CN110031124A - 一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涉及光学领域的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，括激光器和波形发生器，激光器与开关型半导体光放大器连接，波形发生器连接开关型半导体光放大器，开关型半导体光放大器输出端与掺饵光纤放大器的输入端连接，掺饵光纤放大器的输出端与光纤光栅滤波器的输入端连接，采用较大光功率激光器，经过开关型半导体光放大器和掺饵光纤放大器的双重放大，具有超高的消光比，经过光纤光栅滤波器带宽外滤波和马赫‑曾德尔调制器带宽内滤波，大幅度提升了光脉冲的信噪比，可以用于探测单模光纤，可以实现单模光纤30km的探测距离，系统安装简单，易于实现超长距离的精准测温，而且不受光纤应变影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学领域，具体是一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器。
背景技术
分布式光纤传感技术中光纤既是信息传输媒介又是感测单元，分布式拉曼温度传感技术是用于实时测量温度场分布的光纤传感技术，基于拉曼散射中的反斯托克斯(Anti-Stokes) 光对温度敏感，但是斯托克斯(Stokes)光对温度不敏感，用该属性可以测量整个光纤长度上的温度分布情况。现有的分布式光纤温度传感器大多以多模光纤作为传感介质，但是由于多模光纤的色散模式限制了系统空间分辨率的提高。
单模分布式拉曼测温传感技术作为分布式光纤传感技术的一种，区别于传统的多模分布式拉曼测温传感技术，测量的难点主要在于对微弱信号的探测，并很难实现超长距离的分布式温度监测，目前的分布式拉曼测温传感技术如公告号为CN 105910728B的申请公开了一种高空间分辨率拉曼测温传感器及测温方法，公告号为CN 108020345A的申请公开了一种基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装置等，目前的这些系统都不能同时实现单模光纤传感、超长距离监测、精准温度测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，包括激光器和波形发生器，所述激光器的输出端与开关型半导体光放大器的输入端连接，所述波形发生器连接开关型半导体光放大器，所述开关型半导体光放大器输出端与掺饵光纤放大器的输入端连接，所述掺饵光纤放大器的输出端与光纤光栅滤波器的输入端连接，所述光纤光栅滤波器的输出端与马赫 -曾德尔调制器的输入端连接，所述马赫-曾德尔调制器的输出端通过耦合器连接一号光纤波分复用器和二号光纤波分复用器，所述一号光纤波分复用器和二号光纤波分复用器的输出端口分别与一号光纤滤波器和二号光纤滤波器的输入端连接，所述一号光纤滤波器和二号光纤滤波器的输出端口分别与一号探测器和二号探测器的输入端口连接，所述一号探测器和二号探测器的输出端口均连接双路放大电路，所述双路放大电路通过两通道采集卡连接计算机。
作为本发明进一步的方案：所述耦合器设有一个输入端口和三个输出端口，耦合器的输入端口连接背向拉曼散射光发生源，所述耦合器的第一输出端口连接单模光纤，耦合器的第二输出端口和第三输出端口分别连接一号光纤波分复用器和二号光纤波分复用器。
作为本发明再进一步的方案：所述波形发生器与马赫-曾德尔调制器连接。
作为本发明再进一步的方案：所述波形发生器连接计算机。
作为本发明再进一步的方案：所述激光器为窄线宽高功率激光器。
作为本发明再进一步的方案：所述马赫-曾德尔调制器的消光比大于30dBm。
作为本发明再进一步的方案：所述波形发生器设有两个同步产生电脉冲信号的通道。
作为本发明再进一步的方案：所述一号光纤滤波器和二号光纤滤波器为1450nm光纤滤波器和1663nm光纤滤波器。
作为本发明再进一步的方案：所述一号光纤滤波器和二号光纤滤波器为1450nm的单模光纤波分复用器和1663nm的单模光纤波分复用器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用较大光功率激光器，经过开关型半导体光放大器和掺饵光纤放大器的双重放大，可以使注入单模光纤的光脉冲的峰峰值功率达到 34dBm；具有超高的消光比，经过光纤光栅滤波器带宽外滤波和马赫-曾德尔调制器带宽内滤波，大幅度提升了光脉冲的信噪比，可以使注入单模光纤的光脉冲消光比达到70dB；可以用于探测单模光纤，可以实现单模光纤30km的探测距离，具有±1℃的测量精度，空间分辨率为3m；系统安装简单，易于实现超长距离的精准测温，而且不受光纤应变影响，本发明结构简单、实用性强、易于使用和推广。
附图说明
图1为分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器的结构示意图。
其中：激光器1、开关型半导体光放大器2(SOA)、掺饵光纤放大器3(EDFA)、光纤光栅滤波器4、马赫-曾德尔调制器5(MZM)、耦合器6、单模光纤7、一号光纤波分复用器 8(WDM1)、二号光纤波分复用器9(WDM2)、一号光纤滤波器10、二号光纤滤波器11、一号探测器12(APD1)、二号探测器13(APD2)、双路放大电路14、两通道采集卡15、计算机16、波形发生器17(AWG)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1，本发明实施例中，一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，所述激光器1的输出端与开关型半导体光放大器2的输入端连接，用于激光器1输出的单频连续激光进入开关型半导体光放大器2中；
所述波形发生器17连接开关型半导体光放大器2，用于波形发生器17输出的电脉冲信号加载到开关型半导体光放大器2上，将连续激光调制成脉冲光；所述波形发生器17还与马赫-曾德尔调制器5连接，用于波形发生器17输出同步电脉冲信号加载到马赫-曾德尔调制器5，产生同步的光脉冲信号。
所述开关型半导体光放大器2输出端与掺饵光纤放大器3的输入端连接，用于脉冲光功率的放大。
所述掺饵光纤放大器3的输出端与光纤光栅滤波器4的输入端连接，用于滤除滤波器带宽外的噪声，以提高信噪比。
所述光纤光栅滤波器4的输出端与马赫-曾德尔调制器5的输入端连接，用于消除带宽内的噪声，得到高消光比的光脉冲信号。
所述马赫-曾德尔调制器5的输出端与耦合器6的输入端连接，所述耦合器设有一个输入端口和三个输出端口，耦合器的输入端口连接背向拉曼散射光发生源，背向拉曼散射光通过耦合器6输入端口输入，所述耦合器6的第一输出端口连接单模光纤7，耦合器6的第二输出端口和第三输出端口分别连接一号光纤波分复用器8和二号光纤波分复用器9，通过耦合器6第一输出端口，将脉冲光注入单模光纤7中，第二输出端口和第三输出端口连接的一号光纤波分复用器8和二号光纤波分复用器9，用于将斯托克斯光Stokes和反斯托克斯光Anti-Stokes分离出来。
所述一号光纤波分复用器8输出端口和二号光纤波分复用器9输出端口分别与一号光纤滤波器10和二号光纤滤波器11的输入端连接，用于滤除斯托克斯光Stokes和反斯托克斯光Anti-Stokes的白噪声，并提高边带的抑制比。
所述一号光纤滤波器10和二号光纤滤波器11的输出端口分别与一号探测器12的输入端口和二号探测器13的输入端口连接，用于将光信号转化为电信号。
所述一号探测器12的输入端口和二号探测器13的输出端口均连接双路放大电路14，用于微弱的电信号的放大。
所述双路放大电路14的输出端与两通道采集卡15的输入端连接，用于两路电信号的采集，所述两通道采集卡15通过网线连接计算机16，用于数据的传输，波形发生器17连接计算机16，计算机16通过网线控制波形发生器17，使其控制波形发生器17脉冲的输出。
具体地，所述激光器1为窄线宽高功率激光器，可以保障光信号长距离的传播。
具体地，所述马赫-曾德尔调制器5，其消光比需要达到30dBm以上。
具体地，所述波形发生器17设有两个通道，产生两个同步的电脉冲信号，以保证加载在开关型半导体光放大器2和马赫-曾德尔调制器5的光脉冲的同步性。
具体的，所述一号光纤滤波器10和二号光纤滤波器11为1450nm光纤滤波器和1663nm 光纤滤波器，或1450nm的单模光纤波分复用器和1663nm的单模光纤波分复用器，以同样起到提升边带抑制比的作用。
实施例2：
所述分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器装置，具体操作时包括以下步骤：
步骤一、激光器1的光进入到开关型半导体光放大器2中，调制成了放大的脉冲光；
步骤二、脉冲光经过掺饵光纤放大器3进行放大；
步骤三、将放大的脉冲光经过光纤光栅滤波器4进行带宽外噪声滤波；
步骤四、通过马赫-曾德尔调制器5将带宽内的噪声进行滤波，同时提高信噪比；
步骤五、再通过耦合器6的第一输出端口进入单模传感光纤；
步骤六、背向的拉曼散射信号通过耦合器6的输入端口输入，通过第二端口和第三端口进行输出；
步骤七、通过一号光纤波分复用器8和二号光纤波分复用器9，将stokes光和anti-stokes 光进行分离；
步骤八、再通过一号光纤滤波器10和二号光纤滤波器11进行噪声滤波；
步骤九、分别用一号探测器12和二号探测器13，将光信号转化成电信号；
步骤十、通过双路放大电路14进行拉曼电信号的放大；
步骤十一、通过两通道采集卡15，进行信号的采集；
步骤十二、通过网线将两通道采集卡15采集到的数据传输到计算机16中进行数据的处理。
所述分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器装置，采用较大光功率激光器，经过开关型半导体光放大器和掺饵光纤放大器的双重放大，可以使注入单模光纤的光脉冲的峰峰值功率达到34dBm；具有超高的消光比，经过光纤光栅滤波器带宽外滤波和马赫-曾德尔调制器带宽内滤波，大幅度提升了光脉冲的信噪比，可以使注入单模光纤的光脉冲消光比达到70dB；可以用于探测单模光纤，可以实现单模光纤30km的探测距离，具有±1℃的测量精度，空间分辨率为3m；系统安装简单，易于实现超长距离的精准测温，而且不受光纤应变影响。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，包括激光器（1）和波形发生器（17），其特征在于，所述激光器（1）的输出端与开关型半导体光放大器（2）的输入端连接，所述波形发生器（17）连接开关型半导体光放大器（2），所述开关型半导体光放大器（2）输出端与掺饵光纤放大器（3）的输入端连接，所述掺饵光纤放大器（3）的输出端与光纤光栅滤波器（4）的输入端连接，所述光纤光栅滤波器（4）的输出端与马赫-曾德尔调制器（5）的输入端连接，所述马赫-曾德尔调制器（5）的输出端通过耦合器（6）连接一号光纤波分复用器（8）和二号光纤波分复用器（9），所述一号光纤波分复用器（8）和二号光纤波分复用器（9）的输出端口分别与一号光纤滤波器（10）和二号光纤滤波器（11）的输入端连接，所述一号光纤滤波器（10）和二号光纤滤波器（11）的输出端口分别与一号探测器（12）和二号探测器（13）的输入端口连接，所述一号探测器（12）和二号探测器（13）的输出端口均连接双路放大电路（14），所述双路放大电路（14）通过两通道采集卡（15）连接计算机（16）。
2.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，其特征在于，所述耦合器设有一个输入端口和三个输出端口，耦合器的输入端口连接背向拉曼散射光发生源，所述耦合器（6）的第一输出端口连接单模光纤（7），耦合器（6）的第二输出端口和第三输出端口分别连接一号光纤波分复用器（8）和二号光纤波分复用器（9）。
3.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，其特征在于，所述波形发生器（17）与马赫-曾德尔调制器（5）连接。
4.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，其特征在于，所述波形发生器（17）连接计算机（16）。
5.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，其特征在于，所述激光器（1）为窄线宽高功率激光器。
6.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，其特征在于，所述马赫-曾德尔调制器（5）的消光比大于30dBm。
7.根据权利要求3所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，其特征在于，所述波形发生器（17）设有两个同步产生电脉冲信号的通道。
8.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，其特征在于，所述一号光纤滤波器（10）和二号光纤滤波器（11）为1450nm光纤滤波器和1663nm光纤滤波器。
9.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器，其特征在于，所述一号光纤滤波器（10）和二号光纤滤波器（11）为1450nm的单模光纤波分复用器和1663nm的单模光纤波分复用器。
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