CN106525279A - 基于多波长光源提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多波长光源提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离的方法，其中系统包括多个激光器、多光束合束器、拉曼波分复用器、雪崩光电二极管、数据采集卡、解调算法单元和激光器驱动板；多个激光器的输入端均与激光器驱动板连接，多个激光器的输出端分别与多光束合束器的多个输入端口连接；多光束合束器的输出端与拉曼波分复用器的输入端口连接，拉曼波分复用器的公共输出端口连接传感光缆；拉曼波分复用器的信号端口连接雪崩光电二极管的输入端；雪崩光电二极管光的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡还与激光器驱动板连接，数据采集卡的输出端与解调算法单元连接。本发明使用多个波长，信噪比可以提高N倍(N是波长个数)。

Description

基于多波长光源提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作 距离的方法

技术领域

本发明涉分布式自发拉曼散射温度传感系统技术领域，尤其涉及一种提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离的方法。

背景技术

分布式光纤温度传感器是近几十年来发展的一种用于实时测量空间温度场分布的光纤传感系统。经过几十年的发展，该技术在短距离，10km或以下是比较成熟的，但是在长距离下，比如30km，还存在很多问题，累加时间长，信噪比低，精度低等。可以说，当前拉曼分布式温度传感器发展方向是长距离，高精度。接收光信号的信噪比决定了分布式光纤传感系统的工作距离，影响接收光源信噪比的因素主要有以下几点：光噪音，主要是输出光源的信噪比；电噪音，主要有APD的噪音和电路的噪音；算法等。

本专利重点关注提高输出光源的信噪比。要想提高输出光源信噪，一是提高光源强度，二是降低光源噪音。相比而言，提高注入光强度是一种有效简单的方法。但受到光纤非线性效应的影响，尤其是受激拉曼效应，限制了注入光的最大光功率，当注入光功率达到了受激拉曼阈值的时候，入射的光功率迅速转化为另一个较长波长的斯托克斯光，从而导致光源功率迅速减弱，接收的光信号也迅速减低，导致测试距离下降。对于长距离分布式温度传感系统，工作距离越长，越容易发生受激拉曼效应，所以要降低入射光功率，那么远距离处的信噪比降低，测量精度更低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离无法有效提高的缺陷，提供一种可有效提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离的方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供给一种基于多波长光源提高工作距离的分布式自发拉曼散射温度传感系统，包括多个激光器、多光束合束器、拉曼波分复用器、雪崩光电二极管、数据采集卡、解调算法单元和激光器驱动板；

多个激光器的输入端均与激光器驱动板连接，多个激光器的输出端分别与多光束合束器的多个输入端口连接；

多光束合束器的输出端与拉曼波分复用器的输入端口连接，拉曼波分复用器的公共输出端口连接传感光缆；拉曼波分复用器的信号端口连接雪崩光电二极管的输入端；

雪崩光电二极管光的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡还与激光器驱动板连接，数据采集卡的输出端与解调算法单元连接。

本发明所述的系统中，多光束合束器的输出端通过单模光纤与拉曼波分复用器的输入端口连接。

本发明所述的系统中，多个激光器的输出端通过单模光纤与多光束合束器的输入端口连接。

本发明还提供了一种基于多波长光源提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离的方法，包括以下步骤：

S1、将多个激光器的光通过多光束合束器输出到拉曼波分复用器，并通过拉曼波分复用器的公共输出端口输出到传感光缆；

S2、多波长的脉冲光在传感光缆中产生反向的斯托克斯光和反斯托克斯光；

S3、后向的斯托克斯光和反斯托克斯光经过拉曼波分复用器进入雪崩光电二极管的输入端，经过其进行光电转换和放大；

S4、放大后的信号通过数据采集卡同步采集数据；

S5、采集的数据通过解调算法单元进行解调，以解调出光缆上的温度信息。

本发明所述的方法中，通过多光束合束器输出的光的波长不变。

本发明所述的方法中，多束光的波长范围在10nm范围内。

本发明所述的方法中，多束光的光强相差不超过3dB。

本发明产生的有益效果是：本发明利用多波长来提高光源信噪比，和之前的偏振方案相比，多波长有很多优点：1)控制简单，偏振光的控制一直都是光学的难题，用波分复用器很好可以解决多波长的问题。2)成本低，偏振光需要昂贵的保偏光纤等器件，多波长方案使用通用的通讯光纤就可以。3)信噪比可以提高的更大，对于偏振来说只有两个偏振方向，信噪比提高了2倍。但是使用多个波长，信噪比可以提高N倍(N是波长个数)。

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是本发明实施例提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离的光源设计示意图；

图2是本发明实施例提高工作距离的分布式自发拉曼散射温度传感系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离的方法流程图。

图4是光纤中散射示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

关于如何提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离，现有科研人员的解决方案中有一种思维局限，那就是多波长光源单色性变差，噪音增大。所以现有方案一般都是提高光源的单色性，也就用单波长、单纵模、窄线宽的激光器。对于分布式自发拉曼散射来说，使用多波长光源在一定范围内，单色性变差，噪音增大，但是信号增大的更高，那么信号和噪音的比值还是增大的，即光源信噪比提高。经过多年的研究，本发明打破思维定式，提出用多波长来提高光源信噪比。同2015年申请人所提出的偏振光提高光源信噪比的方案相比，从原理上是明显的不同。一个是利用偏振，一个利用的是多波长。

整个系统可以分成两个部分，如图1所示的部分和图2后续的两大块。图1示出了是本发明实施例一种提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离光源设计图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

整个系统的光源部分包括第一激光器1a，输出波长为λ₁的光；第二激光器2a，输出波长为λ₂的光；……；第N激光器Na，输出波长为λ_N的光；多光束合束器3，把多束光合到一根光纤中。

光源工作时，多个不同波长的光入射到系统中，使得分布式自发拉曼散射温度传感器能够承载的最大光功率提高N倍；多个光源光强基本一致，相差不超过3dB；两个光源的波长应在一定范围内，相差不超过10nm。整个光源是为了后续信号的产生和解调服务的。

图2是本发明实施例一种提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的方法和系统示意图；包括第一激光器1a，输出波长为λ₁的光、第二激光器2a，输出波长为λ₂的光、……、第N激光器Na，输出波长为λ_N的光、多光束合束器3，把多束光合到一根光纤中、拉曼波分复用器(拉曼WDM)4、传感光缆5、雪崩光电二极管(APD)6、数据采集卡7、解调算法单元8和激光器驱动板9。

多个激光器的输入端均与激光器驱动板9连接，多个激光器的输出端分别与多光束合束器3的多个输入端口连接；

多光束合束器3的输出端与拉曼波分复用器4的输入端口连接，拉曼波分复用器4的公共输出端口连接传感光缆5；拉曼波分复用器4的信号端口连接雪崩光电二极管6的输入端；

雪崩光电二极管光6的输出端与数据采集卡7连接，数据采集卡7还与激光器驱动板9连接，数据采集卡7的输出端与解调算法单元8连接。

本发明的一个实施例中，输出多波长光接入到拉曼WDM的1550nm输入端口；拉曼WDM的公共输出端口连接传感光缆，在传感光缆中产生了后向的斯托克斯光和反斯托克斯光；反向的斯托克斯光和反斯托克斯光经过拉曼WDM后进入雪崩光电二极管的输入端口；斯托克斯光和反斯托克斯光光经过APD光电转换和放大，进入数据采集卡中，如此同时激光器驱动产生的同步信号给数据采集卡，同步采集数据；最后进入温度解调算法单元，解调光缆的温度信息。温度解调算法单元可采用多种解调算法，本发明实施例所采用的解调算法原理如下：

拉曼散射光由斯托克斯光(Stoker)和反斯托克斯光(Anti-Stoker)组成，这两种光的波长的偏移量由光纤的材料决定,斯托克斯光和反斯托克斯光强度与温度有光,其关系如下

Stoker光强度：

Anti-Stoker光强度：

式中λ_s：斯托克斯光波长；λ_as：反斯托克斯光波长；Δν：拉曼频移；c：真空中的光速；h：普朗克常量；k：玻尔兹曼常最；T：绝对温度。

实际中，由于白噪音的存在得到的两条强度曲线信噪比很差，需要通过多条曲线累加来提高信噪比(信号累加会加强，白噪音累加会减弱)，再进行下一步解调。

本系统采用Anti-Stokes与Stokes散射比的温度解调方式，在实际系统中除光纤的温度因素外,光脉冲源的功率波动、光纤弯曲变形等情况都会影响到Anti-Stokes光强度。将Stokes光作为参考通道,用Anti-Stokes与Stokes光强度的散射比做为温度因子,可有效的提高测量精度。

对于一个已知定标温度T₀，可以把上式表示为：

那么通过上式可以解调出传感光缆的分布式温度信息。

本发明的创新点和特色是采用多波长光源，原理如下：

拉曼效应有一个重要特点，从理论上说受激拉曼散射阈值对应的是一个单色光，实际上我们的光源是有线宽的，线宽越窄，单色性越好。线宽越宽，单色性越差。如果我们采用单色性差的光源，从频谱上看就是光谱越宽的光源，它的总能量可以很高，但是不会发生受激拉曼效应，因为分配到每一个单色光的能量没有达到拉曼阈值。

拉曼光谱的频移在13THz附近，是有一定线宽的，如图4所示。APD接收到的信号时一定线宽内光的总能量，是一种强度的解调，和光源的单色性无关。

综上两个特色，可以通过采用多波长激光光源扩宽光源线宽，提高光源性噪比，提高入射光源功率，但是不引起受激拉曼效应。同时APD采集的光信号几乎不受影响，与此同时信号强度还增大。

按照目前光纤损耗0.2dB/km计算，光功率提高一倍，可以使传感器工作距离延长7.5公里，只需要两个波长的光合束。

从产品角度来看，仪表的外观、大小、成本、工程应用来看，使用3到5个波长的光源效果最佳。同时考虑到光纤中能承载的最大功率(光纤中传输的功率过高，会使光纤烧毁)，也是使用3到5个波长的光源效果最佳。随着技术的进步，激光器可以做的更小，更便宜，光纤承载功率更高的话，可以使用更多的波长。

本发明实施例的提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离的方法，基于上述系统，如图3所示，主要包括以下步骤：

S1、将多个激光器的光通过多光束合束器输出到拉曼波分复用器，并通过拉曼波分复用器的公共输出端口输出到传感光缆；

S2、多波长的脉冲光在传感光缆中产生反向的斯托克斯光和反斯托克斯光；

S3、后向的斯托克斯光和反斯托克斯光经过拉曼波分复用器进入雪崩光电二极管的输入端，经过其进行光电转换和放大；

S4、放大后的信号通过数据采集卡同步采集数据；

S5、采集的数据通过解调算法单元进行解调，以解调出光缆上的温度信息。

综上，本发明的主要优点有：

(1)传感器工作距离延长25*log(N)公里。因为N个激光器输出的光是不同波长的光，使得分布式自发拉曼散射温度传感器能够承载的最大光功率提高N倍，传感器的灵敏度和信噪比改善了10*log(N)dB。按照目前光纤损耗0.2dB/km计算，光功率提高N倍，可以使传感器工作距离延长25*log(N)公里。目前来说，分布式拉曼温度传感器10公里技术是比较成熟的，20公里基本没有商业化，都在研发阶段，本方法使工作距离延迟25*log(N)里是分布式传感中一个重要改进。

(2)提高了传感器的测量精度。测量的精度关键影响因素是信噪比，决定信噪比的一个重要因素是注入光源强度，提高注入光强度是一种有效简单的方法。

(3)通用性好。该方法也可以用在其他分布式传感器中。比如通信用的光时域反射计OTDR，基于布里渊散射原理的分布式光纤传感技术，注入光脉冲功率也受限于非线性效应，同理可以提高动态范围。

(4)降低光电转换器件要求。由于信号功率增大，可以降低光电转换器件探测的最低功率。

(5)加快解调时间。为了提高信噪比，分布式自发拉曼散射温度传感器解调的主要方法之一是累加(信号累加会增强，噪音累加会相消除)，累加的次数为2¹⁶到2¹⁸。采用多波长方案，累加次数可以减少二分之一，也能达到同样的解调效果。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多波长光源提高工作距离的分布式自发拉曼散射温度传感系统，其特征在于，包括多个激光器、多光束合束器、拉曼波分复用器、雪崩光电二极管、数据采集卡、解调算法单元和激光器驱动板；

多个激光器的输入端均与激光器驱动板连接，多个激光器的输出端分别与多光束合束器的多个输入端口连接；

多光束合束器的输出端与拉曼波分复用器的输入端口连接，拉曼波分复用器的公共输出端口连接传感光缆；拉曼波分复用器的信号端口连接雪崩光电二极管的输入端；

雪崩光电二极管光的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡还与激光器驱动板连接，数据采集卡的输出端与解调算法单元连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，多光束合束器的输出端通过单模光纤与拉曼波分复用器的输入端口连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，多个激光器的输出端通过单模光纤与多光束合束器的输入端口连接。

4.一种基于多波长光源提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将多个激光器的光通过多光束合束器输出到拉曼波分复用器，并通过拉曼波分复用器的公共输出端口输出到传感光缆；

S2、多波长的脉冲光在传感光缆中产生反向的斯托克斯光和反斯托克斯光；

S3、后向的斯托克斯光和反斯托克斯光经过拉曼波分复用器进入雪崩光电二极管的输入端，经过其进行光电转换和放大；

S4、放大后的信号通过数据采集卡同步采集数据；

S5、采集的数据通过解调算法单元进行解调，以解调出光缆上的温度信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过多光束合束器输出的光的波长不变。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，多束光的波长范围在10nm范围内。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，多束光的光强相差不超过3dB。