平面波导耦合器。

作为本发明的优选方案，所述掺铒光纤可以是单包层掺杂光纤，也可以是双包层掺杂光纤。

作为本发明的优选方案，所述光滤波器为1550nm波段的一窄带滤波器，带宽为1nm，中心波长与所述种子激光器的中心波长偏差小于0.1nm，透过率大于90%。

作为本发明的优选方案，所述光衰减器为空间型光衰减器或光纤光衰减器。

作为本发明的优选方案，所述光探测器为PIN管或光电池。

附图说明

图1为本发明用于分布式光纤温度传感器的光源的原理图。

图中：101.种子激光器；102.第一光隔离器；103.光波分复用器；104.掺铒光纤；105.第二光隔离器；106.光滤波器；107.可饱和吸收体；108.光分路器；109.光衰减器；110.光探测器；111.种子激光驱动电路；112.脉冲整形电路；113.脉冲发生电路；114.泵浦激光器；115.泵浦激光驱动电路；116.控制电路；117.电源电路；118.同步电脉冲信号接口；119.通信接口；120.电源接口；121.光脉冲输出接口；122.外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的用于分布式光纤温度传感器的光源做进一步的详细描述，但不能因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的用于分布式光纤温度传感器的光源，包括外壳122，外壳采用铝冷挤压成型工艺，分底壳和盖板。外壳上设有同步电脉冲信号接口118、通信接口119、电源接口120及光脉冲输出接口121，外壳122内部设有光链路、电链路和电源电路117。同步电脉冲信号接口118具有大于300MHz的传输带宽，可以选用SMA、SMB或BNC连接头。通信接口119采用标准DB9串口母座，电源接口120采用标准1mm DC插座、DC5V供电，光脉冲输出接口121为标准FC法兰。电源电路117与电源接口120连接并向光链路和电链路供电。

光链路为：种子激光器101的输出端接入第一光隔离器102的输入端，第一光隔离器102的输出端与泵浦激光器114的输出端分别接入光波分复用器103的两个输入端，光波分复用器103的输出端接入掺铒光纤104的一端，掺铒光纤104的另一端接入第二光隔离器105的输入端，第二光隔离器105的输出端与光滤波器106的输入端相连，光滤波器106的输出端接入可饱和吸收体107的输入端，可饱和吸收体107的输出端接入光分路器108的输入端；光分路器108的一个输出端接入光脉冲输出接口121，光分路器108的另一个输出端接入光衰减器109的输入端，光衰减器109的输出端接入光探测器110。

电链路为：脉冲发生电路113的输出端和同步电脉冲信号接口118分别接入脉冲整形电路112的输入端，脉冲整形电路112的输出端接入种子激光驱动电路111的输入端，种子激光驱动电路111的输出端连接种子激光器101；泵浦激光驱动电路115接入泵浦激光器114的输入端；脉冲发生电路113、脉冲整形电路112、种子激光驱动电路111、泵浦激光驱动电路115分别与控制电路116相连并受控制电路控制；光探测器110的输出端连接控制电路116；控制电路116与通信接口119连接并通过通信接口与外界通信。

本发明的光源的全部电路都设计在一块印制电路板上，电路元器件都直接焊接在电路板上，光器件采用夹具固定在电路板上，光纤盘绕在电路板上并且使用线卡固定。种子激光器101和泵浦激光器114的外壳使用导热硅脂与外壳紧密接触，以便于散热。本发明光源的全部光器件的输入端和输出端都是光纤，光器件之间的连接均采用光纤熔接机熔接，并且加热缩套管进行保护。

同步电脉冲信号接口118能够输入外接的同步电脉冲信号，每一个同步电脉冲都能激发一个光脉冲输出；同步电脉冲信号接口118也能够将内部同步电脉冲信号输出，每发一个光脉冲的同时也输出一个同步电脉冲信号；以上两种方式互斥，任选其一工作。

本发明的光源是基于主振荡功率放大技术，脉冲发生电路113、脉冲整形电路112、种子激光驱动电路111、种子激光器101四个部件构成主振荡，产生种子光脉冲，该光脉冲功率较微弱。

具体说，脉冲发生电路113产生脉冲宽度固定、重复频率数字可调的的脉冲电信号，或从同步电脉冲信号接口118外接同步电脉冲信号输入脉冲整形电路112，脉冲整形电路112将输入的电脉冲信号的脉冲宽度调整到设定值后输出，得到一定重复频率、一定脉冲宽度的电脉冲信号，这样的电脉冲信号经过种子激光驱动电路111放大后驱动种子激光器101，就产生对应重复频率、对应脉冲宽度的种子光脉冲；种子激光驱动电路111控制种子源的工作温度恒定，并且监测种子激光器101的输出光功率和工作状态。

控制电路116控制脉冲发生电路113产生电脉冲信号的重复频率，控制脉冲整形电路112输出电脉冲信号的脉冲宽度，控制种子激光驱动电路111开启或关闭，控制泵浦激光驱动电路115的驱动电流大小，根据光探测器110的反馈控制输出光功率恒定，以及通过通信接口119与外界进行通信，重复频率、脉冲宽度的数值由外界设备通过通信接口119发送至控制电路116。

泵浦激光器114、泵浦激光驱动电路115、掺铒光纤104、光波分复用器103、光隔离器、光滤波器106等部件构成掺铒光纤放大器，将种子光脉冲功率放大到一定程度，由光脉冲输出接口121输出。泵浦激光驱动电路115向泵浦激光器114提供驱动电流，控制泵浦激光器114的工作温度恒定，以及监测泵浦激光器114的输出光功率和工作状态。

此外，光隔离器是一种单向导通的光器件，仅允许光从隔离器的输入端向输出端传输，输出端到输入端是阻止的；光滤波器106能够在频域上将绝大部分ASE（Amplified Spontaneous Emission，放大的自发辐射）噪声滤除，只让有用的信号光通过；可饱和吸收体107在输入光功率较小的时候具有吸收特性，而在输入光功率较大的时候具有透明特性，能够在时域上进一步滤除残余的ASE噪声，当没有种子光脉冲输入的时候，仅有残余的ASE噪声，功率很弱，会被可饱和吸收体107吸收；当有种子光脉冲输入的时候，掺铒光纤放大器会将种子光脉冲放大到一定的程度（例如1000倍），功率很强，会以很低的损耗透过可饱和吸收体107，因此，通过频域、时域双重手段，本发明光源的信噪比得到了大大提高。光分路器108将输入的光按照固定的比例分为两路光输出，一路由光脉冲输出接口121输出，另一路进入光衰减器109衰减固定的比例后进入光探测器110，光探测器110将光信号转为电信号反馈给控制电路116。

种子激光器101和泵浦激光器114均为半导体激光器，内部集成了热敏电阻、半导体制冷片、背光检测模块；种子激光器的波长位于1550nm波段，泵浦激光器的波长位于980nm波段。

本实施例中，各器件选用如下：种子激光器优选采用Agilecom公司的WSLS-5012-10；泵浦激光器选用Agilecom公司的WSLS-980-23。

光隔离器采用Lightcomm公司的ISO-S-P-1550型单级偏振无关型光隔离器，隔离度大于30dB，插入损耗小于0.5dB。

光波分复用器选用Lightcomm公司的WDM-P-1×２-9815熔融拉锥耦合器，工作波长为1550/980nm波段，将输入端的1550.12nm的种子光和980nm的泵浦光光合到一个输出端输出。

掺铒光纤采用Nufern公司的980-HP单包层掺杂光纤。

光滤波器选用OptiZone公司的BPF-1550.12，为1550nm波段的一窄带滤波器，带宽为1nm，中心波长与种子激光器的中心波长偏差小于0.1nm，透过率大于90%。

使用Lightcomm公司的SSC-P-155-1/99熔融拉锥耦合器作为光分路器，分光比为1：99。

光衰减器采用光纤光衰减器，衰减值为20dB。

选用北京四维通科技发展有限公司的PDS143型PIN管作为光探测器。

本实施例中的脉冲发生电路113能够产生脉冲宽度为500ns、重复频率5KHz至30KHz可调的电脉冲信号。

本实施例中的脉冲整形电路112能够将输入的电脉冲信号的脉冲宽度调整到设定值再输出，输出脉冲宽度的范围为5ns至25ns。

本实施例中输出的光脉冲功率范围为1W至50W，输出的光脉冲实测信噪比大于40dB。

本发明的光源能够输出光脉冲，脉冲宽度调节范围为几纳秒至几十纳秒，脉冲重复频率为几KHz至几十KHz，脉冲功率为几瓦到几十瓦，三个参数都可以通过通信接口119设置，光源的信噪比大于40dB，完全满足分布式光纤温度传感器的要求。在分布式光纤温度传感器利用本发明的光源，能够提高系统的信噪比和稳定性，提高测量温度时的空间分辨率和温度分辨率。此外，由于种子激光器、泵浦激光器都工作在较小的驱动电流（几十毫安培）情况下，大大增加了光源的耐用度，降低了光纤温度传感器的维护成本。

以上实施例仅用以说明而并非限制本发明的技术方案，不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。 

Claims (10)

1.一种用于分布式光纤温度传感器的光源，包括外壳，其特征在于：所述外壳上设有同步电脉冲信号接口、通信接口、电源接口及光脉冲输出接口，所述外壳内部设有光链路、电链路和电源电路，所述电源电路与所述电源接口连接并向所述光链路和电链路供电；

所述光链路为：种子激光器的输出端接入第一光隔离器的输入端，第一光隔离器的输出端与泵浦激光器的输出端分别接入光波分复用器的两个输入端，所述光波分复用器的输出端接入掺铒光纤的一端，所述掺铒光纤的另一端接入第二光隔离器的输入端，第二光隔离器的输出端与光滤波器的输入端相连，所述光滤波器的输出端接入可饱和吸收体的输入端，所述可饱和吸收体的输出端接入光分路器的输入端；所述光分路器的一个输出端接入所述光脉冲输出接口，所述光分路器的另一个输出端接入光衰减器的输入端，所述光衰减器的输出端接入光探测器；

所述电链路为：脉冲发生电路的输出端和所述同步电脉冲信号接口分别接入脉冲整形电路的输入端，所述脉冲整形电路的输出端接入种子激光驱动电路的输入端，所述种子激光驱动电路的输出端连接所述种子激光器；泵浦激光驱动电路接入泵浦激光器的输入端；所述脉冲发生电路、脉冲整形电路、种子激光驱动电路、泵浦激光驱动电路分别与控制电路相连并受控制电路控制；所述光探测器的输出端连接所述控制电路；所述控制电路与所述通信接口连接并通过通信接口与外界通信。

2.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感器的光源，其特征在于：所述同步电脉冲信号接口能够输入外接的同步电脉冲信号，每一个同步电脉冲都能激发一个光脉冲输出；所述同步电脉冲信号接口也能够将内部同步电脉冲信号输出，每发一个光脉冲的同时也输出一个同步电脉冲信号；以上两种方式互斥，任选其一工作。

3.根据权利要求2所述的用于分布式光纤温度传感器的光源，其特征在于：所述同步电脉冲信号接口具有大于300MHz的传输带宽，可以是SMA、SMB或BNC连接头。

4.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感器的光源，其特征在于：所述种子激光器和泵浦激光器均为半导体激光器，内部集成了热敏电阻、半导体制冷片、背光检测模块；所述种子激光器的波长位于1550nm波段，所述泵浦激光器的波长位于980nm波段。

5.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感器的光源，其特征在于：所述光波分复用器为1550/980nm波段，能够将1550nm和980nm两个输入端的光合到一个输出端输出。

6.根据权利要求5所述的用于分布式光纤温度传感器的光源，其特征在于：所述光波分复用器为熔融拉锥耦合器或平面波导耦合器。

7.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感器的光源，其特征在于：所述掺铒光纤可以是单包层掺杂光纤，也可以是双包层掺杂光纤。

8.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感器的光源，其特征在于：所述光滤波器为1550nm波段的一窄带滤波器，带宽为1nm，中心波长与所述种子激光器的中心波长偏差小于0.1nm，透过率大于90%。

9.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感器的光源，其特征在于：所述光衰减器为空间型光衰减器或光纤光衰减器。

10.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感器的光源，其特征在于：所述光探测器为PIN管或光电池。

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