CN102680138A - 一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统 - Google Patents

Abstract

一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统包括：宽带光源，双向四通道光纤耦合器，单模光纤，第一、第二分光器，第一、第二、第三光电探测电路，信号采集卡，计算机；本发明主要用于电力电缆、隧道、油管、易燃易爆等场所的实时温度监测，灵敏度高，响应速度快，传输距离远，抗电磁干扰能力强。利用斯托克斯通道和反斯托克斯通道解调温度信息，利用瑞利通道解调位置信息；本发明的温度分辨率为0.8℃，空间分辨率为1m甚至1m以下，具有较强的实用性。

Description

一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统

技术领域

本发明涉及一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统，属于光纤测量技术领域。

背景技术

温度传感是光纤传感技术中较为活跃的开发领域之一。传统的单点移动式或由多个单点组成的准分布式测量方式存在难于安装、难于布线、难于维护等缺点，这种监测方法只检测探头接触点，测温范围较小；传统的检测系统的传感器易受电磁干扰，系统可靠性较低，易受外界环境如传输通道等的影响。而完全分布式温度传感器是有效的方法，光纤既可以传输信号，其本身也是传感器，实现在线实时监测和预报，可大大降低获取信息的成本，分布式测温检测范围较大，不受电磁干扰，系统简单安全。

分布式光纤温度传感器已成了目前世界上最先进、最有效的连续分布温度监测系统，广泛应用于电力装置的温度监测、水利工程的渗漏和温度监控、石油化工领域的泄露和温度监控、空间场所的温度监控和火情监测、地下探测等等。

现有的拉曼测温系统进行状态检测，测量精度不高。例如在对电缆实时监测时，电缆某点出现故障局部温度升高，不能快速准确定位温度和位置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统，可以有效监测，快速准确地定位和测量温度。

本发明技术解决方案：一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统，包括：宽带光源1、双向四通道光纤耦合器2、单模光纤3、第一分光器4、第二分光器5、第一光电探测电路6、第二光电探测电路7、第三光电探测电路8、信号采集卡9和计算机10；其中双向四通道光纤耦合器2的一个通道作为传输通道，传输光信号，另三个通道分别作为斯托克斯通道、反斯托克斯通道和瑞利通道，分别耦合回背向斯托克斯散射光、背向反斯托克斯散射光和背向瑞利散射光；宽带光源1的输出连接至双向四通道光纤耦合器2的耦合输入端口，即A端口；双向四通道光纤耦合器2的传输端口，即C端口接至单模光纤3，双向四通道光纤耦合器2的耦合输出端口，即B端口连接第一分光器4；第一分光器4的两个输出分别接至第一光电探测电路6和第二分光器5；第二分光器5分出的两束光分别被第二光电探测电路7和第三光电探测电路8接收；第一光电探测电路6、第二光电探测电路7和第三光电探测电路8均与信号采集卡9相连，由信号采集卡9采集电信号，最终数据传入计算机10解调得出温度、位置信息并显示；宽带光源1发出的宽带光到达双向四通道光纤耦合器2，由双向四通道光纤耦合器2的一个通道传输光信号经过单模光纤3并在其中传播，另外三个通道，即斯托克斯通道、反斯托克斯通道和瑞利通道分别背向斯托克斯散射光、背向反斯托克斯散射光以及背向瑞利散射光耦合回双向四通道光纤耦合器2后由B端口输出，输出的光经过第一分光器4分成两束光，其中一束光经滤波滤掉斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光后留下瑞利散射光，然后瑞利散射光由第一光电探测电路6接收；另外一束光通过第二分光器5再次被分为两束，经滤波滤掉瑞利散射光后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光分别由第二光电探测电路7和第三光电探测电路8接收，上述三路光经三个光电探测电路后转化为电信号，由信号采集卡9采集，之后由计算机10处理，解调出温度和位置信息并显示。

所述第一分光器4的分光比为50：50。背向拉曼散射光到达第一分光器4后分出强度相等的两束光，一束滤掉斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光，留下瑞利散射光用于位置的解调；另一束光滤掉瑞利散射光，留下斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光用于温度的解调。

所述第二分光器5的分光比为80：20。由于反斯托克斯散射光承载着主要的温度信息，所以第二分光器5分出80%的反斯托克斯散射光，剩下20%的斯托克斯散射光用来作对比以消除系统的不良影响。

所述第一光电探测电路6、第二光电探测电路7和第三光电探测电路8采用半导体InGaAs PIN型光电二极管电路。

所述宽带光源1为ASE宽带光源，中心波长1550nm，3dB带宽30nm。

所述单模光纤3的线路损失系数为0.20。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

（1）本发明采用了双向四通道光纤耦合器和单模光纤，利用斯托克斯通道和反斯托克斯通道解调温度信息，利用瑞利通道解调位置信息，两者结合可以有效监测，快速准确的将故障点锁定在较小的范围内，实时温度，工作人员及时解决问题，具有较强的实用性。

（2）本发明的温度分辨率可达0.8℃，空间分辨率为1m甚至1m以下，提高了系统的效率，可用于电力电缆、隧道、油管、易燃易爆等场所的实时温度监测，采用弹性散射的瑞利散射解调位置信息，可以达到灵敏度高；采用高速信号采集卡使其响应速度快；采用低损耗的单模光纤传输信号使其传输距离更远，抗电磁干扰能力强是光纤传感器优势于普通电传感器的自身属性。

附图说明

图1为本发明的双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统的原理图；

图中：1、宽带光源，2、双向四通道光纤耦合器，3、单模光纤，4、第一分光器，5、第二分光器，6、第一光电探测电路，7、第二光电探测电路，8、第三光电探测电路，9、信号采集卡，10、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

如图1所示，本发明所述的双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统包括：宽带光源1、双向四通道光纤耦合器2、单模光纤3、第一分光器4、第二分光器5，第一光电探测电路6、第二光电探测电路7、第三光电探测电路8、信号采集卡9和计算机10；其中，第一光纤耦合器2的A端口和C端口分别连接宽带光源1和单模光纤3，B端口连接第一分光器4；第一光电探测电路6、第二光电探测电路7、第三光电探测电路8分别接收第一分光器4和第二分光器5分出的三束光，并于信号采集卡9、计算机10依次相连。

宽带光源1发出的宽带光经过双向四通道光纤耦合器2到达单模光纤3并在其中传播，背向斯托克斯散射、背向反斯托克斯散射以及背向瑞利散射被耦合回光纤耦合器2后，由第一分光器4分成两束光。其中一束光经滤波后留下瑞利散射光由第一光电探测电路6接收，另外一束光通过第二分光器5再次被分为两束，经滤波后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，分别由第二光电探测电路7和第三光电探测电路8接收。三路光经光电探测电路后转化为电信号，由信号采集卡9采集，之后由计算机10处理并显示出温度和距离信息。

其中，反斯托克斯光承载了大量温度信息，所以可以用斯托克斯通道作为参考，通过反斯托克斯光解调出温度信息。根据OTDR（光时域反射）原理知接收光功率为时间的函数，而光的传播速度已知，所以可以由时间乘以速度得出距离；瑞利散射为弹性散射，传播中没有波长、频率、能量的改变，所以利用瑞利散射光解调出位置信息效果最佳。

假设光纤均匀，传感光线中背向瑞利散射光强公式为：

$p\left(t\right)=\left(\frac{c^t}{2}\right)E_{u}S\left(t\right)\exp [-\mathrm{\α}\left(t\right)C^{t}t]---\left(1\right)$

式（1）中C^t为光纤中的相对光速，E_u为注入光脉冲能量，S(t)为背向散射因子，α(t)为瑞利散射系数。由公式（1）可知瑞利散射光强p为时间t的函数，而光的传播速度C^t已知，所以容易得出距离L＝C^t×t。

由拉曼散射原理可知，斯托克斯散射光强和反斯托克斯散射光强公式为：

(2)、(3)两式中A₀为常量，λ_S和λ_AS分别是斯托克斯光和反斯托克斯光的波长，Δv为频移，h为普朗克常量，k为玻尔兹曼常量，c为光速。

(2)、(3)两式相比可得：

R(T)为反斯托克斯光光强与斯托克斯光光强之比。

由(4)式可以看出通过测定R(T)可以计算出沿传感光纤的温度信息。

宽带光源1出射光到达双向四通道光纤耦合器2并且由一个通道传播光信息；另外三个通道分别耦合回背向瑞利散射光、背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光。

第一分光器4分光比为50：50，将背向散射光分成强度相等的两束光。其中一束滤掉斯托克斯和反斯托克斯光后得到瑞利散射光；另一束光滤掉瑞利散射光后射入第二分光器5，其分光比为80：20，80%的光经滤波后得到反斯托克斯光，20%的光经滤波后得到斯托克斯光。

第一光电探测电路6、第二光电探测电路7、第三光电探测电路8将光信号转化为电信号，对于整个系统性能高低起了关键作用。本发明实施例所述的传感系统，光信号经过一系列传输后到达光电探测电路后损耗较大，所以要求高精度的光电转化。本发明实施例中用半导体InGaAs PIN光电二极管进行光电转化，它具有偏置电压低、频率响应高、光谱响应宽、光电转换效率高，稳定性好、噪声小等优点。本发明实例中用到的三个光电转化电路完全一样。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述测温系统包括：宽带光源（1）、双向四通道光纤耦合器（2）、单模光纤（3）、第一分光器（4）、第二分光器（5）、第一光电探测电路（6）、第二光电探测电路（7）、第三光电探测电路（8）、信号采集卡（9）和计算机（10）；其中双向四通道光纤耦合器（2）的一个通道作为传输通道，传输光信号，另三个通道分别作为斯托克斯通道、反斯托克斯通道和瑞利通道，分别耦合回背向斯托克斯散射光、背向反斯托克斯散射光和背向瑞利散射光；宽带光源（1）的输出连接至双向四通道光纤耦合器（2）的耦合输入端口，即A端口；双向四通道光纤耦合器（2）的传输端口，即C端口接至单模光纤（3），双向四通道光纤耦合器（2）的耦合输出端口，即B端口连接第一分光器（4）；第一分光器（4）的两个输出分别接至第一光电探测电路（6）和第二分光器（5）；第二分光器（5）分出的两束光分别被第二光电探测电路（7）和第三光电探测电路（8）接收；第一光电探测电路（6）、第二光电探测电路（7）和第三光电探测电路（8）均与信号采集卡（9）相连，由信号采集卡（9）采集电信号，最终数据传入计算机（10）解调得出温度、位置信息并显示；宽带光源（1）发出的宽带光到达双向四通道光纤耦合器（2），由双向四通道光纤耦合器（2）的一个通道传输光信号经过单模光纤（3）并在其中传播，另外三个通道，即斯托克斯通道、反斯托克斯通道和瑞利通道分别将背向斯托克斯散射光、背向反斯托克斯散射光以及背向瑞利散射光耦合回双向四通道光纤耦合器（2）后由B端口输出，输出的光经过第一分光器（4）分成两束光，其中一束光经滤波滤掉斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光后留下瑞利散射光，瑞利散射光由第一光电探测电路（6）接收；另外一束光通过第二分光器（5）再次被分为两束，经滤波滤掉瑞利散射光后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光分别由第二光电探测电路（7）和第三光电探测电路（8）接收，上述三路光经三个光电探测电路后转化为电信号，由信号采集卡（9）采集，之后由计算机（10）处理，解调出温度和位置信息并显示。

2.根据权利要求1所述的一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述第一分光器（4）的分光比为50：50。

3.根据权利要求1所述的一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述第二分光器（5）的分光比为80：20。

4.根据权利要求1所述的一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述第一光电探测电路（6）、第二光电探测电路（7）和第三光电探测电路（8）采用半导体InGaAs PIN型光电二极管电路。

5.根据权利要求1所述的一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述宽带光源（1）为ASE宽带光源，中心波长1550nm，3dB带宽30nm。

6.根据权利要求1所述的一种双向四通道耦合的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述单模光纤（3）的线路损失系数为0.20。

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