CN110967124A - 一种双波长多通道分布式光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长多通道分布式光纤测温系统，包括驱动电路、第一光源发生器、第二光源发生器、合波器、波分复用器、第一分波器、第二分波器、第一～第四滤波器、第一～第四光电传感器以及信号处理单元。本发明打破了当前分布式光纤测温系统空间分辨率与温度分辨率不可兼得的瓶颈，在保证更高的温度分辨率的同时实现更高的空间分辨率，大大提高了系统的测量精度。并且，本发明可以扩展更多通道，扩大测量范围，同时支持单模和多模尾纤。

Description

一种双波长多通道分布式光纤测温系统

技术领域

本发明属于光传感技术领域，特别涉及了一种分布式光纤测温系统。

背景技术

分布式光纤测温技术问世于上世纪70年代，短短四十年时间该技术不断完善趋于成熟，近年来批相关产品大面市，分布式光纤测温系统有着测量距离长、稳定性好、耐高温等优点。在智能电网、物联网等领域有着广泛应用。

目前比较成熟的分布式光纤测温产品采用的是光时域反射(OTDR)技术和拉曼(Raman)散射效应测量沿光纤分布的温度变化，激光脉冲沿光纤向前传输，激光与光纤介质相互作用，产生极为微弱的背向拉曼散射光，包括携带温度信息的反斯托克斯(anti-stokes)光和作为参考信号的斯托克斯(stokes)光，经波分复用器分离后由高灵敏光电探测器所探测，再经高速信号采集和微弱信号处理，采用双路解调法得到背向散射信号光的光强比值和返回时间，从而实时获得温度分布信息：

上式中，h为布朗克常量，Δυ为光纤分子振动频率，T₀为标定温度，k为玻尔兹曼常数，R(L)为测量温度下反斯托克斯波与斯托克斯波光强的比值，R₀(L)为标定温度下反斯托克斯波与斯托克斯波光强的比值。

目前国内外先进产品温度分辨率达到1℃，空间分辨率达到1m，能够满足消防预警、日常测温等需求，但特殊领域要求更高，仍然有很大的改进空间，如石化领域需要测温精度达到0.1℃，火灾频发的高危场合对空间分辨率要求达到0.1m。

传统分布式光纤测温系统由于其结构，温度分辨率和空间分辨率已经达到瓶颈。温度分辨率ΔT与系统信噪比P/N有关：

上式中，k为玻尔兹曼常数，T为系统温度，h为布朗克常量，c为光速，σ为波数，N为噪声功率，P为信号反斯托克斯波功率。系统要获得高温度分辨率，需要提高信噪比，需要增大脉冲功率，即增大脉冲宽度。

空间分辨率Δl与脉冲宽度t有关：

上式中，v为脉冲在光纤中传播速度。系统要获得高空间分辨率，需要减小脉冲宽度。

要达到0.1m的空间分辨率，脉冲宽度要降低到1ns左右，脉冲宽度过小无法保证温度分辨率，提高温度分辨率与提高空间分辨率是冲突的。

当前市场上的分布式光纤测温设备多为单通道，可连接四条传感光纤，受限于空间分辨率的要求，脉冲宽度小，功率小，不能扩展为多通道测量，限制了设备的测量范围。

当前电力、石油石化等行业会在光缆、管道等设备建设过程中提前敷设光缆备用，这些光缆在设备内部且无需重复敷设，是作为分布式测温系统传感光纤的最优选择，但这些光缆多为单模光纤，不适用与当前市场上的分布式光纤测温设备，这也是限制分布式光纤测温设备大规模应用的障碍。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种双波长多通道分布式光纤测温系统。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种双波长多通道分布式光纤测温系统，包括驱动电路、第一光源发生器、第二光源发生器、合波器、波分复用器、第一分波器、第二分波器、第一～第四滤波器、第一～第四光电传感器以及信号处理单元；信号处理单元经驱动电路分别向第一光源发生器和第二光源发生器发出驱动信号，第一光源发生器和第二光源发生器根据驱动信号产生波长不同且脉冲宽度不同的第一脉冲光信号和第二脉冲光信号，第一脉冲光信号和第二脉冲光信号经合波器合为一束光脉冲信号，再将该束光脉冲信号经波分复用器输入第一分波器中，第一分波器将输入的光脉冲信号分成与传感通道数量相等的光脉冲信号，每个传感通道配置一个光开关，信号处理单元输出驱动各光开关的控制信号，第一分波器输出的各光脉冲信号经光开关的控制，按顺序依次进入对应传感通道下的各条传感光纤，光脉冲信号在传感光纤中产生后向拉曼散射光，该后向拉曼光散射信号返回至波分复用器，并经波分复用器输入第二分波器中，第二分波器将输入的后向拉曼光散射信号分成4束光信号，这4束光信号分别经第一～第四滤波器得到第一脉冲光信号的斯托克斯光、第一脉冲光信号的反斯托克斯光、第二脉冲光信号的斯托克斯光和第二脉冲光信号的反斯托克斯光，再经第一～第四光电传感器转换为4路电信号并输入信号处理单元中，信号处理单元根据输入的电信号得到测量温度。

进一步地，在第一分波器的各输出端与对应的光开关之间设置波导，各波导的长度不同。

进一步地，所述光开关与对应的传感光纤之间设置单模多模转换模块。

进一步地，所述第一～第四光电传感器采用光电二极管。

进一步地，所述信号处理单元采用微控制器。

进一步地，信号处理单元根据接收到的电信号，计算第一脉冲光信号的斯托克斯光与第二脉冲光信号的斯托克斯光的光强差P_1-2 ^s以及第一脉冲光信号的反斯托克斯光与第二脉冲光信号的反斯托克斯光的光强差P_1-2 ^as，然后计算

最后根据下式计算测量温度T：

上式中，h为布朗克常量，Δυ为光纤分子振动频率，T₀为标定温度，k为玻尔兹曼常数，R₀(L)为标定温度下反斯托克斯波与斯托克斯波光强的比值。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本发明打破当前分布式光纤测温系统空间分辨率与温度分辨率不可兼得的瓶颈，保证更高温度分辨率的同时实现更高空间分辨率，大大提高系统的测量精度；

(2)本发明的测量通道更多，一台设备能够连接更多传感光纤，大大提高系统的测量范围；

(3)本发明采用单模多模转换模块，使系统的传感光纤既可以多模光纤也可以使用单模光纤，适用性更强，使用范围更广。

附图说明

图1是本发明系统结构框图；

图1中的标号说明：

1：第一光源发生器；2：第二光源发生器；3：合波器；4：波分复用器；5：第一分波器；6：光开关；7：传感光纤；8：单模多模转换模块；9：波导；10：第二分波器；11：滤波器；12：光电传感器；13：信号处理单元；14：驱动电路；

图2是本发明实施例中脉冲波形图；

图3是本发明实施例中后向拉曼散射强度图；

图4是本发明解码流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明设计了一种双波长多通道分布式光纤测温系统，如图1所示，包括驱动电路14、第一光源发生器1、第二光源发生器2、合波器3、波分复用器4、第一分波器5、第二分波器10、第一～第四滤波器11、第一～第四光电传感器12以及信号处理单元13。信号处理单元13经驱动电路14分别向第一光源发生器1和第二光源发生器2发出驱动信号，第一光源发生器1和第二光源发生器2根据驱动信号产生波长不同且脉冲宽度不同的第一脉冲光信号和第二脉冲光信号，第一脉冲光信号和第二脉冲光信号经合波器3合为一束光脉冲信号，再将该束光脉冲信号经波分复用器4输入第一分波器5中，第一分波器5将输入的光脉冲信号分成与传感通道数量相等的光脉冲信号，每个传感通道配置一个光开关6，信号处理单元13输出驱动各光开关6的控制信号，第一分波器5输出的各光脉冲信号经光开关6的控制，按顺序依次进入对应传感通道下的各条传感光纤7，光脉冲信号在传感光纤7中产生后向拉曼散射光，该后向拉曼光散射信号返回至波分复用器4，并经波分复用器4输入第二分波器10中，第二分波器10将输入的后向拉曼光散射信号分成4束光信号，这4束光信号分别经第一～第四滤波器11得到第一脉冲光信号的斯托克斯光、第一脉冲光信号的反斯托克斯光、第二脉冲光信号的斯托克斯光和第二脉冲光信号的反斯托克斯光，再经第一～第四光电传感器12转换为4路电信号并输入信号处理单元13中，信号处理单元13根据输入的电信号得到测量温度。

在本实施例中，在第一分波器5的各输出端与对应的光开关6之间设置波导9，各波导9的长度不同。所述光开关6与对应的传感光纤7之间设置单模多模转换模块8。所述第一～第四光电传感器12采用光电二极管。所述信号处理单元13采用微控制器。

下文通过一个具体实例来说明本发明的技术方案。

在双波长光纤测温系统中，信号处理单元通过驱动电路控制两个光源发生器，分别产生如图2中的(a)和(b)所示的两束波长(如λ₁＝1550nm，λ₂＝1310nm)不同、宽度(如t₁＝10ns，t₂＝9ns)相差很小的输入光脉冲，两束脉冲的差如图2中的(c)所示，该脉冲差是虚拟概念，并非真实存在的。两束光脉冲经过合波器后合为一束光脉冲，光脉冲中就包含了两种波长(λ₁，λ₂)的光。合成光脉冲经过波分复用器后，被第一分波器分成与通道数量相等的多束光脉冲，并分别进入各个通道。光脉冲进入各通道前都要经过不同长度的波导，不同长度的波导使光脉冲产生时间差，以此来区分不同通道的光脉冲。光脉冲进入通道后，在光开关的控制下，按顺序依次进入通道下的各条传感光纤。光脉冲在传感光纤中产生后向拉曼散射光，而后向拉曼散射光又包含反斯托克斯(anti-stokes)光和斯托克斯(stokes)光，由于光脉冲中含有两种波长(λ₁，λ₂)的光，因此产生的后向拉曼散射光就包含了四种不同波长的光，分别是脉冲1的反斯托克斯光λ₁ ^as和斯托克斯光λ₁ ^s以及脉冲2的反斯托克斯光λ₂ ^as和斯托克斯光λ₂ ^s。后向拉曼散射光返回经过波分复用器后，被第二分波器分成四束，分别通过不同的滤波器被分离为λ₁ ^as、λ₁ ^s、λ₂ ^as、λ₂ ^s四束光信号。分离后的光信号经过光电二极管(APD)转换为电信号，被信号处理单元采集处理。采集到的四束光信号的强度如图3所示，反斯托克斯光强度差如虚线P_1-2 ^as所示，斯托克斯光强度差如虚线P_1-2 ^s所示，P_1-2 ^as和P_1-2 ^s即可视为图2中(c)所示的两束输入光脉冲之差产生的反斯托克斯光强度和斯托克斯光强度。解码流程图如图4所示，采集得到后向拉曼散射光的强度后P₁ ^as、P₂ ^as、P₁ ^s、P₂ ^s，分别计算反斯托克斯光强度差P_1-2 ^as和斯托克斯光强度差P_1-2 ^s，得到二者比值R(L)，将R(L)带入前文背景技术中的式(1)中，即可计算得到温度。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双波长多通道分布式光纤测温系统，其特征在于：包括驱动电路、第一光源发生器、第二光源发生器、合波器、波分复用器、第一分波器、第二分波器、第一～第四滤波器、第一～第四光电传感器以及信号处理单元；信号处理单元经驱动电路分别向第一光源发生器和第二光源发生器发出驱动信号，第一光源发生器和第二光源发生器根据驱动信号产生波长不同且脉冲宽度不同的第一脉冲光信号和第二脉冲光信号，第一脉冲光信号和第二脉冲光信号经合波器合为一束光脉冲信号，再将该束光脉冲信号经波分复用器输入第一分波器中，第一分波器将输入的光脉冲信号分成与传感通道数量相等的光脉冲信号，每个传感通道配置一个光开关，信号处理单元输出驱动各光开关的控制信号，第一分波器输出的各光脉冲信号经光开关的控制，按顺序依次进入对应传感通道下的各条传感光纤，光脉冲信号在传感光纤中产生后向拉曼散射光，该后向拉曼光散射信号返回至波分复用器，并经波分复用器输入第二分波器中，第二分波器将输入的后向拉曼光散射信号分成4束光信号，这4束光信号分别经第一～第四滤波器得到第一脉冲光信号的斯托克斯光、第一脉冲光信号的反斯托克斯光、第二脉冲光信号的斯托克斯光和第二脉冲光信号的反斯托克斯光，再经第一～第四光电传感器转换为4路电信号并输入信号处理单元中，信号处理单元根据输入的电信号得到测量温度。

2.根据权利要求1所述双波长多通道分布式光纤测温系统，其特征在于：在第一分波器的各输出端与对应的光开关之间设置波导，各波导的长度不同。

3.根据权利要求1所述双波长多通道分布式光纤测温系统，其特征在于：所述光开关与对应的传感光纤之间设置单模多模转换模块。

4.根据权利要求1所述双波长多通道分布式光纤测温系统，其特征在于：所述第一～第四光电传感器采用光电二极管。

5.根据权利要求1所述双波长多通道分布式光纤测温系统，其特征在于：所述信号处理单元采用微控制器。

6.根据权利要求1所述双波长多通道分布式光纤测温系统，其特征在于：信号处理单元根据接收到的电信号，计算第一脉冲光信号的斯托克斯光与第二脉冲光信号的斯托克斯光的光强差P_1-2 ^s以及第一脉冲光信号的反斯托克斯光与第二脉冲光信号的反斯托克斯光的光强差P_1-2 ^as，然后计算

最后根据下式计算测量温度T：

上式中，h为布朗克常量，Δυ为光纤分子振动频率，T₀为标定温度，k为玻尔兹曼常数，R₀(L)为标定温度下反斯托克斯波与斯托克斯波光强的比值。

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