CN105067146B - 受激拉曼散射抑制装置与方法及分布式光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
一种受激拉曼散射抑制装置与方法及分布式光纤传感系统，该装置包括：主激光器，用于输出主激光脉冲；从激光器，用于输出对主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制的从激光脉冲，进而提高传感系统的受激拉曼散射阈值；合波波分复用器，用于将主激光脉冲和从激光脉冲进行合波处理后输出至传感光纤。本发明的从激光器可以对主激光器的受激拉曼散射进行抑制，提升系统的受激拉曼散射阈值，提升系统信噪比。且从激光器被选择为主激光器的二次拉曼频移频点上，抑制了二次拉曼频移频点受激拉曼散射的增长，同时抑制第一拉曼频移点受激拉曼散射的增长，进一步提高受激拉曼散射阈值。本发明结构简单易实现，有效的抑制了受激拉曼散射，提高信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感领域，尤其涉及一种受激拉曼散射抑制装置与方法及分布式光纤传感系统。
背景技术
分布式光纤测温传感系统是一种以光纤为传感元件的基于OTDR原理的测温系统，以其无源、本征安全、量化测温，对电磁干扰不敏感、误报率低，使用寿命长，维护成本低等优点，在火灾报警探测、温度探测等方面应用越来越广泛。在许多实际应用中，人们对分布式光纤测温性能提出了越来越高的要求：测量距离越来越长，响应时间越来越迅速，或者探测单元长度越来越短，温度分辨率越来越高等，这就要求提高分布式光纤传感系统的信噪比。
而提高信噪比，一方面可以提高输出的脉冲信号功率，另一方面可以降低采集系统的光学的或/和电路的本底噪声。但是由于后向散射功率只有输入功率的百万分之一量级，系统采集到的后向散射信号十分微弱，因此无法通过无限制的降低光电系统的噪声提高系统信噪比，一旦电路噪声接近电路元器件的热噪声水平就无法继续降低。更可行的方法是提高输出脉冲信号的功率。但是注入到传感光纤的脉冲功率有一定的阈值，一定超出该阈值，光纤中将产生受激布里渊散射和受激拉曼散射，特别是受激拉曼散射的产生，将导致拉曼型分布式光纤测温系统在解调温度的过程中产生大的误差，影响系统的测温精度和实用价值。
针对受激拉曼散射的产生，有许多方法被提出来。有的方法采用在光纤路径中侵入，增加光滤波器滤掉部分拉曼信号，使之不在光纤中累加，从而提升受激拉曼散射的产生阈值，提高系统信噪比。但是该方法需要将整条光纤分成若干段，增加了施工难度。而且分段过程中，每段的受激拉曼散射阈值相对于全段并没有大提升，而增加的光器件将在每个侵入点增加1dB左右甚至更大的信号衰减，基本抵消了分段带来的阈值提升，因而效果不佳。也有采用在侵入点增加光延迟线，使得拉曼信号与泵浦信号从时间上分开，避免拉曼信号被不断累加放大的方法。再有一种是采用二芯光纤，一路信号光纤，一路光纤传输高功率泵浦，在侵入点再将泵浦信号注入信号光纤，从而从某种程度上提高受激拉曼散射阈值。但是此二种方法与第一种方法同样存在本身对受激拉曼散射阈值提高不大而增加的光器件又带入相当大的信号衰减的问题，因此对系统信噪比提升不大。也有一种方法是，采用拉曼放大器对背向拉曼散射信号进行放大。该方法能带来一定的信噪比提升，但是需要昂贵笨重复杂的高功率拉曼泵浦，增加施工难度，以及提高了激光器的平均功率，给施工人员带来了潜在的安全性问题，因此从成本和工程角度大大降低了其实用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述结构复杂、效果欠佳、成本较高的缺陷，提供一种受激拉曼散射抑制装置与方法及分布式光纤传感系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种受激拉曼散射抑制装置中，包括：
主激光器，用于输出主激光脉冲；
从激光器，用于输出对所述主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制的从激光脉冲，进而提高所述传感系统的受激拉曼散射阈值；从激光器被选择为主激光器的二次拉曼频移频点上，当由主激光器激发的受激拉曼散射开始增长时，此部分光信号会被再次激发到二次拉曼频移频点，刚好是从激光器所在频点，从激光器的存在抑制了二次拉曼频移频点受激拉曼散射的增长，同时抑制第一拉曼频移点受激拉曼散射的增长，从而提高了受激拉曼散射阈值；
合波波分复用器，输入端与所述主激光器和从激光器连接、输出端经由一拉曼波分复用器连接至传感光纤，用于将所述主激光脉冲和从激光脉冲进行合波处理后经由所述拉曼波分复用器输出至所述传感光纤。
在本发明所述的受激拉曼散射抑制装置中，所述从激光器的从激光脉冲的频率为所述主激光器的二次拉曼频移频点。
在本发明所述的受激拉曼散射抑制装置中，所述主激光器和从激光器的功率相等。
在本发明所述的受激拉曼散射抑制装置中，所述主激光脉冲和从激光脉冲同时产生以沿所述传感光纤同步传播。
本发明还公开了一种分布式光纤传感系统，包括：
主激光器，用于输出主激光脉冲；
从激光器，用于输出对所述主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制的从激光脉冲，进而提高所述传感系统的受激拉曼散射阈值，其中，所述主激光器和从激光器的功率相等，所述从激光器的从激光脉冲的频率为所述主激光器的二次拉曼频移频点；
合波波分复用器，用于将所述主激光脉冲和从激光脉冲进行合波处理后输出至传感光纤；
拉曼波分复用器,用于将所述合波波分复用器合波处理后的光信号输入至所述传感光纤，以及接收所述传感光纤反馈的背向散射信号；
控制与采集系统，用于控制所述主激光脉冲和从激光脉冲的频率，以及控制所述主激光脉冲和从激光脉冲同时产生以沿所述传感光纤同步传播，以及接收所述拉曼波分复用器输出的背向散射信号,并对所述背向散射信号进行采集和分析处理。
在本发明所述的分布式光纤传感系统中，所述控制与采集系统包括：采集控制单元、数模转换单元、光电转换单元；
所述光电转换单元，用于将接收的背向散射信号转换为电信号输出至所述数模转换单元；
所述数模转换单元，用于将接收的电信号进行数模转换后输出至采集控制单元；
所述采集控制单元，用于根据数模转换后的电信号分析解调出所述传感光纤中的温度信号。
本发明还公开了一种受激拉曼散射抑制方法，所述方法包括：将主激光器输出的主激光脉冲和从激光器输出的从激光脉冲通过合波波分复用器进行合波处理后输出至传感光纤，其中，所述从激光脉冲用于对所述主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制，进而提高所述传感系统的受激拉曼散射阈值。
在本发明所述的受激拉曼散射抑制方法中，所述从激光器的从激光脉冲的频率为所述主激光器的二次拉曼频移频点。
在本发明所述的受激拉曼散射抑制方法中，所述主激光器和从激光器的功率相等。
在本发明所述的受激拉曼散射抑制方法中，所述主激光脉冲和从激光脉冲同时产生以沿所述传感光纤同步传播。
实施本发明的受激拉曼散射抑制装置与方法及分布式光纤传感系统，具有以下有益效果：本发明通过增加一个从激光器和合波波分复用器，输入到传感光纤中的信号同时包括：主激光脉冲和从激光脉冲，从激光脉冲可以对主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制，进而提高传感系统的受激拉曼散射阈值，从而大大提升系统的受激拉曼散射阈值，提升系统信噪比。进一步的，从激光器被选择为主激光器的二次拉曼频移频点上，当由主激光器激发的受激拉曼散射开始增长时，此部分光信号会被再次激发到二次拉曼频移频点，刚好是从激光器所在频点，从激光器的存在抑制了二次拉曼频移频点受激拉曼散射的增长，同时抑制第一拉曼频移点受激拉曼散射的增长，从而提高了受激拉曼散射阈值。本发明不仅结构简单易实现，而且有效的抑制了受激拉曼散射，从而提高系统信噪比。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是常规分布式光纤传感系统的结构示意图；
图2是本发明分布式光纤传感系统的结构示意图；
图3是常规分布式光纤传感系统的激光器功率和拉曼散射功率对比图；
图4是本发明分布式光纤传感系统的激光器功率和拉曼散射功率对比图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
受激拉曼散射抑制装置可以用于提高激光传输效率，下面以其应用于分布式光纤传感系统进行详细介绍。首先简单介绍现有技术中常规分布式光纤传感系统，参考图1，图1是常规分布式光纤传感系统的结构示意图。其工作过程如下：开始采集时，采集控制单元100控制激光器101发出激光脉冲，该激光脉冲经光放大器101后输入到拉曼波分复用器103，并输出到传感光纤。激光脉冲在传感光纤107中与硅原子碰撞产生各向散射信号，其中有一部分散射信号沿激光脉冲传输方向的反方向传播，为背向散射信号，该背向散射信号通过传感光纤传输回分布式光纤测温系统，即通过拉曼波分复用器103输出，再经光电转换单元103和104、数模转换器105的信号处理转换后，上传回馈信号至采集控制单元100，最后解调出温度信号提供给用户使用。该系统在激光脉冲的功率超过一定阈值后会产生受激拉曼散射，该受激拉曼散射会与有用的自发拉曼散射叠加，导致解调出的温度的不可接受的偏差。
对比，参考图2，本发明的具有受激拉曼散射抑制功能的分布式光纤传感系统，包括：主激光器11、从激光器12、合波波分复用器13、拉曼波分复用器14、控制与采集系统。控制与采集系统具体包括：采集控制单元10、数模转换单元16、两个光电转换单元15。
控制与采集系统的控制端连接至采集控制单元10，在采集控制单元10的控制下同时输出激光脉冲。主激光器11和从激光器12的输出端分别连接至合波波分复用器13，合波波分复用器13经拉曼波分复用器14连接至传感光纤，拉曼波分复用器14还经两个光电转换单元15连接至数模转换单元16，数模转换单元16连接至采集控制单元10。
其中，主激光器11，用于输出主激光脉冲；从激光器12，用于输出对所述主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制的从激光脉冲，进而提高所述传感系统的受激拉曼散射阈值；合波波分复用器13，用于将所述主激光脉冲和从激光脉冲进行合波处理后输出至拉曼波分复用器14；拉曼波分复用器14用于将所述合波波分复用器13合波处理后的光信号输入至所述传感光纤，以及将所述传感光纤反馈的背向散射信号输出至所述光电转换单元15；所述光电转换单元15，用于将接收的背向散射信号转换为电信号输出至所述数模转换单元16；所述数模转换单元16，用于将接收的电信号进行数模转换后输出至采集控制单元10；所述采集控制单元10，用于根据数模转换后的电信号分析解调出所述传感光纤中的温度信号。
其中，所述控制与采集系统还用于：控制所述主激光脉冲和从激光脉冲的频率，以及控制所述主激光脉冲和从激光脉冲同时产生以沿所述传感光纤同步传播。
优选的，所述从激光器12的从激光脉冲的频率为所述主激光器11的二次拉曼频移频点，例如对于主激光器11为1064nm脉冲激光器，次激光器12即可为1170nm脉冲激光器，即偏差26THz。为了实现更好的抑制效果，进一步优选的，所述主激光器11和从激光器12的功率大致相等。
本发明通过增加一个从激光器12和合波波分复用器13，输入到传感光纤中的信号同时包括：主激光脉冲和从激光脉冲，从激光脉冲可以对主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制，进而提高传感系统的受激拉曼散射阈值，从而大大提升系统的受激拉曼散射阈值，提升系统信噪比。进一步的，从激光器12被选择为主激光器11的二次拉曼频移频点上，当由主激光器11激发的受激拉曼散射开始增长时，此部分光信号会被再次激发到二次拉曼频移频点，刚好是从激光器12所在频点，从激光器12的存在抑制了二次拉曼频移频点受激拉曼散射的增长，同时抑制第一拉曼频移点受激拉曼散射的增长，从而提高了受激拉曼散射阈值。本发明不仅结构简单易实现，而且有效的抑制了受激拉曼散射，从而提高系统信噪比。
结合上述原理，本发明的一具体实施例的情况如下：主激光器11为1064nm脉冲激光器，次激光器12为1170nm脉冲激光器，次激光器12的频率为主激光器11的二次拉曼频移频点。下面从功率谱上对比本发明对受激拉曼散射的抑制情况：
图3反映了常规分布式光纤传感系统在用于测温时的光功率谱的功率迁移情况。在传感光纤始端，1064nm的激光器发出了一定功率的主激光脉冲301，其它各次受激拉曼散射302、303、304都不存在。受激拉曼散射是光脉冲从光纤始端向尾端传输过程中的一个不断增长的过程，因此分析受激拉曼散射需要考虑其沿光纤传播过程中的一个不断增长的状态。当1064nm的主激光脉冲301沿着传感光纤传播时，会不断衰减，在其功率超过光纤阈值的情况下，很大一部分功率被转移到了1115nm的一次受激拉曼散射302中而耗尽。受激拉曼散射302功率足够大，因而它在1170nm处产生了自己的拉曼信号303，在更远波长处，再次激发的1245nm的拉曼信号304也有微弱信号存在。由于在1115nm处的受激拉曼散射302，该信号与有用的自发拉曼散射叠加，引起解调出的温度的不可接受的偏差。
作为图3的对比，参考图4，反映了本发明一个具体实施的分布式光纤传感系统在用于测温时的光功率谱的功率迁移情况。在传感光纤始端，1064nm主激光器发出的主激光脉冲401和1170nm的次激光器发出的从激光脉冲403被一起发射入传感光纤中。主激光脉冲401和从激光脉冲403的功率大致相同。受激拉曼散射是光脉冲从光纤始端向尾端传输过程中的一个不断增长的过程，因此分析受激拉曼散射需要考虑其沿光纤传播过程中的一个不断增长的状态。当主激光脉冲401和从激光脉冲403的合波光脉冲沿着传感光纤传播时，1170nm的光脉冲403产生出了受激拉曼散射408，在此过程中同时抑制了1064nm主激光脉冲401的1115nm的受激拉曼散射的产生，结果1115nm的散射光405以自发拉曼散射的形态存在增长，从而能被系统采集而正常地解析出温度。而在1170nm的光脉冲403虽然因受激拉曼散射而把自身功率大部分转移到了受激拉曼散射408，自身功率耗尽，但其并没有被用于温度解调因而对系统没有影响。所以，引入从激光脉冲403的最终结果是，主激光脉冲401的受激拉曼散射受到抑制，从而将系统的受激拉曼阈值提高了大概一个量级。
需要明确而是，上述实施例中主激光脉冲和从激光脉冲的频率选取仅仅是一个示例，本领域技术人员可以根据需要选择合适的频段，只要保证从激光器的频率选取可以对主脉冲的受激拉曼散射进行抑制即可。
本发明还公开了一种受激拉曼散射抑制方法，该方法基于上述的受激拉曼散射抑制装置，所述方法为：将主激光器11输出的主激光脉冲和从激光器12输出的从激光脉冲通过合波波分复用器13进行合波处理后输出至传感光纤，其中，所述从激光脉冲用于对所述主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制，进而提高所述传感系统的受激拉曼散射阈值。
当将该方法应用于或分布式光纤传感系统中时，具体包括：
S1、在采集控制单元10的控制下，主激光器11输出主激光脉冲，同时，从激光器12输出对所述主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制的从激光脉冲；
S2、合波波分复用器13将所述主激光脉冲和从激光脉冲进行合波处理后输出至传感光纤；所述拉曼波分复用器14将所述合波波分复用器13合波处理后的光信号输入至所述传感光纤；
S3、控制与采集系统对所述传感光纤反馈的背向散射信号进行采集和分析处理，具体包括以下子步骤：S31、所述拉曼波分复用器14将所述传感光纤反馈的背向散射信号输出至所述光电转换单元15；S32、所述光电转换单元15将接收的背向散射信号转换为电信号输出至所述数模转换单元16；S33、所述数模转换单元16将接收的电信号进行数模转换后输出至采集控制单元10；S34、所述采集控制单元10根据数模转换后的电信号分析解调出所述传感光纤中的温度信号。
综上所述，本发明通过增加一个从激光器和合波波分复用器，输入到传感光纤中的信号同时包括：主激光脉冲和从激光脉冲，从激光脉冲可以对主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制，进而提高传感系统的受激拉曼散射阈值，从而大大提升系统的受激拉曼散射阈值，提升系统信噪比。进一步的，从激光器被选择为主激光器的二次拉曼频移频点上，当由主激光器激发的受激拉曼散射开始增长时，此部分光信号会被再次激发到二次拉曼频移频点，刚好是从激光器所在频点，从激光器的存在抑制了二次拉曼频移频点受激拉曼散射的增长，同时抑制第一拉曼频移点受激拉曼散射的增长，从而提高了受激拉曼散射阈值。本发明不仅结构简单易实现，而且有效的抑制了受激拉曼散射，从而提高系统信噪比。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种受激拉曼散射抑制装置，其特征在于，包括：
主激光器(11)，用于输出主激光脉冲；
从激光器(12)，用于输出对所述主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制的从激光脉冲，进而提高所述传感系统的受激拉曼散射阈值；从激光器12被选择为主激光器(11)的二次拉曼频移频点上，当由主激光器(11)激发的受激拉曼散射开始增长时，此部分光信号会被再次激发到二次拉曼频移频点，刚好是从激光器(12)所在频点，从激光器(12)的存在抑制了二次拉曼频移频点受激拉曼散射的增长，同时抑制第一拉曼频移点受激拉曼散射的增长，从而提高了受激拉曼散射阈值；
合波波分复用器(13)，输入端与所述主激光器(11)和从激光器(12)连接、输出端经由一拉曼波分复用器(14)连接至传感光纤，用于将所述主激光脉冲和从激光脉冲进行合波处理后经由所述拉曼波分复用器(14)输出至所述传感光纤。
2.根据权利要求1所述的受激拉曼散射抑制装置，其特征在于，所述从激光器(12)的从激光脉冲的频率为所述主激光器(11)的二次拉曼频移频点。
3.根据权利要求1所述的受激拉曼散射抑制装置，其特征在于，所述主激光器(11)和从激光器(12)的功率相等。
4.根据权利要求1所述的受激拉曼散射抑制装置，其特征在于，所述主激光脉冲和从激光脉冲同时产生以沿所述传感光纤同步传播。
5.一种分布式光纤传感系统，其特征在于，包括：
主激光器(11)，用于输出主激光脉冲；
从激光器(12)，用于输出对所述主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制的从激光脉冲，进而提高所述传感系统的受激拉曼散射阈值，其中，所述主激光器(11)和从激光器(12)的功率相等，所述从激光器(12)的从激光脉冲的频率为所述主激光器(11)的二次拉曼频移频点；
合波波分复用器(13)，用于将所述主激光脉冲和从激光脉冲进行合波处理后输出至传感光纤；
拉曼波分复用器(14),用于将所述合波波分复用器(13)合波处理后的光信号输入至所述传感光纤，以及接收所述传感光纤反馈的背向散射信号；
控制与采集系统，用于控制所述主激光脉冲和从激光脉冲的频率，以及控制所述主激光脉冲和从激光脉冲同时产生以沿所述传感光纤同步传播，以及接收所述拉曼波分复用器(14)输出的背向散射信号,并对所述背向散射信号进行采集和分析处理。
6.根据权利要求5所述的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述控制与采集系统包括：采集控制单元(10)、数模转换单元(16)、光电转换单元(15)；
所述光电转换单元(15)，用于将接收的背向散射信号转换为电信号输出至所述数模转换单元(16)；
所述数模转换单元(16)，用于将接收的电信号进行数模转换后输出至采集控制单元(10)；
所述采集控制单元(10)，用于根据数模转换后的电信号分析解调出所述传感光纤中的温度信号。
7.一种受激拉曼散射抑制方法，其特征在于，所述方法包括：将主激光器(11)输出的主激光脉冲和从激光器(12)输出的从激光脉冲通过合波波分复用器(13)进行合波处理后输出至传感光纤，其中，所述从激光脉冲用于对所述主激光脉冲在传感光纤中的受激拉曼散射进行抑制，进而提高所述传感系统的受激拉曼散射阈值，所述从激光器(12)的从激光脉冲的频率为所述主激光器(11)的二次拉曼频移频点。
8.根据权利要求7所述的受激拉曼散射抑制方法，其特征在于，所述主激光器(11)和从激光器(12)的功率相等。
9.根据权利要求7所述的受激拉曼散射抑制方法，其特征在于，所述主激光脉冲和从激光脉冲同时产生以沿所述传感光纤同步传播。
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