CN109115361B - 基于渐变折射率分布的小芯径多模光纤的应用 - Google Patents
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Abstract
一种基于渐变折射率分布的小芯径多模光纤的应用，将长度为10km以上且直径为15‑30μm的多模光纤用于温度精确测量；本发明单模光纤在25km处的温度分辨率可由6.9℃提升到1℃，多模光纤而言，在25km处的空间分辨率由2.58m提升到1.13m。结合现有的光纤拉曼系统，可在保证高温度分辨率的同时，有效提升系统的空间分辨率，从而解决了现有光纤拉曼温度传感系统在长距离测量下空间分辨率与温度分辨率相互制约的现状，并且利用小波变换、脉冲编码等技术可进一步提高拉曼温度传感系统的表现。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学检测领域的技术，具体是一种基于渐变折射率分布、直径为24μm的多模光纤的拉曼分布式温度传感方法。
背景技术
现有的拉曼分布式温度传感系统中，通过检测注入到光纤中的探测脉冲的背向自发拉曼散射光来获取温度信息。多模光纤具有较大的非线性阈值功率，常作为传感光纤，但多模光纤的损耗较大，且模间色散很大，在长距离测量(大于10km)下空间分辨率严重退化，不足以满足实际应用的需求。而基于单模光纤的分布式拉曼传感技术有效模场面积较小且结构较为复杂、成本较高，需要进行分布式放大并进行复杂的信号处理。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于渐变折射率分布的小芯径多模光纤的应用，通过设计优化来增大光纤的有效模场面积，相对于现有的单模光纤而言，在25km处的温度分辨率可由6.9℃提升到1℃。通过调整α参数来降低光纤的模间色散，相对于多模光纤而言，在25km处的空间分辨率由2.58m提升到1.13m。结合现有的光纤拉曼系统，可在保证高温度分辨率的同时，有效提升系统的空间分辨率，从而解决了现有光纤拉曼温度传感系统在长距离测量下空间分辨率与温度分辨率相互制约的现状，并且利用小波变换、脉冲编码等技术可进一步提高拉曼温度传感系统的表现。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于渐变折射率分布的小芯径多模光纤的应用，将长度为10km以上且直径为15-30μm的多模光纤用于温度精确测量。
所述的测量，具体通过将调制产生的光脉冲放大并滤波后注入作为传感光纤的小芯径多模光纤，光纤的自发后向拉曼散射光经波分复用器分为斯托克斯光和反斯托克斯光，将温度敏感性较低的斯托克斯光作为参考光，利用反斯托克斯光与斯托克斯光的比值进行温度解调，避免了因外界环境或者系统不稳定。
所述的小芯径多模光纤，其直径为15-30μm，长度为10km以上；折射率分布满足其中：r为光纤任意处半径，R为纤芯半径，Δ为纤芯—包层折射率差，α为折射率分布系数，n0为纤芯中心的折射率，纤芯—包层折射率差优选为0.8％-1.3％，折射率分布系数优选为1.9～2.1。
所述的光脉冲的宽度为10ns。
所述的放大，通过掺铒光纤放大器，放大后光脉冲峰值功率达到传感光纤的非线性阈值，具体为：1W～10W。
所述的滤波，通过光滤波器将放大过程中产生的自发辐射噪声滤除。
本发明涉及一种实现上述方法的拉曼分布式温度传感器，包括：依次连接的高功率激光器、带有任意波形发生器的强度调制器、掺饵光纤放大器、光滤波器、波分复用器、传感光纤以及依次串联于波分复用器的反射端的光电转换模块和数据采集系统，其中：激光器的输出光经强度调制器调制成光脉冲并依次通过掺铒光纤放大器放大、通过光滤波器滤波后通过波分复用器注入传感光纤中，由波分复用器将传感光纤的自发后向拉曼散射光分为斯托克斯光和反斯托克斯光并通过光电转换模块采集得到输出信号，通过数据采集系统检测得到精确温度信息。
所述的掺铒光纤放大器产生的放大自发辐射噪声由光滤波器滤除。
所述的波分复用器为62.5μm的多模光纤或单模光纤，在多模光纤的满注入条件下，由于高阶模式的激发可以增大有效模场面积以及非线性阈值功率，同时相较于传统标准多模光纤的模式色散大大减小，因而空间分辨率得到明显的提高；在单模光纤的准单模注入条件下，相对于单模光纤空间分辨率没有劣化，并且提高温度分辨率。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够解决在长测量距离下高空间分辨率和高温度分辨率不可兼得的问题。当测量距离大于10km时，使用传统多模光纤作为传感光纤的温度传感系统的空间分辨率严重劣化，不能满足实际需求，而使用传统单模光纤的温度传感系统的信噪比严重下降，不能满足对温度分辨率的需求。所使用的小芯径多模光纤通过优化设计与拉制，获得了大有效模场面积和小的模间色散。结合现有的光纤拉曼系统，获得了与传统多模光纤相比拟的温度分辨率，同时空间分辨率基本没有劣化，可满足长距离测量情况下同时具备高温度分辨率和高空间分辨率。
附图说明
图1为利用S14光纤折射率分析器测得的设计的小芯径多模光纤的折射率分布图；
图2为分布式拉曼传感实验装置示意图；
图3满注入条件下使用小芯径多模光纤在距离10km处测量得到的温度曲线；
图4满注入条件下使用小芯径多模光纤在距离19km处测量得到的温度曲线；
图5满注入条件下使用小芯径多模光纤在距离23km处测量得到的温度曲线；
图6满注入条件下使用拉制的小芯径多模光纤和标准多模光纤得到的温度分辨率曲线；
图7满注入条件下使用拉制的小芯径多模光纤在距离为10km处的空间分辨率；
图8满注入条件下使用拉制的小芯径多模光纤在距离为19km处的空间分辨率；
图9满注入条件下使用拉制的小芯径多模光纤在距离为23km处的空间分辨率；
图10满注入条件下使用标准多模光纤的温度传感器在22km处的空间分辨率；
图11单模注入条件下使用小芯径多模光纤在距离10km处测量得到的温度曲线；
图12单模注入条件下使用小芯径多模光纤在距离19km处测量得到的温度曲线；
图13单模注入条件下使用小芯径多模光纤在距离23km处测量得到的温度曲线；
图14单模注入条件下使用拉制的小芯径多模光纤和标准单模光纤得到的温度分辨率曲线；
图15单模注入条件下使用拉制的小芯径多模光纤在距离为23km处的空间分辨率；
图16单模注入条件下使用标准单模光纤的温度传感器在21km处的空间分辨率；
图中：高功率激光器1、强度调制器2、任意信号发生器3、掺饵光纤放大器4、光滤波器5、波分复用器6、传感光纤7、雪崩光电探测器8、放大电路9、数据采集系统10。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例包括：高功率激光器1、带有任意信号发生器3的强度调制器2、掺饵光纤放大器4、光滤波器5、波分复用器6、传感光纤7以及依次串联于波分复用器6的反射端的光电转换模块和数据采集系统10，其中：激光器的输出光功率为17dBm，经由一个强度调制器2调制成一系列宽度为10ns的光脉冲，该强度调制器2由任意信号发生器3所产生的电脉冲信号驱动，调制产生的光脉冲由掺铒光纤放大器4放大，放大后的光脉冲峰值功率略低于传感光纤7的非线性阈值，同时掺铒光纤放大器4产生的放大自发辐射噪声由光滤波器5滤除；经过光滤波器后，探测光脉冲通过多模波分复用器6注入传感光纤中7，传感光纤7的自发后向拉曼散射光被波分复用器6分为斯托克斯光和反斯托克斯光，并由光电转换模块得到数字信号后通过数据采集系统10处理得到精确温度信息。
所述的高功率激光器1输出连续线偏光，以保证与强度调制器输入端偏振方向一致，输出功率为17dBm。
所述的电脉冲信号的宽度为10ns，脉冲重复率为10kHz。
所述的光滤波器5的插损为6dB，线宽为0.2nm。
本实施例中多模波分复用器6由62.5μm的多模光纤构成。
所述的光电转换模块包括两个雪崩光电探测器8和放大电路9。
所述的数据采集模块为2通道采样率为250MHz，采样精度为12位的信号采集卡。采集到的信号被平均100000次以提高信噪比，所需的测量时间小于90秒。
本实施例中室温约为25℃，温度分辨率通过计算1km距离窗口内温度曲线的均方根误差得到。
所述的传感光纤7由三段10km、9km和4km的小芯径多模光纤连接而成，在每个连接处设置20m的传感段，传感段浸入水浴锅以控制温度。在满注入条件下，测量得到的光纤沿线温度曲线如图3-5所示。利用制造的小芯径多模光纤和标准多模光纤作为传感光纤所实现的温度分辨率与距离之间的关系如图6所示。温度分辨率是通过计算1km距离窗口内温度曲线的均方根误差所得到的。由结果可见，利用小芯径多模光纤实现的拉曼分布式温度传感器的温度分辨率接近基于标准多模光纤的拉曼分布式温度传感器。采用小芯径多模光纤，在25km处得到了1℃的温度分辨率。同时，为分析在满注入条件下的空间分辨率下降的情况分别测量在10km距离处、19km距离处和23km距离处的空间分辨率，如图7-9所示。从图中可见，基于小芯径多模光纤的分布式拉曼温度传感器的空间分辨率在19km处和23km处分别降至1.04m和1.13m。作为对比测量基于多模光纤的分布式拉曼温度传感器的远端空间分辨率，如图10所示。在此情况下，由于更大的模间色散影响，在22km处，空间分辨率降低至2.58m。
实施例2
为实现更高的空间分辨率和更长的测量距离利用准单模注入技术，构建了基于小芯径多模光纤的拉曼分布式温度传感器。在实验中，传感段光纤设置与实施例1所示相同，通过使用单模波分复用器来实现准单模注入。
本实施例中传感段光纤的温度曲线如图11-13所示。利用设计的小芯径多模光纤和单模光纤所达到的温度分辨率曲线如图14所示。在25km距离处，利用小芯径多模光纤达到了4.7℃的温度分辨率，相较于单模光纤有2.2℃的提升。除此之外，如图15所示，在准单模注入条件下，基于小芯径多模光纤和单模光纤所达到的空间分辨率没有劣化。图16为使用单模光纤做传感光纤在21km处的空间分辨率。
本实施例中单模波分复用器由单模光纤构成。
所述的传感光纤由三段10km、9km和4km的小芯径多模光纤连接而成，在每个连接处设置20m的传感段，传感段浸入水浴锅以控制温度。
表1是不同模式与基模的差分模式延迟和有效模场面积与α的依赖关系。最佳的α值在2.0附近，LP02模式相对基模的差分模式延迟为176.1ps/km，相对多模光纤来说可大大降低由于模间色散带来的空间分辨率的退化。LP21和LP02等高阶模式的模场面积均大于200μm2，经过α优化的小芯径多模光纤具有更大的非线性阈值，从而提高SNR的性能。
表1
如表2所示，为用不同光纤和不同注入条件的拉曼分布式温度传感器的空间分辨率和温度分辨率。
表2
作为总结，采用小芯径多模光纤作为传感光纤的拉曼分布式温度传感系统，可通过使用多模或单模波分复用器实现不同工作模式。实验表明，在满注入工作模式下，采用所设计的小芯径多模光纤能提供足以和多模光纤相比的温度分辨率，同时其模间色散导致的空间分辨率劣化可以忽略。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (1)
1.一种基于渐变折射率分布的小芯径多模光纤的长距离拉曼分布式温度传感器，其特征在于，包括：依次连接的高功率激光器、带有任意波形发生器的强度调制器、掺饵光纤放大器、光滤波器、波分复用器、传感光纤以及依次串联于波分复用器的反射端的光电转换模块和数据采集系统，其中：激光器的输出光经强度调制器调制成光脉冲并依次通过掺铒光纤放大器放大、通过光滤波器滤波后通过波分复用器注入传感光纤中，由波分复用器将传感光纤的自发后向拉曼散射光分为斯托克斯光和反斯托克斯光并通过光电转换模块采集得到输出信号，通过数据采集系统检测得到精确温度信息；
所述的波分复用器为62.5μm的多模光纤或单模光纤；
所述的温度传感是指：通过将调制产生的宽度为10ns的光脉冲放大并滤波后注入作为传感光纤、纤芯—包层折射率差为0.8％-1.3％，折射率分布系数为1.9～2.1的小芯径多模光纤，光纤的自发后向拉曼散射光经波分复用器分为斯托克斯光和反斯托克斯光，将温度敏感性较低的斯托克斯光作为参考光，利用反斯托克斯光与斯托克斯光的比值进行温度解调，从而实现高精度温度测量；
所述的传感光纤由三段10km、9km和4km的小芯径多模光纤连接而成，在每个连接处设置20m的传感段，传感段浸入水浴锅以控制温度；
所述的小芯径多模光纤，其直径为15-30μm，长度为10km以上；折射率分布满足其中：r为光纤任意处半径，R为纤芯半径，Δ为纤芯—包层折射率差，α为折射率分布系数，n0为纤芯中心处的折射率；
所述的放大，通过掺铒光纤放大器放大后光脉冲峰值功率达到传感光纤的非线性阈值，具体为：1W～10W；
所述的滤波，通过光滤波器将放大过程中产生的自发辐射噪声滤除；
所述的掺铒光纤放大器产生的放大自发辐射噪声由光滤波器滤除。
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Effective date of registration: 20230223 Address after: 200240 Minhang District, Shanghai Jianchuan Road, No. 5, 1, 5 (centralized registration). Applicant after: Shanghai Guangzhi Technology Co.,Ltd. Address before: 200240 No. 800, Dongchuan Road, Shanghai, Minhang District Applicant before: Ma Lin |
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| GR01 | Patent grant | ||
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