CN112595436A - 一种自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，包括第二激光器、第三雪崩光学二极管、第四雪崩光学二极管、第二准直器、第五薄膜光学滤波片、第六薄膜光学滤波片、光学反射镜、所述第五薄膜光学滤波片、所述第六薄膜光学滤波片、所述第七薄膜光学滤波片、所述光学反射镜均相互平行，本发明采用自由空间技术，利用分离的薄膜光学滤波片和一个独立的1.密封空间，通过空气进行光信号传输；本发明去掉了光纤联级的介质后，直接通过空气传播光信号，光学信号的损耗大大降低，信号更好、传输速度快，与传统分布式光纤温度传感器系统所采用的光纤联级不同，节省空间，由半导体制冷器提供恒温，提高系统的稳定性和可靠性。

Description

一种自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器

技术领域

本发明涉及光通讯技术领域，具体涉及一种自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器。

背景技术

分布式光纤温度传感器系统是利用光纤背向拉曼散射的温度效应，光纤所处空间各点的温度场调制光纤中的背向拉曼散射的光强度，通过检测光纤上每一点的光强度变化实现连续监测光纤上任意一点的温度变化，并对温度场进行定位的。

现有的分布式光纤温度传感器系统包括激光发生器、带双向耦合器的光纤、光波分复用器，二个雪崩光电二极管，二个放大器，信号采集卡和计算机，工作时激光发生器发出的光脉冲进入带双向耦合器的光纤，光纤输出的背向散射光的回波通道分二路，其一路经光波分复用器分离出喇曼背向散射光再进入雪崩光电二极管，另一路作为瑞利背向散射光进入雪崩光电二极管，上述两个雪崩光电二极管各自对喇曼散射光和瑞利散射光进行光电转换后的输出信号分别输入放大器，放大器的输出端与信号采集卡的输入端相连，信号采集卡的输出端与计算机相连。

现有的技术中激光的传播全部要通过光纤联级，所有的光学器件都必须连接光纤，每个光学器件就需要配套2个光学准直器来把激光耦合进光路。成本高，结构复杂，耦合效率低，损耗大，传输速度低、可靠性不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，解决背景技术中提出的至少一个技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，包括第二激光器、第三雪崩光学二极管、第四雪崩光学二极管，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括：

第二准直器，所述第二准直器的一端相对所述第二激光器的发射端布置，所述第二准直器的光路与所述第二激光器的光路均位于第二直线，所述第二准直器的另一端与光纤连接；

第五薄膜光学滤波片，所述第五薄膜光学滤波片设置于所述第二激光器的发射端与所述第二准直器之间，并且所述第五薄膜光学滤波片与所述第二直线呈夹角布置，所述第五薄膜光学滤波片透射所述第二激光器的入射光，反射反斯托克斯光和斯托克斯光，截止除反斯托克斯光、斯托克斯光和所述第二激光器的入射光的其他波长的光；

第六薄膜光学滤波片，所述第六薄膜光学滤波片设置于所述第五薄膜光学滤波片的反射光的光路上，并且所述第五薄膜光学滤波片的反射光穿过所述六薄膜光学滤波片后被所述第三雪崩光学二极管的光线接收端接收，所述第六薄膜光学滤波片反射斯托克斯光与反斯托克斯光二者中的一种光，所述第六薄膜光学滤波片透射斯托克斯光与反斯托克斯光二者中的另一种光；

光学反射镜，所述光学反射镜相对所述第六薄膜光学滤波片布置，并将所述第六薄膜光学滤波片的反射光反射至所述第四雪崩光学二极管的光线接收端，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括第七薄膜光学滤波片，所述第七薄膜光学滤波片设置于所述第四雪崩光学二极管与所述光学反射镜之间，所述第七薄膜光学滤波片仅透射所述第六薄膜光学滤波片的反射光，所述第五薄膜光学滤波片、所述第六薄膜光学滤波片、所述第七薄膜光学滤波片、所述光学反射镜均相互平行。

进一步的，所述第六薄膜光学滤波片反射的斯托克斯光/反斯托克斯光与所述第二直线平行。

进一步的，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括第二折射腔，所述第五薄膜光学滤波片、第六薄膜光学滤波片、第七薄膜光学滤波片、光学反射镜的反射光均位于所述第二折射腔内，所述第二折射腔内充有保护气体。

进一步的，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括第二金属外壳，所述第二折射腔为所述第二金属外壳的内腔。

进一步的，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括给所述第二金属外壳控温的第二制冷器。

进一步的，所述第二制冷器为半导体制冷器。

进一步的，所述保护气体为惰性气体或氮气。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

激光驱动电路驱动第二激光器发出的激光脉冲信号经过第五薄膜光学滤波器、第二准直器进入光纤（测温光纤），沿测温光纤向前传播，光纤输出的背向散射光的回波，沿原路返回，通过第二准直器到达第五薄膜光学滤波片，被第五薄膜光学滤波片反射到第六薄膜光学滤波片，经第六薄膜光学滤波片光学滤波（为了便于讲解原理，此处选取的第六薄膜光学滤波片透射反斯托克斯光、反射斯托克斯光），分离出带有温度信息的反斯托克斯喇曼背向散射光，再经第三雪崩光电二极管将光信号转换成电信号，该电信号又由下端的信号放大电路放大后输入信号采集卡，这是反斯托克斯通道，另一部分光被经第六光学薄膜滤波片反射到光学反射镜，经光学反射镜反射至第七薄膜光学滤波片光学滤波，分离出斯托克斯喇曼背向散射光，进入第四雪崩光电二极管，将光信号转换成电信号，该电信号又由下端的信号放大电路放大后输入信号采集卡，这是斯托克斯通道，信号采集卡对来自二个雪崩光电二极管的反斯托克斯和斯托克斯信号进行采集累加后传送给计算机，由计算机软件对采集到的数据进行运算处理，即可得到光纤上任一点的温度和空间温度场的分布，第二金属外壳紧贴半导体制冷器，由半导体制冷器提供恒温；

与现有技术中的分布式光纤拉曼温度传感器相比，存在以下优点：

1、本发明采用自由空间技术，利用分离的薄膜光学滤波片和一个独立的密封空间，通过气体进行光信号传输；

2、现有技术中的分布式光纤拉曼温度传感器的光纤联级的方式必须通过光学准直器把激光耦合进光纤里面，耦合部位和准直器较多，耦合效率低，通过光纤传输光信号，损耗大。本发明去掉了光纤联级的介质后，直接通过空气传播光信号，光学信号的损耗大大降低，信号更好、传输速度快；

3、由于采用自由空间技术的平行光路联级，与传统分布式光纤温度传感器系统所采用的光纤联级不同，从而节省了很大的空间；

4、很小的密封空间（第一折射腔/第二折射腔）由金属材料合围形成，具体采用铜、钢、铁、铝合金，下方紧贴半导体制冷器，由半导体制冷器提供恒温，功耗小，让所有光学器件全部工作在25度的最佳工作温度，彻底解决了全部光学系统的温度漂移问题，有效地减小雪崩光电二极管的暗噪声，提高系统的稳定性和可靠性。

5、该方案中两个雪崩光学二极管的位置布局集成度更高，更便于连接两个雪崩光学的电路板的设计,同时所述第五薄膜光学滤波片、所述第六薄膜光学滤波片、所述第七薄膜光学滤波片、所述光学反射镜均相互平行，更加便于光路的耦合，并且不易产生反射杂光干扰，巧妙的将所述第五薄膜光学滤波片、所述第六薄膜光学滤波片、所述第七薄膜光学滤波片、所述光学反射镜相互平行设置，采用四个相互平行的滤波片，实现光路的依次串联折射，将需要采集的光波依次透射采集、使得光强依次降低，更加便于光路的耦合，由于没有相互呈倾角的反射部及折射部，从而最大限度避免了产生杂光干扰，大大降低了斯托克斯光与反斯托克斯光检测误差干扰。

附图说明

图1是本发明提供的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实施例还提供了一种自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，包括第二激光器a2、第三雪崩光学二极管b3、第四雪崩光学二极管b4，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括：

第二准直器c2，所述第二准直器c2的一端相对所述第二激光器a2的发射端布置，所述第二准直器c2的光路与所述第二激光器a2的光路均位于第二直线，所述第二准直器c2的另一端与光纤e2连接；

第五薄膜光学滤波片d5，所述第五薄膜光学滤波片d5设置于所述第二激光器a2的发射端与所述第二准直器c2之间，并且所述第五薄膜光学滤波片d5与所述第二直线呈夹角布置，所述第五薄膜光学滤波片d5透射所述第二激光器a2的入射光，反射反斯托克斯光和斯托克斯光，截止除反斯托克斯光、斯托克斯光和所述第二激光器a2的入射光的其他波长的光；

第六薄膜光学滤波片d6，所述第六薄膜光学滤波片d6设置于所述第五薄膜光学滤波片d5的反射光的光路上，并且所述第五薄膜光学滤波片的d5反射光穿过所述六薄膜光学滤波片d6后被所述第三雪崩光学二极管b3的光线接收端接收，所述第六薄膜光学滤波片d6反射斯托克斯光与反斯托克斯光二者中的一种光，所述第六薄膜光学滤波片d6透射斯托克斯光与反斯托克斯光二者中的另一种光；

光学反射镜，所述光学反射镜f相对所述第六薄膜光学滤波片d6布置，并将所述第六薄膜光学滤波片d6的反射光反射至所述第四雪崩光学二极管b4的光线接收端。

所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括第七薄膜光学滤波片d7，所述第七薄膜光学滤波片d7设置于所述第四雪崩光学二极管b4与所述光学反射镜f之间，所述第七薄膜光学滤波片d7仅透射所述第六薄膜光学滤波片d6的反射光，所述第五薄膜光学滤波片、所述第六薄膜光学滤波片、所述第七薄膜光学滤波片、所述光学反射镜均相互平行。

所述第六薄膜光学滤波片d6反射的斯托克斯光/反斯托克斯光与所述第二直线平行。

所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括第二折射腔21，所述第五薄膜光学滤波片d5、第六薄膜光学滤波片d6、第七薄膜光学滤波片d7、光学反射镜f的反射光均位于所述第二折射腔21内，所述第二折射腔21内充有保护气体。

所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括第二金属外壳20，所述第二折射腔21为所述第二金属外壳20的内腔。

所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括给所述第二金属外壳20控温的第二制冷器。

所述第二制冷器为半导体制冷器。

所述保护气体为惰性气体，所述保护气体也可以选用氮气。

工作原理：激光驱动电路驱动第二激光器a2发出的激光脉冲信号经过第五薄膜光学滤波片d5、第二准直器c2进入光纤e2（测温光纤），沿测温光纤向前传播，光纤输出的背向散射光的回波，沿原路返回，通过第二准直器c2到达第五薄膜光学滤波片d5，被第五薄膜光学滤波片d5反射到第六薄膜光学滤波片d6，经第六薄膜光学滤波片d6光学滤波（为了便于讲解原理，此处选取的第六薄膜光学滤波片d6透射反斯托克斯光、反射斯托克斯光），分离出带有温度信息的反斯托克斯喇曼背向散射光，再经第三雪崩光电二极管b3将光信号转换成电信号，该电信号又由下端的信号放大电路放大后输入信号采集卡，这是反斯托克斯通道，另一部分光被经第六光学薄膜滤波片d6反射到光学反射镜f，经光学反射镜f反射至第七薄膜光学滤波片d7光学滤波，分离出斯托克斯喇曼背向散射光，进入第四雪崩光电二极管b4，将光信号转换成电信号，该电信号又由下端的信号放大电路放大后输入信号采集卡，这是斯托克斯通道，信号采集卡对来自二个雪崩光电二极管的反斯托克斯和斯托克斯信号进行采集累加后传送给计算机，由计算机软件对采集到的数据进行运算处理，即可得到光纤上任一点的温度和空间温度场的分布，第二金属外壳20紧贴半导体制冷器，由半导体制冷器提供恒温；

与现有技术中的分布式光纤拉曼温度传感器相比，存在以下优点：

1、本发明采用自由空间技术，利用分离的薄膜光学滤波片和一个独立的密封空间进行光信号传输；

2、现有技术中的分布式光纤拉曼温度传感器的光纤联级的方式必须通过光学准直器把激光耦合进光路里面，耦合部位和准直器较多，耦合效率低，损耗大。本发明去掉了光纤联级的介质后，光学信号的损耗大大降低，信号更好、传输速度快；

3、由于采用自由空间技术的平行光路联级，与传统分布式光纤温度传感器系统所采用的光纤联级不同，从而节省了很大的空间；

4、很小的密封空间（第一折射腔/第二折射腔）由金属材料合围形成，具体采用铜、钢、铁、铝合金，下方紧贴半导体制冷器，由半导体制冷器提供恒温，功耗小，让所有光学器件全部工作在25度的最佳工作温度，彻底解决了全部光学系统的温度漂移问题，有效地减小雪崩光电二极管的暗噪声，提高系统的稳定性和可靠性。

5、该方案中两个雪崩光学二极管的位置布局集成度更高，更便于连接两个雪崩光学的电路板的设计,同时所述第五薄膜光学滤波片、所述第六薄膜光学滤波片、所述第七薄膜光学滤波片、所述光学反射镜均相互平行，更加便于光路的耦合，并且不易产生反射杂光干扰，巧妙的将所述第五薄膜光学滤波片、所述第六薄膜光学滤波片、所述第七薄膜光学滤波片、所述光学反射镜相互平行设置，采用四个相互平行的滤波片，实现光路的依次串联折射，将需要采集的光波依次透射采集、使得光强依次降低，更加便于光路的耦合，由于没有相互呈倾角的反射部及折射部，从而最大限度避免了产生杂光干扰，大大降低了斯托克斯光与反斯托克斯光检测误差干扰。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，包括第二激光器、第三雪崩光学二极管、第四雪崩光学二极管，其特征在于，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括：

第二准直器，所述第二准直器的一端相对所述第二激光器的发射端布置，所述第二准直器的光路与所述第二激光器的光路均位于第二直线，所述第二准直器的另一端与光纤连接；

第五薄膜光学滤波片，所述第五薄膜光学滤波片设置于所述第二激光器的发射端与所述第二准直器之间，并且所述第五薄膜光学滤波片与所述第二直线呈夹角布置，所述第五薄膜光学滤波片透射所述第二激光器的入射光，反射反斯托克斯光和斯托克斯光，截止除反斯托克斯光、斯托克斯光和所述第二激光器的入射光的其他波长的光；

第六薄膜光学滤波片，所述第六薄膜光学滤波片设置于所述第五薄膜光学滤波片的反射光的光路上，并且所述第五薄膜光学滤波片的反射光穿过所述六薄膜光学滤波片后被所述第三雪崩光学二极管的光线接收端接收，所述第六薄膜光学滤波片反射斯托克斯光与反斯托克斯光二者中的一种光，所述第六薄膜光学滤波片透射斯托克斯光与反斯托克斯光二者中的另一种光；

光学反射镜，所述光学反射镜相对所述第六薄膜光学滤波片布置，并将所述第六薄膜光学滤波片的反射光反射至所述第四雪崩光学二极管的光线接收端，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括第七薄膜光学滤波片，所述第七薄膜光学滤波片设置于所述第四雪崩光学二极管与所述光学反射镜之间，所述第七薄膜光学滤波片仅透射所述第六薄膜光学滤波片的反射光，所述第五薄膜光学滤波片、所述第六薄膜光学滤波片、所述第七薄膜光学滤波片、所述光学反射镜均相互平行。

2.根据权利要求1所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于，所述第六薄膜光学滤波片反射的斯托克斯光/反斯托克斯光与所述第二直线平行。

3.根据权利要求1所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括第二折射腔，所述第五薄膜光学滤波片、第六薄膜光学滤波片、第七薄膜光学滤波片、光学反射镜的反射光均位于所述第二折射腔内，所述第二折射腔内充有保护气体。

4.根据权利要求1所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括第二金属外壳，所述第二折射腔为所述第二金属外壳的内腔。

5.根据权利要求4所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于，所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器还包括给所述第二金属外壳控温的第二制冷器。

6.根据权利要求5所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于，所述第二制冷器为半导体制冷器。

7.根据权利要求3所述的自由空间型分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于，所述保护气体为惰性气体或氮气。

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