CN201104243Y - 一种超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，利用光纤受激拉曼散射效应，光纤自发拉曼散射效应，光纤布里渊散射效应和光时域反射原理，巧妙地将分布式光纤拉曼光子温度传感器、分布式光纤布里渊光子应变传感器及分布式光纤拉曼放大器融合在一起。利用放大器的增益克服了光纤损耗，增强了光纤中自发拉曼散射光和布里渊散射光的强度，提高了分布式光纤拉曼光子温度传感器和分布式光纤布里渊光子应变传感器系统的信噪比，增大了分布式光纤拉曼光子温度传感器和分布式光纤布里渊光子应变传感器的传输距离，提高了温度和应变的测量精度。

Description

一种超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器

技术领域

本实用新型涉及超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

在分布式光纤传感器领域，国内外有利用光纤自发拉曼散射温度效应的分布式光纤拉曼光子温度传感器；国外有利用布里渊散射效应的分布式光纤应变、温度传感器(加拿大渥太华大学鲍晓毅Xiaoyi Bao，英国南安普敦大学Newson)，也有集成光纤拉曼放大器的分布式光纤布里渊应变、温度传感器(英国南安普敦大学Newson)。虽然分布式光纤布里渊光子传感器具有广阔的应用市场，但由于光纤布里渊散射的光谱带寬很窄，因此，利用光纤布里渊散射光的强度比来测量应变和温度的精度很低。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种有利于提高测量距离和温度、应变测量精度的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是：超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器包括分布式光纤拉曼光子温度传感器，分布式光纤布里渊光子应变传感器，分布式光纤拉曼放大器和100km单模光纤，分布式光纤拉曼光子温度传感器由半导体脉冲激光器、合波器、单向器、1x2光纤双向耦合器、光纤光栅窄带反射滤波器、波分复用器、反斯托克斯拉曼散射光滤波器、斯托克斯拉曼散射光滤波器和光电直接检测系统组成，分布式光纤布里渊光子应变传感器由外腔半导体窄带脉冲光纤激光器、分波器、第一窄带光纤光栅滤光器、第二窄带光纤光栅滤光器、环行器和相干检测系统组成，分布式光纤拉曼放大器由泵浦光纤激光器和泵浦-信号光纤耦合器组成；半导体脉冲激光器与合波器的一个输入端相连，外腔半导体窄带脉冲光纤激光器与分波器的输入端相连，分波器输出的激光分二路，其中，一路与合波器的另一个输入端相连，另一路经第二窄带光纤光栅滤光器与环行器的一个输入端相连，合波器输出的半导体脉冲激光器的激光和外腔半导体窄带脉冲光纤激光器的激光经单向器与泵浦-信号光纤耦合器的一个输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器的另一个输入端与泵浦光纤激光器相连，泵浦-信号光纤耦合器的输出端与1x2光纤双向耦合器的输入端相连，1x2光纤双向耦合器的一个输出端与100km单模光纤相连，光纤1x2双向耦合器的另一个输出端与光纤光栅窄带反射滤波器的输入端相连，光纤光栅窄带反射滤波器的输出端与波分复用器的输入端连接，波分复用器输出的光纤上各段的背向反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光分别经反斯托克斯拉曼散射光滤波器和斯托克斯拉曼散射光滤波器与光电直接检测系统相连，波分复用器输出的光纤上各段的背向布里渊散射光经过第一窄带光纤光栅滤光器与环行器的另一个输入端相连，由环行器将来自第一窄带光纤光栅滤光器的本地光和来自第二窄带光纤光栅滤光器的信号光进行拍频后输入相干检测系统。

工作原理如下：

半导体脉冲激光器，外腔半导体窄带脉冲光纤激光器和泵浦光纤激光器产生的激光经泵浦-信号光纤耦合器和1x2光纤双向耦合器耦合后输入100km单模光纤，100km单模光纤各段上产生的放大的背向瑞利散射光、背向布里渊散射光及斯托克斯和反斯托克斯背向拉曼散射光经1x2光纤双向耦合器输入到光纤光栅窄带反射滤波器，利用光纤光栅窄带反射滤波器抑制泵浦光纤激光器在100km单模光纤中产生的背向瑞利(Rayleigh)散射光，同时让100km单模光纤各段上产生的放大的自发拉曼散射光和布里渊散射光通过，并进入到光纤波分复用器。这里，泵浦光纤激光器与泵浦-信号光纤耦合器和100km单模光纤组合成一只增益可调的分布式光纤拉曼放大器，将光纤中传输的半导体脉冲激光器的激光和外腔半导体窄带脉冲光纤激光器的激光进行放大，同时增强了光纤上各段的背向自发拉曼散射光和背向布里渊散射光。波分复用器输出的光纤上各段的背向自发拉曼散射光分成两路，一路为反斯托克斯拉曼散射光，经过反斯托克斯散射光滤波器输入光电直接检测系统，另一路为斯托克斯拉曼散射光，经过斯托克斯拉曼散射光滤波器输入光电直接检测系统，由光电直接检测系统将测得的背向反斯托克斯拉曼散射光经光电转换，转换成电信号V_a，将测得的背向斯托光斯拉曼散射光经光电转换，转换成电信号V_s，通过测量两者的比值

从电信号的比值

与温度的关系(见式1)，可以得到光纤上各段处的温度，从而获得空间的温度场分布T。

$\frac{1}{T}=\frac{k}{\mathrm{h\Δv}}[\ln \frac{V_a\left(T\right)}{V_s\left(T\right)}+4\left(\frac{v_s}{v_a}\right)]-----------\left(1\right)$

v_a＝f₀+Δv

v_s＝v₀-Δv

式中k为波尔兹曼常数，h为普朗克常数，v_a、v_s分别为反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射频率，v₀为半导体脉冲激光器的激光，Δv为光纤分子振动能级的频率。

波分复用器输出的光纤上各段经应变、温度调制的的背向布里渊散射光经过第一窄带光纤光栅滤光器滤波，输出信号光至环行器，由环行器将信号光与通过分波器和第二窄带光纤光栅滤光器的外腔半导体窄带光纤激光器的本地光拍频，输入相干检测系统进行相干检测，测量布里渊散射光的频移量Δv，得到光纤各段的应变信息。光纤背向布里渊散射线的频移受到光纤应变和温度的调制，光纤上各段所受的应变和温度不同，它的布里渊散射光的频移量Δv也不同，

$\mathrm{\Δv}=\frac{2\mathrm{nv}}{{\mathrm{\λ}}_p}$

式中λ_p为外腔半导体窄带脉冲光纤激光器的激光波长，n为泵浦波长处光纤的折射率，v为光纤中弹性波的速度，光纤温度与应力的改变均能引起速度的变化。

100km单模光纤的自发拉曼散射光强度受到温度的调制，光纤上各段的温度不同，它的拉曼散射光强度也不同，因此可以利用光纤的自发拉曼散射温度效应和光纤时域反射(OTDR)原理来制造分布式光纤拉曼光子温度传感器，通过它来测量光纤上各段的温度，从而得知光纤所处空间的温度分布。

本实用新型通过分布式光纤拉曼光子温度传感器确定光纤上各段的温度，由分布式光纤布里渊光子应变传感器测量光纤各段的频移量来得到光纤上各段的应变，由光纤时域反射(OTDR)原理对各段光纤的位置进行定位，通过测量光纤上各段的应变得到光纤所处空间的应力分布。本实用新型中专门设置了光纤光栅窄带反射滤波器来抑制背向瑞利散射光，可以避免分布式光纤拉曼放大器泵浦光所引起的背向瑞利散射光影响光纤拉曼光子温度传感器的正常工作。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型利用分布式光纤拉曼放大器在光纤中产生光的放大，使分布式光纤拉曼光子温度传感器中半导体脉冲激光和分布式光纤布里渊光子应变传感器中的外腔半导体窄带脉冲光纤激光器不断地获得分布式光纤拉曼放大器的增益，由于放大器的增益克服了光纤损耗，同时增强了光纤上各段中背向自发拉曼散射光的强度和布里渊散射光，提高了分布式光纤拉曼光子温度传感器和分布式光纤布里渊光子应变传感器系统的信噪比，增大了分布式光纤拉曼光子温度传感器和分布式光纤布里渊光子应变传感器的传输距离，提高了温度和应变的测量精度。本实用新型巧妙地利用了光纤受激拉曼散射效应，光纤自发拉曼散射，光纤布里渊散射效应和光时域反射原理将分布式光纤拉曼放大器与分布式光纤拉曼温度传感器，分布式光纤布里渊光子应变传感器技术融合在一起，由光纤时域反射(OTDR)原理对各段光纤的位置进行定位，实现了超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器。

附图说明

图1是本实用新型的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器的构成示意图。

具体实施方式

参照图1，发明的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，包括分布式光纤拉曼光子温度传感器，分布式光纤布里渊光子应变传感器，分布式光纤拉曼放大器和100km单模光纤19，分布式光纤拉曼光子温度传感器由半导体脉冲激光器11、合波器14、单向器15、1x2光纤双向耦合器18、光纤光栅窄带反射滤波器20、波分复用器21、反斯托克斯散射光滤波器22、斯托克斯拉曼散射光滤波器23和光电直接检测系统24组成，分布式光纤布里渊光子应变传感器由外腔半导体窄带脉冲光纤激光器12、分波器13、第一窄带光纤光栅滤光器25、第二窄带光纤光栅滤光器26、环行器27和相干检测系统28组成，分布式光纤拉曼放大器由泵浦光纤激光器16和泵浦-信号光纤耦合器17组成；半导体脉冲激光器11与合波器14的一个输入端相连，外腔半导体窄带脉冲光纤激光器12与分波器13的输入端相连，分波器13输出的激光分二路，其中，一路与合波器14的另一个输入端相连，另一路经第二窄带光纤光栅滤光器26与环行器27的一个输入端相连，合波器14输出的半导体脉冲激光器的激光和外腔半导体窄带脉冲光纤激光器的激光经单向器15与泵浦-信号光纤耦合器17的一个输入端相连，泵浦光纤激光器16与泵浦-信号光纤耦合器17的另一个输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器17的输出端与1x2光纤双向耦合器18的输入端相连，1x2光纤双向耦合器18的一个输出端与100km单模光纤19相连，光纤1x2双向耦合器18的另一个输出端与光纤光栅窄带反射滤波器20的输入端相连，光纤光栅窄带反射滤波器20的输出端与波分复用器21的输入端连接，波分复用器21输出的光纤上各段的反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光分别经反斯托克斯散射光滤波器22和斯托克斯拉曼散射光滤波器23与光电直接检测系统24相连，波分复用器21输出的光纤上各段的背向布里渊散射光经过第一窄带光纤光栅滤光器25与环行器27的另一个输入端相连，由环行器27将来自第一窄带光纤光栅滤光器25的本地光和来自第二窄带光纤光栅滤光器26的信号光进行拍频后输入相干检测系统28。

本实用新型中，所说的半导体脉冲光纤激光器11可以采用脉冲宽度小于30ns，波长为1550nm的半导体法布利-白洛(FP)腔的高功率光纤激光器。

本实用新型中，所说的外腔半导体窄带脉冲光纤激光器12可以采用光谱寬度为10MHz，波长为1555nm的外腔半导体脉冲光纤激光器。

本实用新型中，所说的泵浦光纤激光器16可以采用波长为1455nm的高功率可调光纤拉曼激光器。

本实用新型中，所说的光纤光栅窄带反射滤波器20可以采用反射率＞99.5％、隔离度＞35dB的波长为1455nm、窄带光谱间隔为1nm的光纤光栅滤波器。

本实用新型中，所说的反斯托克斯拉曼散射波滤波器22可以采用波长为1450nm、带宽＞30nm、隔离度＞30dB的滤波器。

本实用新型中，所说的斯托克斯拉曼散射波的滤波器23可以采用波长为1660nm、带寬＞30nm、隔离度＞30dB的滤波器。

Claims (7)

1.一种超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是包括分布式光纤拉曼光子温度传感器，分布式光纤布里渊光子应变传感器，分布式光纤拉曼放大器和100km单模光纤(19)，分布式光纤拉曼光子温度传感器由半导体脉冲激光器(11)、合波器(14)、单向器(15)、1x2光纤双向耦合器(18)、光纤光栅窄带反射滤波器(20)、波分复用器(21)、反斯托克斯拉曼散射光滤波器(22)、斯托克斯拉曼散射光滤波器(23)和光电直接检测系统(24)组成，分布式光纤布里渊光子应变传感器由外腔半导体窄带脉冲光纤激光器(12)、分波器(13)、第一窄带光纤光栅滤光器(25)、第二窄带光纤光栅滤光器(26)、环行器(27)和相干检测系统(28)组成，分布式光纤拉曼放大器由泵浦光纤激光器(16)和泵浦-信号光纤耦合器(17)组成；半导体脉冲激光器(11)与合波器(14)的一个输入端相连，外腔半导体窄带脉冲光纤激光器(12)与分波器(13)的输入端相连，分波器(13)输出的激光分二路，其中，一路与合波器(14)的另一个输入端相连，另一路经第二窄带光纤光栅滤光器(26)与环行器(27)的一个输入端相连，合波器(14)输出的半导体脉冲激光器的激光和外腔半导体窄带脉冲光纤激光器的激光经单向器(15)与泵浦-信号光纤耦合器(17)的一个输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器(17)的另一个输入端与泵浦光纤激光器(16)相连，泵浦-信号光纤耦合器(17)的输出端与1x2光纤双向耦合器(18)的输入端相连，1x2光纤双向耦合器(18)的一个输出端与100km单模光纤(19)相连，光纤1x2双向耦合器(18)的另一个输出端与光纤光栅窄带反射滤波器(20)的输入端相连，光纤光栅窄带反射滤波器(20)的输出端与波分复用器(21)的输入端连接，波分复用器(21)输出的光纤上各段的背向反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光分别经反斯托克斯拉曼散射光滤波器(22)和斯托克斯拉曼散射光滤波器(23)与光电直接检测系统(24)相连，波分复用器(21)输出的光纤上各段的背向布里渊散射光经过第一窄带光纤光栅滤光器(25)与环行器(27)的另一个输入端相连，由环行器(27)将来自第一窄带光纤光栅滤光器(25)的本地光和来自第二窄带光纤光栅滤光器(26)的信号光进行拍频后输入相干检测系统(28)。

2.根据权利要求1所述的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于半导体脉冲光纤激光器(11)是脉冲宽度小于30ns，波长为1550nm的半导体法布利-白洛腔的高功率光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于外腔半导体窄带脉冲光纤激光器(12)是光谱寬度为10MHz，波长为1555nm的外腔半导体脉冲光纤激光器。

4.根据权利要求1所述的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于泵浦光纤激光器(16)是波长为1455nm的高功率可调光纤拉曼激光器。

5.根据权利要求1所述的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于光纤光栅窄带反射滤波器(20)是反射率＞99.5％、隔离度＞35dB的波长为1455nm、窄带光谱间隔为1nm的光纤光栅滤波器。

6.根据权利要求1所述的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于反斯托克斯拉曼散射波滤波器(22)是波长为1450nm、宽带＞30nm、隔离度＞30dB的滤波器。

7.根据权利要求1所述的超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于斯托克斯拉曼散射波的滤波器(23)是波长为1660nm、带寬＞30nm、隔离度＞30dB的滤波器。

Images