CN102980682A - 一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，在传感光纤末端连接一个由3dB耦合器和自动偏振控制器构成的光纤环镜；调整光纤环镜的反射率，使前向传输的光在传感光纤末端发生全反射，从而获得正反两束具有相同中心波长的反斯托克斯光信号。测量反斯托克斯光信号的光强可实现对温度的测量；通过对正反两束反斯托克斯光信号进行相乘运算处理，可对光纤自身由于吸收、弯曲、应变等带来的损耗进行自校正。本发明包括激光器、波分复用器、传感光纤、3dB耦合器、自动偏振控制器、光电探测模块、信号采集系统和显示器。本发明装置简单，灵活可调，信噪比好，同时具有自反馈和自校正功能，适用于电网、铁路、桥梁、隧道等测量场合。

Description

一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感领域，涉及一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器。该传感器结构简单，灵活可调，信噪比高，具有自反馈和自校正功能，可在生产过程、土木工程、灾害监测等系统中实现对温度的实时连续监测。

技术背景

近几十年，分布式光纤拉曼温度传感器由于其体积小、重量轻、耐高温、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀等优点获得了广泛的关注与研究。该类传感器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)技术实现对温度的监控。传感所用光纤既是传输介质又是传感介质，可实现实时在线的光纤温度场测量，广泛应用于煤矿、隧道的火灾自动报警系统、大型变压器、发动机组的温度分布测量系统以及地下电缆的温度报警系统等领域。传统的分布式光纤拉曼温度传感器主要是利用斯托克斯光信号或瑞利散射光信号做参考通道，反斯托克斯光信号做信号通道，利用温度敏感的反斯托克斯拉曼散射光强与瑞利散射光强或斯托克斯散射光强的比值实现对温度的测量。该方法可以克服由于光源波动而导致的测量误差，但随着测量距离的增加，为了获得更高的测量精度，需要修正由反斯托克斯散射、斯托克斯散射和瑞利散射中心波长不同而带来的传输损耗。为修正上述传输损耗，需要得到与反斯托克斯光信号中心波长相同的斯托克斯光信号或瑞利散射光信号。2008年，Kwang Suh与Chung Lee等提出用波长差为拉曼位移波长的双光源法，采用光开关时分交替输出的副激光器的斯托克斯光来解调主激光器的光纤背向反斯托克斯光，实现了由于中心波长不同而带来损耗的自校正功能。但光开关的不同时性影响了系统的稳定性；同时由于该系统采用双光源及双光电探测模块，为获得相匹配的中心波长，对双光源的选取要求很高，增加了系统的复杂性及器件成本。2010年，韩国Dusun Hwang等人提出在传感光纤末端连接反射镜，以获得正反两束反斯托克斯光信号实现自校正(OPTICS EXPRESS，2010，Vol.18，No.10：9747-9754)。但由于受反射镜反射率的限制，前向传输的泵浦光不可能被完全反射，使得泵浦光和反斯托克斯光衰减，降低了系统信噪比。2011年，中国计量学院的康娟等提出采用双芯光缆末端连接的方法作为传感光纤，使得泵浦光源变成正反向两束，从而获得两束具有相同中心波长的反斯托克斯光束，以抵消光纤本身的损耗。但由于双芯光缆的不一致性，在测量过程中会引入误差；且双芯光缆需要特殊的封装技术，同时增加了光纤长度，提高系统成本。

本发明采用传感光纤末端连接光纤环镜的方法，代替了反射镜和双芯光缆，提供了一种更为灵活简单、信噪比高、可靠性好、具有自反馈和自校正功能的可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器。该传感器只需使用单光源和传统的单模光纤光缆即可实现温度检测。通过自动偏振控制器调整光纤环镜的反射率，使得入射光束被完全反射，从而获得同一光源产生的具有相同波长中心的正反两束反斯托克斯光，用于抵消光纤自身吸收、应变、弯曲等引起的损耗，实现自校正功能。

发明内容

本发明的目的是提供了一种更为灵活简单、信噪比高、可靠性好的可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器。

本发明的技术解决方案如下：

一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，包括激光器、波分复用器、传感光纤、3dB耦合器、自动偏振控制器、光电探测模块、信号采集系统和显示器。其中波分复用器包括三个端口，端口2-1与激光器相连，端口2-2与传感光纤相连，端口2-3与光电探测模块的输入端相连；光电探测模块的输出端与信号采集系统的输入端相连；信号采集系统的输出端与显示器相连。上述的3dB耦合器的耦合比满足在波长范围为1300nm～1650nm内实现光束比为1∶1输出的要求。它包括四个端口，端口4-1连接传感光纤，端口4-3连接自动偏振控制器的输入端，端口4-4连接自动偏振控制器的输出端，共同构成一个光纤环镜；端口4-2连接自动偏振控制器5的输入端，可实现对偏振器状态的自动调整，从而改变光纤环镜的反射率，使得光纤环镜具有自反馈功能，在任意时刻均能实现全反射。

激光器发出泵浦光束后，通过波分复用器耦合进入传感光纤，光纤中产生瑞利散射、斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射光。由于传感光纤末端连接光纤环镜，泵浦光源在传感光纤中前向传输到达末端后会发生全反射进行背向传输，使得光电探测模块获得正反两束由同一泵浦光产生的带有温度场信息的反斯托克斯拉曼散射光。对这两束反斯托克斯光信号进行相乘运算处理，便能实现可自校正的分布式温度测量。

本发明的有益效果在于：

一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，在单模传感光纤光缆末端连接一个由3dB耦合器与自动偏振控制器构成的光纤环镜。调整偏振控制器的状态，可使得正向传输的光束在传感光纤末端发生全反射而进行背向传输，从而获得由同一光源产生的具有相同中心波长的正反两束带有温度场信息的反斯托克斯光。利用3dB耦合器与自动偏振控制器构成的具有自反馈作用的光纤环镜，可提高系统的信噪比和智能化程度。该发明结构简单，灵活可调，适用于电网、铁路、桥梁、隧道等需要进行温度场实时监控的测量场合。

附图说明

图1是一种可自校正的分布式光纤拉曼温度传感器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步描述。

如图1示，一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，包括激光器1、波分复用器2、传感光纤3、3dB耦合器4、自动偏振控制器5、光电探测模块6、信号采集系统7和显示器8。其中波分复用器2包括三个端口，其中端口2-1与激光器相连，端口2-2与传感光纤相连，端口2-3与光电探测模块6的输入端相连；光电探测模块6的输出端与信号采集系统7的输入端相连；信号采集系统7的输出端与显示器8相连。上述的3dB耦合器4的耦合比在波长范围为1300nm～1650nm内可实现光束比为1∶1输出，它包括四个端口，端口4-1连接传感光纤3，端口4-3连接自动偏振控制器5的输入端，端口4-4连接自动偏振控制器5的输出端，共同构成一个光纤环镜；端口4-2与自动偏振控制器5的输入端相连，当外界环境发生变化时，光纤环镜的偏振态会发生改变，此时端口4-2可将变化信息反馈至自动偏振控制器5中，使其自动调整偏振状态，保证光纤环镜的反射率不发生改变，在任意时刻均实现全反射，完成自反馈功能。

本发明基于以下原理：

激光器发出能量为P₀的泵浦光束，通过波分复用器耦合进入传感光纤，光纤中产生瑞利散射、斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射光，其中反斯托克斯拉曼散射光的光强为I_n1。由于传感光纤末端连接光纤环镜，泵浦光束在光纤环镜内发生全反射而进行背向传输，使得光电探测模块获得正反两束由同一泵浦光产生的带有温度场信息的反斯托克斯拉曼散射光。其中背向反斯托克斯拉曼散射光强为I_n2。根据分布式光纤拉曼散射光子传感器测温原理，在光纤里反斯托克斯背向拉曼散射光强为：

$I_{n1}\left(z\right)=P_{0}g(z,T)\exp (-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_p\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}}\left(z\right)\mathrm{dz})+C---\left(1\right)$

$I_{n2}\left(z\right)=P_{0}g(z,T)\exp (-\underset{0}{\overset{z_0}{\∫}}{\mathrm{\α}}_p\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{z}{\overset{z_0}{\∫}}{\mathrm{\α}}_p\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{0}{\overset{z_0}{\∫}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}}\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{z}{\overset{z_0}{\∫}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}}\left(z\right)\mathrm{dz})+C$

(2)其中，P₀为泵浦光的强度，g(z，T)为在传感光纤z处与温度T相关的拉曼散射函数，α_p(z)和α_AS(z)分别为泵浦光和反斯托克斯拉曼散射光在光纤中传输时总的损耗，包括吸收损耗、熔接点损耗、连接损耗、弯曲损耗等。Z₀为整个测温光纤的总长度，C为常数，指光电探测模块探测反斯托克斯背向拉曼散射光强时的背景暗电流。

公式(1)与公式(2)相乘后，可消除与位置相关的积分项，得到仅与温度相关的方程：

$I_m\left(z\right)=\sqrt{(I_{n1}-C)(I_{n2}-C)}=P_0\mathrm{Ag}(z,T)---\left(3\right)$

其中，

表示在整个测温光纤Z₀范围内传输过程中发生的总损耗，可近似为常数。又温度函数g(z，T)与反斯托克斯拉曼散射强度成比例，即：

$g(z,T)=\frac{B}{{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{AS}}}^4}\exp {(\frac{\mathrm{hc\Δv}}{k_{B}T\left(z\right)}-1)}^{-1}---\left(4\right)$

其中，B是与传感光纤数值孔径相关的比例系数，h是谱朗克(Planck)常数，Δv是光纤分子的声子频率，K_B是波尔兹曼常数，T(Z)为传感光纤在位置z处的凯尔文(Kelvin)绝对温度。

把公式(4)代入公式(3)，得到被测长度为Z₀范围内的两束反斯托克斯拉曼散射处理后的强度与温度的关系如下：

$I_m\left(z\right)=P_0\·A\·\frac{B}{{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{AS}}}^4}\exp {(\frac{\mathrm{hc\Δv}}{k_{B}T\left(z\right)}-1)}^{-1}---\left(5\right)$

在本发明中采用长度为Z₀的传感光纤发出的反斯托克斯拉曼散射光做参考信号，仅用反斯托克斯拉曼散射强度来解调温度，根据公式(5)得到测温函数：

$T\left(z\right)={\left(\frac{k_B}{\mathrm{hc\Δv}}(\log \left(\frac{I_m\left(z_0\right)}{I_m\left(z\right)}\exp (\frac{\mathrm{hc\Δv}}{k_{B}T\left(z_0\right)}-1)\right)+1)\right)}^{-1}---\left(6\right)$

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强度，可以得到传感光纤各点的温度信号，同时对光纤传输过程中由于损耗、弯曲、应变等对采集到的温度场信号造成的交叉影响进行自校正。

光纤环镜的工作方式为：在传感光纤内传输的光束通过3dB耦合器的端口3-1输入，分成反向传输的两束光沿着环路传输一周后，在耦合器中再次相遇全部反射回输入端3-1。因此，光纤环镜在此处相当于一个无能量损失的全反射镜。当光纤环境由于外界变化导致其偏振态发生改变时，其反射率发生相应，此时3dB耦合器的端口4-2便会将信息反馈至自动偏振控制器，从而自动调整偏振态，保证光纤环镜的反射率不发生改变，在任意时刻均能实现全反射，实现自反馈智能调节功能。

本发明实现拉曼温度传感自校正的关键技术为：利用传感光纤末端的光纤环镜使得泵浦光发生全反射，一方面获得两束由同一泵浦光源产生的具有相同中心波长的反斯托克斯拉曼散射光，然后进行信号处理，消除由光纤自身、光纤内部散射波长不同或外界影响所带来的损耗；另一方面，所设计的光纤环镜由一个自动偏振控制器和3dB耦合器构成，3dB耦合器的端口4-2连接自动偏振控制器的输入端，可自动调整偏振状态，保证光纤环镜的反射率不发生改变，实现自反馈和自校正功能。

Claims (1)

1.一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于包括激光器1、波分复用器2、传感光纤3、3dB耦合器4、自动偏振控制器5、光电探测模块6、信号采集系统7和显示器8；所述的波分复用器2包括三个端口，其中端口2-1与激光器1相连，端口2-2与传感光纤3相连，端口2-3与光电探测模块6的输入端相连；光电探测模块6的输出端与信号采集系统7的输入端相连；信号采集系统7的输出端与显示器8相连；

所述的3dB耦合器4的耦合比在波长范围为1300nm～1650nm内可实现光束比为1∶1输出；包括四个端口，其中端口4-1连接传感光纤3，端口4-3连接自动偏振控制器5的输入端，端口4-4连接自动偏振控制器5的输出端，构成一个光纤环镜；端口4-2与自动偏振控制器5的输入端相连，可实现偏振器状态的自动调整，从而改变光纤环镜的反射率，使得所述光纤环镜具有自反馈功能，在任意时刻均可实现全反射。

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