CN105973501B - 长距离高空间分辨率拉曼测温传感器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要用于光纤传感的测温领域，具体涉及一种长距离高空间分辨率拉曼测温传感器及其实现方法,其特征在于包括超窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器、1×2分光器(1:1)、2块波分复用器、拉曼放大器、EDFA、2个2×1耦合器、光电探测器、信号处理采集单元、微处理器单元，本发明的有益效果在于：公开了一种长距离高空间分辨率拉曼温度传感器的实现方法，基于OTDR的拉曼温度传感器监测距离一般小于10km，空间分辨率一般大于1米，本发明提出了一种基于OFDR定位技术的拉曼温度传感器实现方法，该方法可大幅度提高系统的测量距离和空间分辨率指标，该方法可以使拉曼温度传感器的监测距离达20km，空间分辨率指标达到厘米量级。

Description

长距离高空间分辨率拉曼测温传感器及其实现方法

技术领域

本发明主要用于光纤传感的测温领域，具体涉及一种长距离高空间分辨率拉曼测温传感器及其实现方法。

技术背景

光纤拉曼温度传感器是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感产品，该系统利用拉曼散射效应和OTDR技术实现对敏感光纤所处温度场的分布式测量，与传统的电温度传感器相比，光纤拉曼温度传感器具有灵敏度高、能够抗电磁干扰、重量轻、寿命长等优点，因此可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐以及大型建筑的温度监控和火灾报警中。

但是由于使用OTDR技术进行定位无法达到较高的空间分辨率，目前基于OTDR技术的光纤拉曼温度传感器无法保证空间分辨率和测量距离高指标，目前基于OTDR技术的拉曼光纤温度传感器测量距离一般为几公里，空间分辨率一般大于1米，这样的技术指标能够满足部分测温的应用场合，但像发动机测温、皮带机滚轴测温、变电站开关柜触点测温等应用场合，基于OTDR的拉曼光纤温度传感器将不再适用。随着OFDR技术的不断成熟，长距离、高空间分辨率光纤拉曼温度传感器成为可能，本发明提出了一种基于OFDR技术的光纤拉曼传感器系统光路结构和硬件实现方法，该方法在保证系统空间分辨率的基础上实现了长距离的温度检测，系统的检测距离可以达到20km以上，空间分辨率可以达到厘米级别。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提供了一种使用OFDR技术进行定位、使用单路反斯托克斯实现温度解调的长距离高空间分辨率拉曼测温传感器及其实现方法。

本发明可以通过以下措施达到：

一种长距离高空间分辨率拉曼测温传感器，其特征在于包括超窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器、1×2分光器(1:1)、2块波分复用器、拉曼放大器、EDFA、2个2×1耦合器、光电探测器、信号处理采集单元、微处理器单元。超窄线宽激光器与环形器的1端口相连，声光调制器与环形器的2端口相连，声光调制器另一端与反光镜相连，射频发生器与声光调制器的射频输入相连，超窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器共同构成窄线宽扫频光源；环形器的3端口与1×2分光器的输入相连，分光器的两路输出分别与EDFA、拉曼放大器相连；信号光波分复用器经定标光纤与传感光纤相连，传感光纤中后向拉曼光经波分复用器分离出反斯托克斯信号光；拉曼放大器将光纤中前向拉曼反斯托克斯光放大后经波分复用器输入至2×1耦合器；反斯托克斯参考光与信号光经2×1耦合器进入光电探测器；光电探测器经放大处理采集上传至微处理器系统，微处理器系统对采集的数据进行分析处理。

本发明中所述的光源为超窄线宽激光器，中心波长为1550nm，线宽小于5kHz，频率稳定性小于50MHz，输出功率大于20mW，保偏特性，偏振消光比大于23dB，可采用DFB激光管和超窄线宽光纤激光器来实现；

本发明中所述的声光调制器，消光比大于50dB，回波损耗大于40dB，频率变化范围大于100MHz；

本发明所述的光环形器，为3端口环形器，分别为1端口进2出，2端口进3端口出，端口之间隔离度大于40dB，各通道插损小于0.7dB；

本发明中所述的拉曼放大器，其放大的中心波长为1450nm，泵浦功率为500mW；

本发明所述的EDFA，峰值功率可达10W，中心工作波长为1550nm，输入光隔离度大于30db，输出光隔离度大于30db；

本发明中所述的光电探测器，采用高带宽、高响应和高增益的InGaAs光电二极管，带宽满足14～18GHz，响应上升时间小于15ps，其增益可达0.7～0.9A/W；放大电路采用高带宽运放，在信号放大的同时保证信号的真实特性；滤波电路采用交流滤波方式，滤除真实信号的直流分量，同时可对信号进行调理，实现硬件去噪。

本发明还提出了一种长距离高空间分辨率拉曼测温传感器的实现方法，其特征在于利用如上所述拉曼测温传感器，通过超窄线宽激光器、环形器、声光调制器和反射镜实现窄线宽扫频光源，扫频光源的扫频速度和扫频范围与声光调制器输入微波频率有关；使用拉曼放大器放大光纤前向拉曼反斯托克斯参考光，提升了相干光的强度，有利于延长系统的测温距离，具体采用外差探测法，外差探测法是将背向拉曼散射信号光与参考光相干的方法，系统采用2×1耦合器将信号光与参考光耦合进光电探测器，信号光与参考光在光电探测器光敏面发生混频，由于光电探测器的带宽有限，混频之后差频信号并保留下来，其计算如下：

信号光为：E_s＝k_scos(ω₁t+φ₁)

参考光为：E_l＝k_lcos(ω₂t+φ₂)

进行外差探测，两路光信号到达探测器部分，其信号强度为：

由于光频很高，探测器带宽有限，所以滤除高频项和直流项之后系统探测的信号为：

I(t)＝k_sk_lcos[(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]

将信号通过频率差和相位差表示为：I(t)＝k_sk_lcos(2πΔft+Δφ)

混频之后的信号经光电探测器并放大之后进行数据采集同时将数据上传至微处理器系统进行数据分析处理，使用IFFT变换提取采集信号的频率和幅值。

在已知光源扫频速率γ，光纤折射率n和光速c的值的情况下，根据探测得到的中频分量f_IF大小，光程差Z满足如下公式：

拉曼散射光分为斯托克斯和反斯托克斯散射光，反斯托克斯光在拉曼散射过程中获得能量，频率向上偏移。本发明使用反斯托克斯信号强度解调传感光纤的温度。理论分析拉曼反斯托克斯光子数量为：

考虑到光在光纤中的传输损耗，则上式可以修正为：

式中：K_s与散射截面有关的系数，S为光纤背向散射因子，N_e为入射进光纤的每个激光脉冲所包含的光子数，α₀、α_a分别为入射激光、反斯托克斯散射光在光纤中的损耗系数，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，T是散射点的绝对温度，c为光速，n为光纤的折射率。则对应的散射光强度I_a为：

式中：为入射进光纤的激光脉冲强度。

本发明使用反斯托克斯光强度对温度进行解调，具体公式如下：

T₀为已知温度，根据上式可以解调出待测温度T。

本发明的有益效果在于：公开了一种长距离高空间分辨率拉曼温度传感器的实现方法。基于OTDR的拉曼温度传感器监测距离一般小于10km，空间分辨率一般大于1米。本发明提出了一种基于OFDR定位技术的拉曼温度传感器实现方法，该方法可大幅度提高系统的测量距离和空间分辨率指标，该方法可以使拉曼温度传感器的监测距离达20km，空间分辨率指标达到厘米量级。

附图说明

附图1是本发明的结构框图。

附图标记：1、超窄线宽光源，2、环形器，3、声光调制器，4、射频发生器，5、反光镜，6、1×2分光器，7、泵浦激光器，8、2×1耦合器，9、EDFA，10、一定长度光纤，11、参考光波分复用器，12、信号光波分复用器，13、传感光纤，14、2×1耦合器，15、光电探测器2，16、信号处理采集单元，17、微处理器单元。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式：

第一，超窄线宽光源1，环形器2，声光调制器3，射频发生器4，反光镜5构成了窄线宽扫频光源其光源的中心波长为1550nm，射频发生器4输出连接声光调制器3的射频输入端，声光调制器3产生的频移受射频发生器4的频率控制，拉曼温度探测器传感距离2km、空间分辨率为1cm、硬件接收机带宽为10时，光源的频率啁啾范围应为2MHz，光源扫频重复频率50kHz，光源扫频速率为100GHz/s，光源周期性的扫频应与数据采集同步。

第二，泵浦激光器7，2×1耦合器8，一定长度光纤10构成拉曼放大器，参考光经2×1耦合器8进入一定长度光纤10中，该光纤长度为10km，参考光在该光纤中产生拉曼散射，泵浦激光器7经2×1耦合器8的另一输入端耦合进10km光纤中，该泵浦激光器可以将光纤中拉曼散射的1450nm波长的反斯托克斯信号进行放大。

第三，扫频光源输出经1×2分光器分成两个光束，其中参考光经拉曼放大器进入波分复用器11；另外一束光经EDFA光放大器9、波分复用器8进入传感光纤13，光在传感光纤中产生拉曼散射其中后向拉曼散射光经波分复用器8分离出反斯托克斯拉曼光信号；波分复用器11和波分复用器12为3端口器件，波分复用器一个透射端口、一个反射端口、一个com端口，该波分复用器的中心波长为1450nm。

第四，波分复用器11的透射端口和波分复用器12的透射端口连接2×1耦合器14的两个输入端，2×1耦合器14的输出端与光电探测器15相连；1450nm波长的信号光与参考光在光电探测器15的光敏面上实现混频。

第五，光电探测器15的输出与信号处理采集单元16的输入相连，信号处理采集单元16将两路光电探测器的输出进行放大并数字化处理并将该数据上传至微处理器单元17，微处理器单元17将上传的数据进行傅里变换处理，寻找不同频率信号的频率值和幅度值，分别利用频率值和幅度值实现定位和温度解调。

Claims (5)

1.一种长距离高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于包括超窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器、1×2分光器(1:1)、2块波分复用器、拉曼放大器、EDFA、2个2×1耦合器、光电探测器、信号处理采集单元、微处理器单元，其中超窄线宽激光器与环形器的1端口相连，声光调制器与环形器的2端口相连，声光调制器另一端与反光镜相连，射频发生器与声光调制器的射频输入相连，超窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器共同构成窄线宽扫频光源；环形器的3端口与1×2分光器的输入相连，分光器的两路输出分别与EDFA、拉曼放大器相连；信号光波分复用器经定标光纤与传感光纤相连，传感光纤中后向拉曼光经波分复用器分离出反斯托克斯信号光；拉曼放大器将光纤中前向拉曼反斯托克斯光放大后经波分复用器输入至2×1耦合器；反斯托克斯参考光与信号光经2×1耦合器进入光电探测器；光电探测器经放大处理采集上传至微处理器系统，微处理器系统对采集的数据进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的长距离高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于超窄线宽光源、环形器、声光调制器、射频发生器、反光镜构成了窄线宽扫频光源，其光源的中心波长为1550nm，射频发生器输出连接声光调制器的射频输入端。

3.根据权利要求1所述的长距离高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于拉曼放大器由泵浦激光器、2×1耦合器、10km长度光纤构成，参考光在该10km光纤中产生拉曼散射，泵浦激光器经2×1耦合器的另一输入端耦合进该10km光纤中，泵浦激光器将光纤中1450nm波长的反斯托克斯拉曼散射信号进行放大。

4.根据权利要求1所述的长距离高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于信号光经EDFA放大后进入信号光波分复用器，该EDFA峰值功率可达10W，中心工作波长为1550nm，输入光隔离度大于30db，输出光隔离度大于30db。

5.一种长距离高空间分辨率拉曼测温传感器的实现方法，其特征在于利用如权利要求1-4中任意一项所述的拉曼测温传感器，通过超窄线宽激光器、环形器、声光调制器和反射镜实现窄线宽扫频光源，扫频光源的扫频速度和扫频范围与声光调制器输入微波频率有关；使用拉曼放大器放大光纤前向拉曼反斯托克斯参考光，提升了相干光的强度，有利于延长系统的测温距离，具体采用外差探测法，外差探测法是将背向拉曼散射信号光与参考光相干的方法，系统采用2×1耦合器将信号光与参考光耦合进光电探测器，信号光与参考光在光电探测器光敏面发生混频，由于光电探测器的带宽有限，混频之后差频信号并保留下来，其计算如下：

信号光为：E_s＝k_scos(ω₁t+φ₁)

参考光为：E_l＝k_lcos(ω₂t+φ₂)

进行外差探测，两路光信号到达探测器部分，其信号强度为：

由于光频很高，探测器带宽有限，所以滤除高频项和直流项之后系统探测的信号为：

I(t)＝k_sk_lcos[(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]

将信号通过频率差和相位差表示为：I(t)＝k_sk_lcos(2πΔft+Δφ)

混频之后的信号经光电探测器并放大之后进行数据采集同时将数据上传至微处理器系统进行数据分析处理，使用IFFT变换提取采集信号的频率和幅值，

在已知光源扫频速率γ，光纤折射率n和光速c的值的情况下，根据探测得到的中频分量f_IF大小，光程差Z满足如下公式：

拉曼散射光分为斯托克斯和反斯托克斯散射光，反斯托克斯光在拉曼散射过程中获得能量，频率向上偏移，本发明使用反斯托克斯信号强度解调传感光纤的温度。理论分析拉曼反斯托克斯光子数量为：

考虑到光在光纤中的传输损耗，则上式可以修正为：

式中：K_s与散射截面有关的系数，S为光纤背向散射因子，N_e为入射进光纤的每个激光脉冲所包含的光子数，α₀、α_a分别为入射激光、反斯托克斯散射光在光纤中的损耗系数，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，T是散射点的绝对温度，c为光速，n为光纤的折射率，则对应的散射光强度I_a为：

式中：为入射进光纤的激光脉冲强度；

使用反斯托克斯光强度对温度进行解调，具体公式如下：

T₀为已知温度，根据上式可以解调出待测温度T。