CN111900602B - 一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，包括脉冲激光器，脉冲激光器输出的脉冲激光经波分复用器、光纤布拉格光栅后进入到传感光纤中，在传感光纤中发生自发拉曼散射产生自发拉曼散射光；拉曼激光器输出的泵浦光经光隔离器后从传感光纤的另一端进入传感光纤，对传感光纤中的拉曼散射光进行随机放大，放大后的拉曼散射光经波分复用器、光滤波器后被光电探测器探测，光电探测器输出的电信号经高速数据采集卡采集后发送至计算机。本发明可有效延长分布式拉曼传感距离，可以广泛应用于分布式光纤传感领域。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置。
背景技术
分布式光纤传感技术由于其具有监测距离长、空间分辨率高、响应时间快、抗电磁干扰能力强等优点，被广泛应用于石油工业、电力系统、土木工程、航空航天、军事工业等领域。
目前，基于光纤的分布式传感技术主要分为分布式光纤布里渊传感技术和分布式光纤拉曼传感技术。其中，分布式光纤布里渊传感技术是基于光纤中光信号的频率受光纤沿线温度信息的调制，当外界温度发生变化时，系统根据布里渊频移量监测系统温度的变化，但传感距离相对较短（中国发明专利：CN201910477926.2）。分布式光纤拉曼传感技术是利用光时域反射原理结合拉曼散射光的温度效应实现对光纤沿线的分布式温度测量。结构相对于分布式光纤布里渊传感技术较为简单，然而由于带宽限制以及声子寿命影响，空间分辨率的提高限制传感距离。
基于此，为了解决分布式拉曼传感技术传感距离较短的问题，需要对现有的分布式拉曼传感系统进行改进，以延长系统的传感距离，显著提高系统的传感能力。
发明内容
为了克服分布式拉曼传感技术传感距离较短的问题，本发明公开了一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，利用随机光纤激光器对拉曼散射光进行放大，延长传感距离，显著提高分布式拉曼传感系统的传感能力。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，包括脉冲激光器、波分复用器、光纤布拉格光栅、传感光纤、光隔离器、拉曼激光器、光滤波器、光电探测器、高速数据采集卡和计算机；
所述脉冲激光器输出的脉冲激光经波分复用器、光纤布拉格光栅后进入到所述传感光纤中，在传感光纤中发生自发拉曼散射产生自发拉曼散射光；拉曼激光器输出的泵浦光经所述光隔离器后从传感光纤的另一端进入所述传感光纤；光纤布拉格光栅、传感光纤、光隔离器、拉曼激光器组成随机光纤激光器，随机光纤激光器用于对传感光纤中的拉曼散射光进行随机放大，放大后的拉曼散射光经波分复用器、光滤波器后被光电探测器探测，光电探测器输出的电信号经高速数据采集卡采集后发送至计算机，光纤布拉格光栅用于对剩余泵浦光进行反射，使其返回随机激光器继续参与拉曼散射光的放大过程。
所述拉曼激光器输出的泵浦光波长比所述脉冲激光器输出的光波长小180nm~220nm，所述光纤布拉格光栅的中心反射波长等于所述拉曼激光器输出的泵浦光波长，其靠近所述传感光纤的一侧的反射率大于90%。
所述传感光纤长为60km。
所述脉冲激光器输出的光波长为1550 nm，所述拉曼激光器输出泵浦光的中心波长为1365nm，所述光纤布拉格光栅的中心反射波长为1365nm，其靠近所述传感光纤的一侧的反射率为95%。
所述波分复用器的波长为：左：1550nm/1450nm；右：1450nm。
所述计算机用于根据所述光电探测器输出的电信号，进行时序分析，解调得到传感光纤沿线的温度信息。
所述计算机解调得到传感光纤沿线的温度信息的计算公式为：
其中，T表示传感光纤中L处的温度，
温度为T时传感光纤中L处测量得到的拉曼背向散射光的强度，
表示温度为
时传感光纤中L处的拉曼背向散射光的强度，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为传感光纤的拉曼频移量。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明实施例提供了一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，其通过随机光纤激光器结构，可放大自发拉曼散射光信号的光功率，延长传感距离。而且，随机光纤激光器中的光纤布拉格光栅的存在，在提高泵浦利用率的同时进一步对光功率放大，使得输出信号信噪比较高，进一步延长传感距离。因此，本发明可有效延长分布式拉曼传感距离，可达到60km。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置的结构示意图。
图中：1-脉冲激光器、2-波分复用器、3-光纤布拉格光栅、4-传感光纤、5-光隔离器、6-拉曼激光器、7-光滤波器、8-光电探测器、9-高速数据采集卡、10-计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
如图1所示，本发明实施例提出了一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，包括脉冲激光器1、波分复用器2、光纤布拉格光栅3、传感光纤4、光隔离器5、拉曼激光器6、光滤波器7、光电探测器8、高速数据采集卡9和计算机10；所述脉冲激光器1输出的脉冲激光经波分复用器2、光纤布拉格光栅3后进入到所述传感光纤4中，在传感光纤4中发生自发拉曼散射产生自发拉曼散射光；拉曼激光器6输出的泵浦光经所述光隔离器5后从传感光纤4的另一端进入所述传感光纤4；光纤布拉格光栅3、传感光纤4、光隔离器5、拉曼激光器6组成随机光纤激光器，随机光纤激光器用于对传感光纤4中的拉曼散射光进行随机放大，放大后的拉曼散射光经波分复用器2、光滤波器7后被光电探测器8探测，光电探测器8输出的电信号经高速数据采集卡9采集后发送至计算机10。光纤布拉格光栅3用于对剩余泵浦光进行反射，使其返回随机激光器继续参与拉曼散射光的放大过程。
具体地，本实施例中，所述脉冲激光器1输出的光波长为1550nm，所述拉曼激光器6输出泵浦光的中心波长为1365nm，所述光纤布拉格光栅3的中心反射波长为1365nm，其靠近所述传感光纤4的一侧的反射率为95%。所述波分复用器2的波长为：左：1550nm/1450nm；右：1450nm。其中，所述波分复用器2的左1550nm端口连接所述脉冲激光器1，左1450nm端口连接所述光滤波器7，右1450nm端口连接所述光纤布拉格光栅，通过波分复用器2，可以实现1550nm脉冲激光至传感光纤4中的传输，还可以实现传感光纤中1450nm的拉曼激光的输出及探测。进一步地，本实施例中，所述传感光纤4长为60km，可以实现长距离的温度传感。
进一步地，本实施例中，所述脉冲激光器1输出激光波长也可以为其它值，但是，拉曼激光器6的中心波长应比所述脉冲激光器1中心波长小180~220nm，也就是说，拉曼激光器6的波长应该比传感光纤中的脉冲激光产生的拉曼反斯托克斯光的波长小80~120nm，以满足随机光纤激光器的波长要求，进而对传感光纤4中的拉曼反斯托克斯光进行随机放大。此外，本实施例中，所述光纤布拉格光栅3中心反射波长等于所述拉曼激光器6的中心波长，且其靠近所述传感光纤4一侧的反射率大于90%。则光纤布拉格光栅3可以对拉曼激光器6输出的剩余泵浦激光进行反射，使其返回随机激光器继续参与脉冲激光放大过程。
本实施例中，所述计算机10用于根据所述光电探测器8输出的电信号，进行相关峰分析，解调得到传感光纤4沿线的温度信息。高速数据采集卡9的采样率为100MHz。
根据受激拉曼散射理论，有如下关系式：
其中，E（ω p ，z）, E（ω s ，z）分别表示拉曼激光器6输出光的强度（泵浦光强度）和拉曼激光器6输出的泵浦光与种子光的强度之间的差值（即斯托克斯光强度）；ω p ，ω s 分别表示泵浦光频率和斯托克斯光频率；n p ，n s 分别表示泵浦光对应的折射率和斯托克斯光对应的折射率；z表示光纤长度；χ（ω s ）表示极化率；λ表示波长；g表示增益；i表示虚数；整个式子实部反映相位变化，虚部反映强度变化。
表示介电常数：c表示光速；
表示光波的频率宽度；
表示任一光的频率；
表示光波的波长宽度。联立计算式（1）~（5），得到：拉曼激光器6中心波长比种子光中心波长小100 nm为最优解；因此，本实施例中，拉曼激光器6的波长比传感光纤中的脉冲激光产生的拉曼反斯托克斯光的波长小80~120nm，可以对脉冲激光产生的拉曼反斯托克斯光进行随机放大。
根据光纤中的光传播理论，有：
其中，P（z）表示沿着光纤光功率的变化；P 0 表示输入光纤的功率；α p 表示输入光纤光功率的衰减；z表示光纤的长度；α表示整个光纤造成的衰减。联立（4）、（6）、（7），结合最后需要的的功率输出范围，可以计算得到传感光纤4长度的最优解。本实施例中，传感光纤的长为60km也可以实现输出脉冲激光产生的拉曼反斯托克斯光放大输出与探测，增加了分布式拉曼光纤传感装置的传感距离。
本发明的长距离分布式拉曼传感装置的工作原理如下：
脉冲激光器1输出波长为1550nm的脉冲激光通过波分复用器2进入虚线框区域所示的随机光纤激光器中，透过光纤布拉格光栅3在传感光纤4中发生自发拉曼散射效应，产生自发拉曼散射光。
其中，中心波长为1450nm的自发拉曼散射光在虚线框中，被随机光纤激光器放大。具体地，拉曼激光器6输出中心波长为1365nm的泵浦光经光隔离器5到达传感光纤4，与中心波长为1450nm的自发拉曼散射光相互作用，中心波长为1450nm的自发拉曼散射光实现放大。而剩余的中心波长为1365nm的泵浦光被光纤布拉格光栅3反射，继续参与放大过程。
放大后的自发拉曼散射光透过光纤布拉格光栅3，经过波分复用器2后进入光滤波器7，滤出其中中心波长为1450nm的光进入光电探测器8，将光信号转为电信号后用到达高速数据采集卡9对电信号进行显示、处理，输入到计算机10进行数据分析。
具体解调温度过程如下：
将传感光纤4保持在已知温度T 0 下，测得此时传感光纤4中L点的中心波长为1450nm的拉曼背向散射光的强度
为：
任意温度T下，L点处的中心波长为1450nm的拉曼背向散射光的强度
可以表示为：
将公式（9）和公式（10）作比较，可以解调出传感光纤中L点的温度信息：
其中，Kas为与光纤散射端截面有关的系数，S为光纤的背向散射因子，v as 为中心波长是1450 nm自发拉曼散射光的频率，Φe表示耦合进入光纤的脉冲激光光通量，Ras（T0）和Ras（T）为与光纤分子低能级和高能级上的分布有关的系数，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为光纤的拉曼频移量为13.2 THz，α0、αs分别为入射光、中心波长是1450 nm自发拉曼散射光光在光纤单位长度下的衰减系数，L表示传感光纤中的位置。因此，计算单元通过公式（10），可以解调得到传感光纤4沿线的温度。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，其通过随机光纤激光器结构，可放大自发拉曼散射光信号的光功率，延长传感距离。而且，随机光纤激光器中的光纤布拉格光栅的存在，在提高泵浦利用率的同时进一步对光功率放大，使得输出信号信噪比较高，进一步延长传感距离。因此，本发明可有效延长分布式拉曼传感距离，可达到60km。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，其特征在于，包括脉冲激光器（1）、波分复用器（2）、光纤布拉格光栅（3）、传感光纤（4）、光隔离器（5）、拉曼激光器（6）、光滤波器（7）、光电探测器（8）、高速数据采集卡（9）和计算机（10）；
所述脉冲激光器（1）输出的脉冲激光经波分复用器（2）、光纤布拉格光栅（3）后进入到所述传感光纤（4）中，在传感光纤（4）中发生自发拉曼散射产生自发拉曼散射光；拉曼激光器（6）输出的泵浦光经所述光隔离器（5）后从传感光纤（4）的另一端进入所述传感光纤（4）；光纤布拉格光栅（3）、传感光纤（4）、光隔离器（5）、拉曼激光器（6）组成随机光纤激光器，随机光纤激光器用于对传感光纤（4）中的拉曼散射光进行随机放大，放大后的拉曼散射光经波分复用器（2）、光滤波器（7）后被第一光电探测器（8）探测，第一光电探测器（8）输出的电信号经高速数据采集卡（9）采集后发送至计算机（10）；光纤布拉格光栅（3）的中心反射波长等于所述拉曼激光器（6）输出的泵浦光波长，用于对剩余泵浦光进行反射，使其返回随机激光器继续参与拉曼散射光的放大过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，其特征在于，所述拉曼激光器（6）输出的泵浦光波长比所述脉冲激光器（1）输出的光波长小180nm~220nm，所述光纤布拉格光栅（3）靠近所述传感光纤（4）的一侧的反射率大于90%。
3.根据权利要求1所述的一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，其特征在于，所述传感光纤（4）长为60km。
4.根据权利要求1所述的一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，其特征在于，所述脉冲激光器（1）输出的光波长为1550nm，所述拉曼激光器（6）输出泵浦光的中心波长为1365nm，所述光纤布拉格光栅（3）的中心反射波长为1365nm，其靠近所述传感光纤（4）的一侧的反射率为95%。
5.根据权利要求4所述的一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，其特征在于，所述波分复用器的波长为：左：1550nm/1450nm；右：1450nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，其特征在于，所述计算机（10）用于根据所述光电探测器（8）输出的电信号，进行时序分析，解调得到传感光纤（4）沿线的温度信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于随机光纤激光器的长距离分布式拉曼传感装置，其特征在于，所述计算机（10）解调得到传感光纤（4）沿线的温度信息的计算公式为：
其中，T表示传感光纤中L处的温度，
温度为T时传感光纤中L处测量得到的拉曼背向散射光的强度，
表示温度为
时传感光纤中L处的拉曼背向散射光的强度，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为传感光纤的拉曼频移量。
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2020
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