CN104764540A - 结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统，该系统采用反向拉曼泵浦放大脉冲激光，补偿了脉冲激光在长距离传输过程中的损耗，提高了光纤后向拉曼散射光的信噪比。因为所提系统对脉冲激光的放大是从光纤的末端到始端的整个光纤长度上进行的，从而可以避免在光纤始端采用集总式放大器所带来的系统不稳定问题。数值仿真结果表明，本发明所提出的系统，在相同的测温条件下，测温精度是常规系统的2.5倍以上，在相同温度分辨率情况下，测温距离比常规系统提高了1.5倍以上。

Description

结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统。

背景技术

分布式拉曼光纤温度传感器(RDTS)具有温度检测范围大、抗电磁干扰能力强、可实时检测温度分布、结构简单和成本低廉等特点，可广泛应用于电力、石油、煤炭和桥梁隧道等领域的温度实时检测。由于光纤的非线性，脉冲激光在光纤内传输过程中会产生拉曼散射。散射光分为斯托克斯光和反斯托克斯光，其中斯托克斯光几乎与温度无关，而反斯托克斯光则受到光纤局部温度的调制。其基本原理是通过解调脉冲激光在光纤中传输时产生的后向拉曼散射光信号，从而获得整条光纤上的温度分布信息。

RDTS系统中，在光纤前端测得的斯托克斯光和反斯托克斯光功率分别为：

$P_S\left(l\right)=\frac{v}{2}{\mathrm{\ρ}}_S{\mathrm{\Γ}}_S{E}_0\exp \left[({-\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{\α}}_S)l\right]---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{AS}}\left(l\right)=\frac{v}{2}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{AS}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}{E}_0\exp \left[({-\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right]---\left(2\right)$

其中，P_S、P_AS分别表示光探测器探测到的斯托克斯光和反斯托克斯光功率；v表示脉冲激光在光纤中的传播速度；ρ_S、ρ_AS分别表示斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的后向散射因子；Γ_S、Γ_AS分别表示斯托克斯光和反斯托克光在光纤中单位长度上的后向散射系数；E₀表示入射光脉冲的能量；α₀、α_S、α_AS分别表示入射脉冲激光、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中单位长度上的损耗系数；l表示测温距离。

根据自发拉曼散射中光子所遵循的玻色-爱因斯坦分布及其平衡条件，式(1)和式(2)中的斯托克斯光和反斯托克斯光的后向散射因子ρ_S、ρ_AS分别表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_S=\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{\ΔE}/\mathrm{kT})}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{AS}}=\frac{\exp (-\mathrm{\ΔE}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{\ΔE}/\mathrm{kT})}---\left(4\right)$

上式中△E为光纤分子上、下级能量差；k为波尔兹曼常数；T为光纤某探测位置处的绝对温度。所以，利用斯托克斯光作为参考信道，通过把反斯托克斯光与其作比较，便可以求出整个光纤上的温度分布。

但由于脉冲激光在光纤传输过程中会产生衰减，再加上光纤自发拉曼散射的强度很低，导致长距离拉曼温度传感系统中光纤的中后部产生的拉曼散射十分微弱。为了增强拉曼散射光强度，使系统得到良好的信噪比，可采用铒掺杂光纤放大器(EDFA)对脉冲激光进行放大，但当光纤的入射功率超过受激拉曼散射阈值时，就会出现非线性现象，使后向拉曼散射曲线产生畸变，导致测量结果不可靠，系统呈现不稳定状态。所以，采用EDFA放大脉冲激光的方法受到了限制。由此可见，脉冲激光在光纤中的传输损耗以及自发拉曼散射的微弱强度限制了常规RDTS系统的测温分辨率和测温距离的进一步提高，制约了RDTS的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统，其特征在于：包括脉冲激光源、三端口的环形器、泵浦激光源，环形器其中一个端口通过光纤与一个隔离器输出端耦合连接，环形器另一个端口与一个单模光纤的始端连接，脉冲激光源的脉冲激光经过隔离器、环形器耦合至单模光纤始端，泵浦激光源的泵浦激光依次经过另一个隔离器、耦合器耦合至单模光纤末端，环形器第三个端口通过窄带高反射光纤布拉格光栅连接至波分复用器的输入端，波分复用器具有两路输出，两路输出分别依次经过光滤波器、雪崩二极管连接至信号采集处理单元。

上述的结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统，传感光纤末端设置具有合适波长和功率的泵浦激光装置。波分复用器前端与环形器第三个端口之间设置的窄带高反射光纤布拉格光栅，其中心波长与泵浦激光波长一致。

本发明通过反向泵浦光对脉冲激光的分布式放大作用，使系统的信噪比得到了明显的提高。特别是在测温光纤的后段部分上，拉曼泵浦放大脉冲激光的作用更为明显，使得测温光纤后段部分的拉曼散射光强度增加，实现系统信噪比的大幅提升。本发明提出的结合拉曼放大的拉曼光纤测温系统的上述优点使得其在光纤后段部分的测温分辨率约为具有相同长度光纤的常规系统的2.5倍，或者可在保证测温分辨率不变的情况下，将系统的测温距离较常规系统延展1.5倍以上。

本发明提出了一种结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统，在不改变脉冲激光器入纤功率的情况下，采用一个反向拉曼泵浦激光器放大脉冲激光，补偿脉冲激光在长距离传输过程中的损耗，提高光纤中后向拉曼散射光的信噪比，从而提升RDTS系统的测温精度和测温距离。

附图说明

图1为本发明的结合拉曼放大技术的RDTS系统结构框图。

图2为本发明具体实施方式中结合拉曼放大技术的RDTS系统与常规RDTS系统脉冲激光功率分布对比图。

图3为本发明具体实施方式中结合拉曼放大技术的RDTS系统与常规RDTS系统在30km长度单模光纤上解调后的温度分布对比图，其中：

图3a为常规RDTS系统的光纤温度分布图，图3b为本发明的光纤温度分布图。

图4为本发明具体实施方式中结合拉曼放大技术的RDTS系统与常规RDTS系统在30km长度单模光纤上的温度分辨率对比图。

图5为本发明具体实施方式中结合拉曼放大技术的RDTS系统与常规RDTS系统在45km长度单模光纤上的温度分辨率对比图。

具体实施方式

参照图1，结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统，包括脉冲激光源、三端口的环形器、泵浦激光源，环形器其中一个端口通过光纤与一个隔离器输出端耦合连接，环形器另一个端口与一个单模光纤的始端连接，脉冲激光源的脉冲激光经过隔离器、环形器耦合至单模光纤始端，泵浦激光源的泵浦激光依次经过另一个隔离器、耦合器耦合至单模光纤末端，环形器第三个端口通过窄带高反射光纤布拉格光栅连接至波分复用器的输入端，波分复用器具有两路输出，两路输出分别依次经过光滤波器、雪崩二极管连接至信号采集处理单元。

由于单模光纤(SMF)受激拉曼散射阈值的限制，且光纤的拉曼散射温度效应又很弱，这在很大程度上限制了传感系统的工作距离。因为脉冲激光在长距离传感光纤中的传输损耗，光纤末端的脉冲激光强度变得很弱。为了增强系统的信噪比，提高系统的传感距离，本实施例在传感光纤末端加上一个具有合适波长和功率的泵浦激光器，利用反向泵浦对脉冲激光的拉曼放大补偿长距离传输中的损耗。同时，本实施例在波分复用器前端与环形器第三个端口之间设置中心波长与泵浦激光波长一致的窄带高反射光纤布拉格光栅，消除残余泵浦对反斯托克斯光检测的影响。

本实施例采用功率为0.5W，输出波长为1550nm，脉冲宽度为10ns的半导体脉冲激光，经过隔离器和环形器耦合进SMF。波长为1455nm，功率可调的半导体泵浦激光经隔离器和耦合器由光纤末端输入。由于传感距离长，为了抑制模式色散，系统采用SMF。脉冲激光在传输过程中产生两路拉曼散射光，同时受到泵浦激光的拉曼放大。波分复用器前端连接的窄带高反射光纤布拉格光栅对1455nm的残余泵浦光进行全反射，消除残余泵浦对反斯托克斯光检测的影响。系统其余部分的工作原理与常规传感系统相同。

结合拉曼放大技术的RDTS系统与常规传感系统脉冲激光功率分布对比如图2所示：

本实施例采用功率为1.0W的反向连续泵浦激光，30km的SMF。未采用反向泵浦装置的脉冲激光功率因为在光纤中传输的损耗而平稳的下降。而采用反向泵浦装置的脉冲激光功率在15km至20km处下降十分缓慢，在20km至30km处呈上升趋势。在光纤前端，脉冲激光功率较大时，泵浦光功率很小，拉曼放大非常不明显，这就与EDFA在光纤前端进行的集总式放大机制有很大区别，反向分布式的拉曼放大避免了因脉冲激光过强产生的受激拉曼散射所导致的系统不稳定。在20km以后，由于泵浦光对脉冲激光的分布式放大，光纤中的脉冲激光功率平稳上升，由此很好地解决了光纤末端脉冲激光功率微弱所导致的传感距离受限的难题。由于脉冲激光的放大，返回光纤前端的拉曼散射光的强度和信噪比能够得到明显的增强，从而可以提高系统的测温分辨率和测温距离。

结合拉曼放大技术的RDTS系统与常规传感系统在30km长度单模光纤上解调后的温度分布对比如图3所示：

本实施例利用反斯托克斯散射光功率与斯托克斯散射光功率对比解调的方法对结合拉曼放大技术的RDTS系统与常规RDTS系统进行了温度解调。未采用反向泵浦的常规RDTS系统解调后的光纤温度分布由于噪声的影响波动很大，在光纤末端已经丧失了RDTS系统测温的精确性，最大测温误差高达到10K；而采用反向泵浦的RDTS系统解调后的光纤温度分布受噪声影响小，且信噪比较为均匀，在整个光纤长度上都较好地显示了温度的信息。

结合拉曼放大技术的RDTS系统与常规RDTS系统在30km长度单模光纤上的温度分辨率对比如图4所示：

未采用反向泵浦的RDTS系统的测温分辨率随着光纤长度的增加而急剧变差，在光纤末端的测温分辨率甚至劣化到了3.1K。而采用反向泵浦的RDTS系统的测温分辨率在整个光纤长度上均保持在1.2K以下，且分辨率曲线较为平坦。特别是20km以后的区域，与常规RDTS系统对比，存在明显的优势。这是因为新系统采用的是反向泵浦，对光纤末端的脉冲激光增益最大。

结合拉曼放大技术的RDTS系统与常规RDTS系统在45km长度单模光纤上的温度分辨率对比如图5所示：

本实施例采用功率为1.168W的反向连续泵浦激光，45km的SMF。常规RDTS系统在30km距离以内的温度分辨率稍劣于结合拉曼放大技术的RDTS系统。然而，常规RDTS系统在光纤后端的温度分辨率剧烈增长，在45km光纤处，测温分辨率为30km光纤处的4倍以上，测温精度极差。但采用拉曼放大技术的RDTS系统的测温分辨率在整个45km光纤长度内均保持在3.0K以下，且该值优于常规测温系统在30km处的温度分辨率。可见，结合拉曼放大技术的RDTS系统在保证测温分辨率与常规RDTS系统一致的情况下，可将系统的测温距离延展1.5倍以上。

此外，本发明所提出的RDTS系统在不改变原系统脉冲激光参数以及其他辅助装置的情况下，仅通过改变反向泵浦光的功率，就可以适应不同的测温距离，且保持较好测温分辨率，从而可以大幅度节约用户成本，提高系统适用性。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统，其特征在于：包括脉冲激光源、三端口的环形器、泵浦激光源，环形器其中一个端口通过光纤与一个隔离器输出端耦合连接，环形器另一个端口与一个单模光纤的始端连接，脉冲激光源的脉冲激光经过隔离器、环形器耦合至单模光纤始端，泵浦激光源的泵浦激光依次经过另一个隔离器、耦合器耦合至单模光纤末端，环形器第三个端口通过窄带高反射光纤布拉格光栅连接至波分复用器的输入端，波分复用器具有两路输出，两路输出分别依次经过光滤波器、雪崩二极管连接至信号采集处理单元。

2.根据权利要求1所述的结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统，其特征在于：传感光纤末端设置具有合适波长和功率的泵浦激光装置。

3.根据权利要求1所述的结合拉曼放大技术的拉曼光纤测温系统，其特征在于：波分复用器前端与环形器第三个端口之间设置的窄带高反射光纤布拉格光栅，其中心波长与泵浦激光波长一致。