CN106989843A - 一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，包括：激光脉冲光源、光纤波分复用器、1*4光开关、多模光纤、光电探测器模块、信号采集卡和计算机。本发明主要用于真空低温环境，电力电缆，隧道，油管的实时温度监测，使用时可以根据需要调整系统以适应各种测量环境。本发明提供了一种同时测量多通道温度和测量超低温的方案，具有安全可靠，耐候性好，适用范围广，传输距离远，抗电磁干扰能力强的特点。

Description

一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统

技术领域

本发明属于光纤测量领域，特别涉及一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统。

背景技术

20世纪70年代，随着光纤技术的不断成熟和光纤通信技术的不断发展，光纤传感技术也迅速发展起来，是一种新型的传感技术。在光纤通讯系统中，光纤作为远距离传输光波信号的媒介，人们发现光纤通信的质量易受外部环境的干扰，其中一个原因是在光纤中传输的光波对外界因素的变换十分敏感，如压力、温度、气体浓度等外界环境因素参量的变化将引起光纤中光波参量信息(如相位、频率、光强、偏振态等)的变化。人们通过这一现象提出了光纤传感的概念，即测出在光纤中传播的光波参量信息的变化量，就能求出导致光波参量信息发生变化的外界环境的压力、温度、磁场、电场、气体浓度等物理、化学参量的变化。

分布式光纤测量技术，是利用光纤本身作为传感器来测量光纤沿线几公里甚至几十公里的连续空间位置的温度场分布情况，为大范围、复杂几何空间的结构、强电磁场、高压大电流、易燃易爆、强腐蚀性和高温、真空低温等特殊环境的温度场测量与控制，提供了良好的可行手段。在众多的分布式光纤测温技术中，基于背向拉曼散射原理的分布式光纤测温技术，由于其拉曼散射信号只对温度灵敏，不存在串扰问题，适合于只需监测温度分布的场合，并且通过对传感系统进行合理的布置，也可以作为其他类型传感器的温度补偿，具有重要研究价值。

模拟太空环境的真空低温罐设备是航天领域的重要试验设备，对其内部温度分布情况的测量很重要，传统的测温系统只能实现“点”式的测量，且系统组网困难，无法测出整个罐内的温度分布情况，急需一种实用的分布式测温手段对罐内的温度分布情况进行准确的测量。另外由于传统电类传感器系统不抗电磁干扰，在电磁干扰情况下(如卫星天线开机工作)无法正常采集信息，而光纤传感系统抗电磁干扰，能够在电磁干扰的环境中正常采集信息。

现有的分布式光纤拉曼温度传感器如中国专利CN200910102201.1“拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器”只可以单通道测温，测温范围小，且不可用于超低温测量环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，具有安全可靠、耐候性好、适用范围广、传输距离远、抗电磁干扰能力强的优点。

本发明采用的技术方案为：一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，包括：激光脉冲光源1、光纤波分复用器2、1*4光开关3、多模光纤4、光电探测器模块5、信号采集卡6和计算机7；其中光纤波分复用器2中的一个通道作为传输通道，传输光信号，另两个通道分别作为斯托克斯通道与反斯托克斯通道，分别输出背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光；激光脉冲光源1的输出连接至光纤波分复用器2的传输通道输入端口，即A端口；光纤波分复用器2的传输通道输出端口，即B端口连接至1*4光开关3的输入端，即E端口；光纤波分复用器2的斯托克斯通道与反斯托克斯通道，即C端口，D端口分别与光电探测器模块5的两个输入端口相连，即J端口，K端口；1*4光开关3的四个输出端口，即F端口，G端口，H端口，I端口，分别都连接上多模光纤4，从而构成多通道输出；光电探测器模块5的两个输出端口，即L端口，M端口，分别与信号采集卡6相连，信号采集卡6输出连接至计算机7；激光脉冲光源1发出的脉冲激光到达光纤波分复用器2，由光纤波分复用器2的一个通道传输光信号至1*4光开关3，1*4光开关3把光信号扩展为4个通道经多模光纤传输，由光纤波分复用器2的斯托克斯通道和反斯托克斯通道将背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光输出，得到的斯托克斯和反斯托克斯光被光电探测器模块5接收，光电探测器模块5把光信号转换为电信号，由信号采集卡6进行采集得到的电信号，最后经过运算分析得到四个通道光纤上各点温度信息，在计算机7上显示。

进一步的，所述1*4光开关3为多模机械式光开关。

进一步的，所述激光脉冲光源1为HMS高速脉冲光源，中心波长1550nm，3dB带宽0.3nm。

进一步的，所述光纤波分复用器2中心波长为1450nm，1550nm，1660nm。

进一步的，所述多模光纤4的涂层材料为丙烯酸盐，保护层材料为聚四氟乙烯。

进一步的，所述光电探测器模块5为波长1550nm的铟砷化镓InGaAs-APD。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现有的分布式光纤拉曼测温系统大多受限于测量范围，而本发明可以在原来的基础上利用光开关扩展输出通道，从而使测量范围扩大，且无需增加光中继放大器，本发明可用于同时测量多路输配电系统、油井勘探、瓦斯管线系统等的温度监测，具有适用范围广、探测距离远、抗干扰能力强的优点。

(2)现有的分布式光纤拉曼测温系统所使用的多模光纤的测温范围为-50～85℃，而在本发明中多模光纤的涂覆层材料选为丙烯酸盐，保护层材料为聚四氟乙烯，测温范围扩展为-196～260℃，从而使分布式光纤拉曼测温系统可以应用到更多的特殊环境中，如真空超低温罐。

附图说明

图1为本发明的分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统原理图；

图中：1为激光脉冲光源，2为光纤波分复用器，3为1*4光开关，4为多模光纤，5为光电探测器模块，6为信号采集卡，7为计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。

如图1所示，本发明分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，包括：激光脉冲光源1、光纤波分复用器2、1*4光开关3、多模光纤4、光电探测器模块5、信号采集卡6和计算机7；其中光纤波分复用器2的A端口和B端口分别连接激光脉冲光源1和1*4光开关3的E端口，C端口和D端口连接光电探测器模块5的J端口和K端口；1*4光开关3的F端口，G端口，H端口，I端口依次连接多模光纤4；光电探测器模块5后还有信号采集卡6及计算机7依次连接。

激光脉冲光源1发出的脉冲激光经过光纤波分复用器2传输光信号至1*4光开关3，1*4光开关3把光信号扩展为4个通道经多模光纤传输，由光纤波分复用器2的斯托克斯通道和反斯托克斯通道将背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光输出，得到的斯托克斯和反斯托克斯光被光电探测器模块5接收，光电探测器模块5把光信号转换为电信号，由信号采集卡6进行采集得到的电信号，最后经过运算分析得到四个通道光纤上各点温度信息，在计算机7上显示。

有拉曼散射原理可知，在距离传感光纤入射端z(m)的位置发生拉曼散射现象，返回到传感光纤入射端的背向反斯托克斯散射光强I_as和斯托克斯散射光强I_s公式为：

式中I₀为入射光的光强，K_as和K_s分别为Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光的散射截面系数，S为光纤的背向散射因子，v_as和v_s分别为Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光的频率，a₀(x)为入射光在光纤中传播时的衰减系数，a_as和a_s分别为Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光在传感光纤中传播的衰减系数，R_as(T)和R_s(T)分别为Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光光强比系数，与温度T有关，其表达式如下：

式中温度T的单位为开尔文K,取Planck(普朗克)常量h＝6.63×10^-34(J·s),Boltzmann(玻尔兹曼)常量k＝1.38×10^-23(J/K),拉曼散射光的频率漂移量为：Δv＝13.2×10¹²（Hz)。

通过计算拉曼散射的反斯托克斯光与斯托克斯光强度之比来解调温度，即将式(1)与式(2)取比值，并将式(3)和式(4)带入结果中，可以得到下式：

两边取对数后得：

令Δa(x)＝a_as(x)-a_s(x),上式可以简化为：

通过标定得到式(7)中的C,,Δa(x)和r三个参数的值便可解调出温度值。

所述1*4光开关3为多模机械式光开关，其工作波长为1550nm；光纤类型为芯径62.5/125um的多模光纤；接头形式为FC/APC接头；插入损耗≤1.0dB；与计算机之间采用RS232接口进行通信。

所述激光脉冲光源1为HMS高速脉冲光源，其中激光脉冲中心波长的选取以提高系统的信噪比为目的，由于系统的光电探测器模块选用的材料是InGaAs，InGaAs的敏感波长范围是1000nm～1700nm，并且采用中心波长为1550nm的相关光学器件较多，性能较好，并且该波长的光在光线中的传输损耗低，传输距离远，所以选用中心波长1550nm，3dB带宽0.3nm。

所述光纤波分复用器2的分光功能是基于薄膜滤波技术，所选用的光纤波分复用器是Raman WDM Module,其中心波长为1450nm，1550nm，1660nm；它的优点有偏振相关损耗低、信道隔离度高(Stokes/Anti-Stokes>40dB)、可靠性高。

所述多模光纤4既是传感器部分，又是传输信号的通道，它的参数选定极为重要；光纤是石英玻璃材料，在1000℃以下的传光特性都比较稳定，因此传感光纤的测温范围主要由传感光纤的光学涂层和保护层材料的耐温性能决定；这里涂层材料为丙烯酸盐，可工作范围是-50～85℃；为了保证在超低温环境中传感光纤能够正常传输检测信号，并能够准确测出温度信息，需要选用耐低温、传输信号强的传感光纤，铁氟龙(聚四氟乙烯)材料长期工作温度下限可以达到-196℃，高温可达260℃，另外多模光纤内的散射光信号强度比单模光纤强很多，其抗弯曲性能也比单模光纤好，因此选用铁氟龙保护材料的多模光纤进行试验。

所述光电探测器模块5可以把光信号转化为电信号，是整个系统中非常关键的组成部分，直接影响系统性能高低。本发明的传感系统，光信号从激光脉冲光源射出经过一系列器件到达光电探测器，光功率损耗比较大，入射到光电探测器的光功率通常及其微弱。本发明实例中用半导体InGaAs PIN雪崩光电二极管进行光电转换，它的优点是灵敏度高、响应速度快、噪声小、光电转换效率高，稳定性好等。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，其特征是：所述测量系统包括激光脉冲光源(1)、光纤波分复用器(2)、1*4光开关(3)、多模光纤(4)、光电探测器模块(5)、信号采集卡(6)和计算机(7)；其中光纤波分复用器(2)中的一个通道作为传输通道，传输光信号，另两个通道分别作为斯托克斯通道与反斯托克斯通道，分别输出背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光；激光脉冲光源(1)的输出连接至光纤波分复用器(2)的传输通道输入端口，即A端口；光纤波分复用器(2)的传输通道输出端口，即B端口连接至1*4光开关(3)的输入端，即E端口；光纤波分复用器(2)的斯托克斯通道与反斯托克斯通道，即C端口，D端口，分别与光电探测器模块(5)的两个输入端口相连，即J端口，K端口；1*4光开关(3)的四个输出端口，即F端口，G端口，H端口，I端口，分别都连接上多模光纤(4)，从而构成多通道输出；光电探测器模块(5)的两个输出端口，即L端口，M端口，分别与信号采集卡(6)相连，信号采集卡(6)输出连接至计算机(7)；激光脉冲光源(1)发出的脉冲激光到达光纤波分复用器(2)，由光纤波分复用器(2)的一个通道传输光信号至1*4光开关(3)，1*4光开关(3)把光信号扩展为4个通道经多模光纤传输，由光纤波分复用器(2)的斯托克斯通道和反斯托克斯通道将背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光输出，得到的斯托克斯和反斯托克斯光被光电探测器模块(5)接收，光电探测器模块(5)把光信号转换为电信号，由信号采集卡(6)进行采集得到的电信号，最后经过运算分析得到四个通道光纤上各点温度信息，在计算机(7)上显示。

2.根据权利要求1所述的一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，其特征是：所述1*4光开关(3)为多模机械式光开关。

3.根据权利要求1所述的一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，其特征是：所述激光脉冲光源(1)为HMS高速脉冲光源，中心波长1550nm，3dB带宽0.3nm。

4.根据权利要求1所述的一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，其特征是：所述光纤波分复用器(2)中心波长为1450nm，1550nm，1660nm。

5.根据权利要求1所述的一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，其特征是：所述多模光纤(4)的涂层材料为丙烯酸盐，保护层材料为聚四氟乙烯。

6.根据权利要求1所述的一种分布式多通道光纤拉曼超低温测量系统，其特征是：所述光电探测器模块(5)为波长1550nm的铟砷化镓InGaAs-APD。