CN110376131A - 一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法，利用空芯光子晶体光纤作为传感光纤，第二激光器发出的信号作为泵浦光在传感光纤中与气体相互作用，气体吸收泵浦光后产生周期性的调制特性，第一激光器发出的探测信号与周期性调制的气体相互作用，使得探测信号的相位产生变化，探测信号在传感光纤中产生背向瑞利散射、拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯信号，通过检测反射的瑞利散射信号相位信息，得到传感光纤沿线上气体的浓度和成分信息，通过检测反射的拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯信号，利用双路解调的方法获得传感光纤沿线上气体的温度信息。本发明方法可以实现气体浓度和温度多参量信息的同时检测，对多种气体检测具有相同的适用性。

Description

一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种气体检测系统及方法，特别是一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法。

背景技术

我国经济的快速发展带来的安全问题十分严峻，频繁发生的各类恶性事故，不仅对相关从业人员造成了人身伤害，还给国家造成了巨大的经济损失，产生了恶劣的社会影响。这些事故基本上都涉及到危险气体的快速检测、实时监测等相关问题。另外，近年来环境问题也日渐突出，大气污染造成的温室效应、酸雨、雾霾等现象不仅对社会造成了直接或间接的经济损失，更是对人们的健康造成了严重的危害。因此，研制各种高灵敏度、快速响应、可远程定位检测的光纤气体传感器势在必行，已成为当今传感技术领域的主要研究内容。

相比于空间光学和玻璃毛细管等传感气室，空芯光子晶体光纤(HC-PBFs)传输的光具有较大的功率密度和更长的作用距离，使得空芯光子晶体光纤可以作为传输光和气体相互作用较为理想的传感气室。早在1991年，Russell首次将光子晶体的思想引入到光纤中，之后，他们在光子晶体光纤的制作上取得了技术上的突破，研制了具有实用价值的光子晶体光纤。从研究成果来看，光子晶体光纤可以实现激光信号在空气纤芯区域传播，且能够将95%的光信号限制在该区域，为实现光与物质相互作用提供了良好的气室环境。由于空芯光子晶体光纤可以有效地将光束限制在低折射率光纤纤芯中，同时，空芯和包层孔又可以选择性地填充气体，因此，空芯光子晶体光纤可以成为光和物质相互作用的理想平台，用于设计新型光纤气体传感装置的气室以提高光纤传感器的测量精度等性能。目前，报道的光纤气体传感器主要集中在基于普通或者光子晶体光纤的点式光纤气体传感器上，不能够实现远距离的在线气体检测，因此，充分利用光子晶体光纤在气体检测中的优势，研究分布式光纤气体传感器技术具有非常重要的学术价值和应用价值。2014年，李刚等研究人员提出了一种分布式气体传感系统及其控制方法，申请号为201410708072.1，通过主控板控制多路光开关，实现了一个激光器控制多路进行气体检测，大大降低了系统成本。2015年，郑光辉等研究人员提出了分布式光纤传感器，申请号为201510071655.2，利用光纤将气体检测装置以及包括激光源、解调装置、光电检测器的主机部分进行连接，出射激光以及反射激光均通过光纤在上述两者之间传播，适合于远距离的站点气体传感检测。2015年，靳伟等研究人员提出了基于空芯光纤光热效应的气体检测方法和系统，申请号为201510005210.4，采用泵浦和探测双激光方案进行检测，方法简单而实用，可以实现极小的光斑面积，大大提高了光功率密度，从而使光热信号强度得到增强。2018年，高建军等研究人员提出了一种连续分布式光纤气体检测的装置及方法，申请号为201810144950.X，在普通单模光纤上利用飞秒加工技术制作小孔作为气体的储藏气室，作为传感光纤上的气体与光的相互作用区域，气体吸收泵浦激光信号产生调制现象，再利用探测激光信号在光纤中的背向瑞利散射检测泵浦信号产生调制现象的传感光纤沿线上的相位信息，实现传感光纤沿线上的气体浓度信息。从这些报道来看，这些发明都是点式光纤气体传感器，不能称得上分布式光纤气体传感器，而且不能同时实现光纤沿线上气体多参量的测量，很难进行产业化的实施。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法，不仅能能够克服现有气体检测技术的缺点与不足，实现分布式气体浓度和温度的多参量光纤气体检测，而且能够实现快速高精度的测量要求，易于实现等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种分布式多参量光纤气体检测系统，包括第一激光器、第一隔离器、第一耦合器、声光调制器、第一掺铒光纤放大器、环形器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、第二隔离器、第二激光器、激光控制器、锁相放大器、第二耦合器、波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、信号采集卡、脉冲发生器、信号处理及显示单元；所述第一激光器、第一隔离器、第一耦合器依次线路连接，所述第一耦合器分流连接至声光调制器和第二耦合器，所述声光调制器、第一掺铒光纤放大器、环形器依次连接，所述第二耦合器连接第一光电探测器，第一光电探测器连接至信号采集卡，所述环形器连接至波分复用器，波分复用器分别连接至第二耦合器、第二光电探测器、第三光电探测器，所述第二光电探测器和第三光电探测器分别连接至信号采集卡，所述信号采集卡、锁相放大器、激光控制器、第二激光器、第二隔离器、第二掺铒光纤放大器、传感光纤、环形器依次线路连接，所述脉冲发生器分别连接至声光调制器和信号采集卡，信号采集卡与信号处理及显示单元线路连接。

作为进一步的优选方案，所述第一激光器和第二激光器均为波长和功率可调谐的激光器。

作为进一步的优选方案，所述传感光纤为空芯光子晶体光纤；传感光纤沿光纤长度方向设置有若干小孔，小孔为气体进入空芯光纤的通道，小孔的直径为约为1微米-10.0微米。

作为进一步的优选方案，所述第一光电探测器为平衡探测器，所述第二光电探测器和第三光电探测器为平衡探测器或PIN光电探测器。

一种分布式多参量光纤气体检测方法，包括下列步骤：第一激光器发出的激光信号经第一隔离器进入第一耦合器，第一耦合器将激光信号分成两束信号，第一束信号作为本振信号进入第二耦合器，第二束信号进入声光调制器，声光调制器将第二束信号调制成脉冲信号，且信号的频率产生频移，脉冲信号通过第一掺铒光纤放大器放大后进入环形器的#1端口，从环形器的#2端口输出进入传感光纤，在传感光纤中，脉冲信号光产生背向瑞利散射信号、拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号，背向瑞利散射信号、拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号通过环形器的#2端口进入环形器，从环形器的#3端口输出的背向瑞利散射信号、拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号进入波分复用器，波分复用器输出三路信号，其中一路信号与第一束激光信号在第二耦合器上耦合，从第二耦合器上耦合后输出的信号进入第一光电探测器后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡中，从波分复用器输出的另外两路信号分别进入第二光电探测器和第三光电探测器后转换成电信号，输出后的两路电信号进入信号采集卡，信号采集卡输出的一路信号进入到锁相放大器，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器，激光控制器的输出信号驱动第二激光器，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器进入第二掺铒光纤放大器，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器输出的信号，产生相位调制现象，从环形器的#2端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息以及传感光纤沿线上的温度信息，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息以及传感光纤沿线上的温度信息，脉冲发射器产生的脉冲电信号连接到声光调制器的电信号输入端驱动声光调制器工作，脉冲发射器输出的同步信号连接到信号采集卡的同步信号输入端以保持信号采集卡和声光调制器处在同步状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在空芯光子晶体光纤上利用飞秒加工技术制作小孔作为气体进入空芯光纤的通道，气体吸收泵浦激光信号产生调制现象，再利用探测激光信号在光纤中的背向瑞利散射检测泵浦信号产生调制现象的传感光纤沿线上的相位信息，实现传感光纤沿线上的气体浓度信息，通过检测反射的拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯信号，利用双路解调的方法获得传感光纤沿线上气体的温度信息，实现传感光纤沿线上气体浓度和温度信息的同时测量。检测装置系统结构简单、结果精确度高，仪器稳定性好。

附图说明

图1为本发明系统结构示意框图；

图2为传感光纤结构示意图；

图3为传感光纤沿线上的相位信息示意图；

图4为不同气体浓度情况下波长与测量信号电压关系示意图；

图5为光纤沿线上的斯托克斯和反斯托克斯信号功率分布示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

为了更了解本发明的技术内容，特举实施例并配合所附图式说明如下。

本发明系统结构上包括第一激光器200、第一隔离器201、第一耦合器202、声光调制器203、第一掺铒光纤放大器204、环形器205、传感光纤206、第二掺铒光纤放大器207、第二隔离器208、第二激光器209、激光控制器210、锁相放大器211、第二耦合器212、波分复用器213、第一光电探测器214、第二光电探测器215、第三光电探测器216、信号采集卡217、脉冲发生器218、信号处理及显示单元219。

第一激光器(窄线宽外腔可调谐激光器ECDL)发出的激光信号经第一隔离器进入第一耦合器，第一激光器为窄线宽外腔可调谐激光器ECDL，设置输出的检测信号波长为1556.60nm，输出功率为8dBm，第一耦合器将激光信号分成两束信号，第一束信号作为本振信号进入第二耦合器，第二束信号进入声光调制器，声光调制器为 Gooch&HouseGo M040-8J-F2S，固定频移为20MHz，脉冲发生器产生的脉冲电信号驱动声光调制器，脉冲发生器为Agilent 81110A，输出信号的频率为0-330MHz，声光调制器将第二束信号调制成脉冲信号，(声光调制器种类不同，频移不同，大约为100MHz)，设置脉冲宽度为200ns，脉冲信号通过第一掺铒光纤放大器放大后进入环形器#1端口，第一掺铒光纤放大器为KPS-BT2-C-30-PB-FA，输出功率范围为10-30dBm，设置输出功率为20dBm，脉冲信号从环形器#2端口输出进入传感光纤，传感光纤的结构如图2所示，传感光纤是650km的光子晶体光纤，利用飞秒加工技术在传感光纤上间隔50m制作一个圆孔，圆孔的直径为6.0微米，传感光纤放在有乙炔(C2H2)气体的环境中，在传感光纤中，脉冲信号产生背向瑞利散射信号、拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号，背向瑞利散射信号、拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号通过环形器#2端口进入环形器，从环形器#3端口输出的背向瑞利散射信号、拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号进入波分复用器，波分复用器输出三路信号，其中一路信号与第一束激光信号在第二耦合器上耦合，从第二耦合器上耦合后输出的信号进入第一光电探测器后转换成电信号，第一光电探测器为平衡探测器，其带宽为350MHz，电信号输入到信号采集卡中，从波分复用器输出的另外两路信号分别进入第二光电探测器和第三光电探测器后转换成电信号，第二光电探测器和第三光电探测器都是带宽为20MHz的APD探测器，输出后的两路电信号进入信号采集卡，信号采集卡输出的一路信号进入到锁相放大器，锁相放大器为SR865A Lock-In Amplifier，锁相放大器输出的信号连接到激光控制器，激光控制器的输出信号驱动第二激光器，第二激光器为DFB激光器，其中心波长为1527-1610nm，作为设置输出波长1530.371nm，输出功率为0dBm，从第二激光器输出的激光信号通过第二隔离器进入第二掺铒光纤放大器，第二掺铒光纤放大器为CEFA-C-BO-HP系列C波段高功率连续掺铒光纤放大器，输出功率设置为25dBm，经第二掺铒光纤放大器放大的信号进入传感光纤，在传感光纤中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器输出的信号，产生相位调制现象，从环形器#2端口输入到传感光纤中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息以及传感光纤沿线上的温度信息，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息以及传感光纤沿线上的温度信息，信号采集卡为DAQPCIE 9081，测量获得的传感光纤沿线上的相位信息如图3所示，从图3可以看出，在310m和1000m处有乙炔气体，测量气体的浓度信息如图4所示，从图4可以看出，乙炔气体的吸收峰为1530.371nm，随着气体浓度的增加，测量信号的强度在逐渐增加。测量光纤沿线上的斯托克斯和反斯托克斯信号功率分布如图5所示，从图5可以看出，随着传感光纤长度的增加，测量信号的强度在逐渐减小，斯托克斯信号的强度高于反斯托克斯信号，由于反斯托克斯信号对温度比较敏感，所以当传感光纤5.95km处的温度变化时，反斯托克斯信号的强度在变化，温度从350C-550C变化的曲线如图5中的小框所示。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式多参量光纤气体检测系统，其特征在于：包括第一激光器（200）、第一隔离器（201）、第一耦合器（202）、声光调制器（203）、第一掺铒光纤放大器（204）、环形器（205）、传感光纤（206）、第二掺铒光纤放大器（207）、第二隔离器（208）、第二激光器（209）、激光控制器（210）、锁相放大器（211）、第二耦合器（212）、波分复用器（213）、第一光电探测器（214）、第二光电探测器（215）、第三光电探测器（216）、信号采集卡（217）、脉冲发生器（218）、信号处理及显示单元（219）；所述第一激光器（200）、第一隔离器（201）、第一耦合器（202）依次线路连接，所述第一耦合器（202）分流连接至声光调制器（203）和第二耦合器（212），所述声光调制器（203）、第一掺铒光纤放大器（204）、环形器（205）依次连接，所述第二耦合器（212）连接第一光电探测器（214），第一光电探测器（214）连接至信号采集卡（217），所述环形器（205）连接至波分复用器（213），波分复用器（213）分别连接至第二耦合器（212）、第二光电探测器（215）、第三光电探测器（216），所述第二光电探测器（215）和第三光电探测器（216）分别连接至信号采集卡（217），所述信号采集卡（217）、锁相放大器（211）、激光控制器（210）、第二激光器（209）、第二隔离器（208）、第二掺铒光纤放大器（207）、传感光纤（206）、环形器（205）依次线路连接，所述脉冲发生器（218）分别连接至声光调制器（203）和信号采集卡（217），信号采集卡（217）与信号处理及显示单元（219）线路连接。

2.根据权利要求1所述的一种分布式多参量光纤气体检测系统，其特征在于：所述第一激光器（200）和第二激光器（209）均为波长和功率可调谐的激光器。

3.根据权利要求1所述的一种分布式多参量光纤气体检测系统，其特征在于：所述传感光纤（206）为空芯光子晶体光纤；传感光纤（206）沿光纤长度方向设置有若干小孔，小孔为气体进入空芯光纤的通道，小孔的直径为约为1微米-10.0微米。

4.根据权利要求1所述的一种分布式多参量光纤气体检测系统，其特征在于：所述第一光电探测器（214）为平衡探测器，所述第二光电探测器（215）和第三光电探测器（216）为平衡探测器或PIN光电探测器。

5.一种分布式多参量光纤气体检测方法，其特征在于，包括下列步骤：第一激光器（200）发出的激光信号经第一隔离器（201）进入第一耦合器（202），第一耦合器（202）将激光信号分成两束信号，第一束信号作为本振信号进入第二耦合器（212），第二束信号进入声光调制器（203），声光调制器（203）将第二束信号调制成脉冲信号，且信号的频率产生频移，脉冲信号通过第一掺铒光纤放大器（204）放大后进入环形器（205）的#1端口，从环形器（205）的#2端口输出进入传感光纤（206），在传感光纤（206）中，脉冲信号光产生背向瑞利散射信号、拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号，背向瑞利散射信号、拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号通过环形器（205）的#2端口进入环形器（205），从环形器（205）的#3端口输出的背向瑞利散射信号、拉曼斯托克斯信号和拉曼反斯托克斯信号进入波分复用器（213），波分复用器（213）输出三路信号，其中一路信号与第一束激光信号在第二耦合器（212）上耦合，从第二耦合器（212）上耦合后输出的信号进入第一光电探测器（214）后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡（217）中，从波分复用器（213）输出的另外两路信号分别进入第二光电探测器（215）和第三光电探测器（216）后转换成电信号，输出后的两路电信号进入信号采集卡（217），信号采集卡（217）输出的一路信号进入到锁相放大器（211），锁相放大器（211）输出的信号连接到激光控制器（210），激光控制器（210）的输出信号驱动第二激光器（209），从第二激光器（209）输出的激光信号通过第二隔离器（208）进入第二掺铒光纤放大器（207），经第二掺铒光纤放大器（207）放大的信号进入传感光纤（206），在传感光纤（206）中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器（207）输出的信号，产生相位调制现象，从环形器（205）的#2端口输入到传感光纤（206）中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息以及传感光纤（206）沿线上的温度信息，信号采集卡（217）输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元（219），获得传感光纤（206）沿线上的气体浓度信息以及传感光纤（206）沿线上的温度信息，脉冲发射（218）器产生的脉冲电信号连接到声光调制器（203）的电信号输入端驱动声光调制器（203）工作，脉冲发射器（218）输出的同步信号连接到信号采集卡（217）的同步信号输入端以保持信号采集卡（217）和声光调制器（203）处在同步状态。