CN105043586A - 一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统和测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统和测温方法，所述测温系统包括：脉冲激光光源；耦合器；特殊连接；少模光纤，所述耦合器输出的脉冲激光通过所述特殊连接进入所述少模光纤，所述脉冲激光在所述少模光纤内传播的过程中，产生背向散射光；拉曼滤波器，所述背向散射光经过所述耦合器的背向输出端口输入到所述拉曼滤波器，所述拉曼滤波器将拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤波；两个光电探测器，接收从所述两个端口输出散射光，进行光电转换；信号处理器，对所述输出电信号进行处理，得到温度信息。由于少模光纤传输损耗较小，模间色散远小于普通的多模光纤，不仅增加了测温系统的探测距离，而且还提高了测温系统的空间分辨率。

Description

一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统和测温方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤测温系统技术领域，尤其涉及一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统和测温方法。

背景技术

温度传感系统在公路、隧道、桥梁、水利工程等基础设施，高压线缆，煤矿井下，石油化工领域等地方有着非常广泛的应用。传统的单点移动式或者多个电子传感器组网实现的分布式测量方式存在难以安装，难以维护，容易受到电磁干扰等缺点。基于光纤型的分布式温度传感器是改良上述传感系统缺点的一种有效手段，而且光纤具有插入损耗低，探测距离长，容易铺设等优势，可以实现在线实时监测和预报，不受电磁干扰，系统简单安全。

在分布式光纤传感器中，分布式拉曼温度传感器利用了光纤中的拉曼散射原理，通过光纤传播过程中的背向拉曼散射光作为传感信号，能够实现对整条光纤链路中各点的温度场进行监测。

现有的拉曼测温系统采用的传感光纤为多模光纤或单模光纤。对于基于多模光纤的分布式拉曼传感系统，其优势在于多模光纤具有大的模场面积和高拉曼增益系数，其劣势在于多模光纤的损耗较大，导致探测距离受限，由于模间色散引入的串扰导致传感的空间分辨率不足。对于基于单模光纤的分布式拉曼传感系统，其优势在于损耗较小，其劣势在于模场面积较小，因此输入光功率受限，探测距离受限。

发明内容

本申请提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统和测温方法，改善了现有技术中的多模光纤和单模光纤的探测距离较小的技术问题。

本申请提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，所述测温系统包括：

脉冲激光光源，用于发出脉冲激光；

耦合器，对所述脉冲激光进行耦合，并输出；

特殊连接，连接所述耦合器和所述少模光纤；

少模光纤，所述耦合器输出的脉冲激光通过所述特殊连接进入所述少模光纤，所述脉冲激光在所述少模光纤内传播的过程中，产生背向散射光；

拉曼滤波器，与所述耦合器连接，所述背向散射光经过所述耦合器的背向输出端口输入到所述拉曼滤波器，所述拉曼滤波器将拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤波后从两个端口输出；

两个光电探测器，分别接收从所述两个端口输出的拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光，进行光电转换，并输出电信号；

信号处理器，对所述两个光电探测器的输出电信号进行处理，得到温度信息。

优选地，所述测温系统还包括连接所述信号处理器和所述脉冲激光光源同步源，用于脉冲激光光源和信号处理器之间的同步触发。

优选地，所述耦合器分光比为50:50。

优选地，所述特殊连接为桥纤或拉锥方式。

优选地，所述脉冲激光光源包括连续光激光器、调制器、信号源和光放大器。

优选地，所述连续光激光器的线宽为10MHz。

优选地，所述调制器为声光调制器、电光调制器、马赫泽德调制器中的一种。

优选地，所述光放大器为掺铒光纤放大器或半导体光放大器。

本申请还提供一种测温方法，应用于所述的测温系统中，所述方法包括：

对测温系统进行温度标定，在参考温度为T₀的少模光纤中，雪崩光电二极管测出的背向拉曼反斯托克斯散射功率P_as(T₀)和拉曼斯托克斯散射功率P_s(T₀)的比值为： $\frac{P_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)}{P_s\left(T_0\right)}=\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}{\left(\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right)}^4\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)\exp [-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)L]$ (式1)其中，K_as和K_s分别为反斯托克斯散射截面和斯托克斯散射截面，v_as和v_s为反斯托克斯光和斯托克斯光的频率，h为普朗克常数，Δv为拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，α_as和α_s分别为反斯托克斯光和斯托克斯光在少模光纤中传输的损耗系数，L为光纤长度；

任意温度T下所述两个光电探测器输出的比值为： $\frac{P_{\mathrm{as}}\left(T\right)}{P_s\left(T\right)}=\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}{\left(\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right)}^4\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})\exp [-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)L]$ (式2)；

根据式1和式2，获得温度分布曲线为：

本申请有益效果如下：

本申请提供的基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，由于光纤传输损耗较小，模间色散远小于普通的多模光纤，因此，不仅增加了测温系统的探测距离，而且还提高了测温系统的空间分辨率。解决了现有的多模光纤的分布式拉曼测温系统光纤传输损耗较大，且由于模间色散的影响，所导致测温系统的探测距离和空间分辨率受限的技术问题。

本申请提供的基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，模场面积较单模光纤而言较大，能够容忍更高的入纤光功率，提升探测距离，解决了现有技术中由于单模光纤的分布式拉曼测温系统的传感光纤的模场面积较小，入纤光功率受限，探测距离受限的技术问题。

另外，为了解决发射与接收单模器件与少模光纤模场失配的问题，引入了特殊连接方式，如桥纤、拉锥等技术，在保证单模光纤与少模光纤低连接损耗的同时只激励少模光纤的基模LP01。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为本申请一较佳实施方式一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统和测温方法，改善了现有技术中的多模光纤和单模光纤的探测距离较小的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本申请提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，所述测温系统包括：脉冲激光光源，用于发出脉冲激光；耦合器，对所述脉冲激光进行耦合，并输出；特殊连接，连接所述耦合器和所述少模光纤；少模光纤，所述耦合器输出的脉冲激光通过所述特殊连接进入所述少模光纤，所述脉冲激光在所述少模光纤内传播的过程中，产生背向散射光；拉曼滤波器，与所述耦合器连接，所述背向散射光经过所述耦合器的背向输出端口输入到所述拉曼滤波器，所述拉曼滤波器将拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤波后从两个端口输出；两个光电探测器，分别接收从所述两个端口输出的拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光，进行光电转换，并输出电信号；信号处理器，对所述两个光电探测器的输出电信号进行处理，得到温度信息。

本申请提供的基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，由于光纤传输损耗较小，模间色散远小于普通的多模光纤，因此，不仅增加了测温系统的探测距离，而且还提高了测温系统的空间分辨率。解决了现有的多模光纤的分布式拉曼测温系统光纤传输损耗较大，且由于模间色散的影响，所导致测温系统的探测距离和空间分辨率受限的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本申请提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，如图1所示，为本申请一较佳实施方式一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统的结构示意图。所述测温系统包括脉冲激光光源11、耦合器12、特殊连接13、少模光纤14、拉曼滤波器15、光电探测器16和17、信号处理器18和同步源19。

所述脉冲激光光源11用于发出脉冲激光。在本实施方式中，所述脉冲激光光源可以包括连续光激光器、调制器、信号源和光放大器。其中，连续光激光器的线宽为10MHz，调制器可以为声光调制器、电光调制器、马赫泽德调制器等，信号源用于调制光信号，光放大器可以为掺铒光纤放大器、半导体光放大器等。在其它实施方式中，所述脉冲激光光源11的结构并不局限于上述类型的结构，其他结构的合适的大功率脉冲激光光源也可应用于本系统。

所述耦合器12将脉冲激光光源11发出的脉冲激光耦合进后续传感系统并接收背向散射光并输出，耦合器12对于拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光所在的频率损耗较低。在本实施方式中，所述耦合器12分光比为50:50，且在拉曼斯托克斯散射和拉曼反斯托克斯散射光谱处的损耗较低，损耗在3.5dB以下。

特殊连接13连接所述耦合器和所述少模光纤，特殊连接13可以为桥纤、拉锥等方式，脉冲激光经所述耦合器12耦合后通过特殊连接13进入到少模光纤。在保证单模光纤与少模光纤低连接损耗的同时只激励少模光纤的基模LP01。

所述少模光纤14作为传感光纤，能够支持两种以上空间模式的少模光纤，脉冲激光在少模光纤中只以基模LP01状态传播。脉冲激光在少模光纤4内以基膜LP01状态传播的过程中，不断产生背向散射，背向散射光返回到耦合器12，经过耦合器12的背向输出端口输入到拉曼滤波器15。所述少模光纤14在激励其基模的情况下，基模的模场面积比普通单模光纤的模场面积大，且模间色散远小于普通多模光纤。

拉曼滤波器15与耦合器12连接。经过耦合器12输出的背向散射光通过拉曼滤波器15，拉曼滤波器15能够将拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤波后从两个端口输出。拉曼斯托克斯光频率比信号光频率低10-13THz，拉曼反斯托克斯光频率比信号光频率高10-13THz。

光电探测器16和17分别接收从所述拉曼滤波器15输出的拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光，进行光电转换，获得输出电信号。所述光电探测器16和17的探测带宽覆盖拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光的频率范围。

所述信号处理器18用于对两个光电探测器16和17的输出电信号进行处理，得到温度信息。

所述同步源19连接所述信号处理器18和脉冲激光光源11，用于脉冲激光光源11和信号处理器18之间的同步触发。

所述测温系统具体工作过程如下：所述脉冲激光光源11发出脉冲激光，所述耦合器12接收所述脉冲激光，并将所述脉冲激光耦合，再通过所述特殊连接13输入到少模光纤14，所述脉冲激光在所述少模光纤14内传播过程中产生背向散射光，背向散射光返回到所述耦合器12，经由所述耦合器12的背向输出端口传输到所述拉曼滤波器15，通过拉曼滤波器15滤出拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，并分别从两个输出端口输入到两个光电探测器16和17，进行光电转换，所述信号处理器18用于对两个光电探测器16和17的输出信号进行处理，得到温度信息。

本申请提供的基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，由于光纤传输损耗较小，模间色散远小于普通的多模光纤，因此，不仅增加了测温系统的探测距离，而且还提高了测温系统的空间分辨率。解决了现有的多模光纤的分布式拉曼测温系统光纤传输损耗较大，且由于模间色散的影响，所导致测温系统的探测距离和空间分辨率受限的技术问题。

本申请提供的基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，模场面积较单模光纤而言较大，能够容忍更高的入纤光功率，提升探测距离，解决了现有技术中由于单模光纤的分布式拉曼测温系统的传感光纤的模场面积较小，入纤光功率受限，探测距离受限的技术问题。

另外，为了解决发射与接收单模器件与少模光纤模场失配的问题，引入了特殊连接方式，如桥纤、拉锥等技术，在保证单模光纤与少模光纤低连接损耗的同时只激励少模光纤的基模LP01。

本申请还提供一种测温方法，应用于上述的基于少模光纤的拉曼分布式测温系统中。根据利用拉曼斯托克斯散射和拉曼反斯托克斯散射双路解调的拉曼测温原理可以得到信号处理的以下步骤：

首先，对测温系统进行温度标定，在参考温度为T₀的少模光纤中，雪崩光电二极管测出的背向拉曼反斯托克斯散射功率P_as(T₀)和拉曼斯托克斯散射功率P_s(T₀)的比值为：

$\frac{P_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)}{P_s\left(T_0\right)}=\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}{\left(\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right)}^4\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)\exp [-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)L]---\left(1\right)$

其中，K_as和K_s分别为反斯托克斯散射截面和斯托克斯散射截面，v_as和v_s为反斯托克斯光和斯托克斯光的频率，h为普朗克常数，Δv为拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，α_as和α_s分别为反斯托克斯光和斯托克斯光在少模光纤中传输的损耗系数，L为光纤长度。

接着求得任意温度T下两路光电探测器输出的比值为：

$\frac{P_{\mathrm{as}}\left(T\right)}{P_s\left(T\right)}=\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}{\left(\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right)}^4\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})\exp [-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)L]---\left(2\right)$

从上述(1)(2)两式中可以得到：

$\frac{P_{\mathrm{as}}\left(T\right)}{P_s\left(T\right)}/\frac{P_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)}{P_s\left(T_0\right)}=\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)}---\left(3\right)$

可以求得温度分布曲线为：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{\mathrm{h\Δv}}\left[\ln \left(\frac{P_{\mathrm{as}}\left(T\right)/P_s\left(T\right)}{P_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)/P_s\left(T_0\right)}\right)\right]---\left(4\right)$

定义通过两个光电探测器测到的拉曼反斯托克斯光和斯托克斯光功率的比值R(T)为：

R(T)＝P_as(T)/P_s(T)(5)

根据(1)式标定温度T₀，根据(4)式和(5)式，根据测定反斯托克斯光和斯托克斯光功率的比值R(T)，可以得到系统的温度分布。

在系统中，特殊连接3和少模光纤4为拉曼分布式传感系统提供了新的传感物理层通道，使单模的发射接收系统与少模光纤构成成的传感光纤相结合，利用少模光纤基模模场面积大，传输损耗小，无模间色散的优势，延伸了传感距离，空间分辨率和传感精度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，其特征在于，所述测温系统包括：

脉冲激光光源，用于发出脉冲激光；

耦合器，对所述脉冲激光进行耦合，并输出；

特殊连接，连接所述耦合器和所述少模光纤；

少模光纤，所述耦合器输出的脉冲激光通过所述特殊连接进入所述少模光纤，所述脉冲激光在所述少模光纤内传播的过程中，产生背向散射光；

拉曼滤波器，与所述耦合器连接，所述背向散射光经过所述耦合器的背向输出端口输入到所述拉曼滤波器，所述拉曼滤波器将拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤波后从两个端口输出；

两个光电探测器，分别接收从所述两个端口输出的拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光，进行光电转换，并输出电信号；

信号处理器，对所述两个光电探测器的输出电信号进行处理，得到温度信息。

2.如权利要求1所述的测温系统，其特征在于，所述测温系统还包括连接所述信号处理器和所述脉冲激光光源同步源，用于脉冲激光光源和信号处理器之间的同步触发。

3.如权利要求1或2所述的测温系统，其特征在于，所述耦合器分光比为50:50。

4.如权利要求1或2所述的测温系统，其特征在于，所述特殊连接为桥纤或拉锥方式。

5.如权利要求1或2所述的测温系统，其特征在于，所述脉冲激光光源包括连续光激光器、调制器、信号源和光放大器。

6.如权利要求5所述的测温系统，其特征在于，所述连续光激光器的线宽为10MHz。

7.如权利要求5所述的测温系统，其特征在于，所述调制器为声光调制器、电光调制器、马赫泽德调制器中的一种。

8.如权利要求5所述的测温系统，其特征在于，所述光放大器为掺铒光纤放大器或半导体光放大器。

9.一种测温方法，应用于如权利要求1-8中任一权利要求所述的测温系统中，其特征在于，所述方法包括：

对测温系统进行温度标定，在参考温度为T₀的少模光纤中，雪崩光电二极管测出的背向拉曼反斯托克斯散射功率P_as(T₀)和拉曼斯托克斯散射功率P_s(T₀)的比值为： $\frac{P_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)}{P_s\left(T_0\right)}=\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}{\left(\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right)}^4\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)\exp [-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)L]$ (式1)其中，K_as和K_s分别为反斯托克斯散射截面和斯托克斯散射截面，v_as和v_s为反斯托克斯光和斯托克斯光的频率，h为普朗克常数，Δv为拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，α_as和α_s分别为反斯托克斯光和斯托克斯光在少模光纤中传输的损耗系数，L为光纤长度；

任意温度T下所述两个光电探测器输出的比值为： $\frac{P_{\mathrm{as}}\left(T\right)}{P_s\left(T\right)}=\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}{\left(\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right)}^4\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})\exp [-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)L]$ (式2)；

根据式1和式2，获得温度分布曲线为： $\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{\mathrm{h\Δv}}\left[\ln \frac{P_{\mathrm{as}}\left(T\right)/P_s\left(T\right)}{P_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)/P_s\left(T_0\right)}\right].$