CN201637507U - 一种色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包括用电子开关来切换的双拉曼位移波长的双光纤脉冲激光器、测温光纤、集成型光纤波分复用器、直接检测系统、信号采集处理系统和显示器。它是基于光纤拉曼散射测温原理、色散与损耗光谱自校正方法和光时域反射原理，采用双拉曼位移波长的双光源，它的主光源的光纤背向反斯托克斯拉曼散射峰的中心波长与副光源的光纤背向斯托克斯拉曼散射峰中心波长相重合并扣除单程光纤瑞利散射光时域反射信号，对光纤色散与损耗光谱进行自校正，也可以自校正在现场使用的测温光纤、光缆由于弯曲和受压拉伸而造成的随机损耗。该传感器成本低、结构简单、信噪比好，运行可靠。

Description

一种色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器

技术领域

本实用新型涉及色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

近年来，利用光纤拉曼散射光強度受温度调制的效应和光时域反射(OTDR)原理研制成分布式光纤拉曼温度传感器，它可以在线实时预报现场的温度和温度变化的取向，在线监测现场温度的变化，在一定的温度范围设置报警温度，是一种本质安全型的线型感温探测器，组成光纤传感网，已在电力工业、石化企业、大型土木工程和在线灾害监测等领域成功地应用。

光纤拉曼散射的频移为13.2THz，因此光纤的反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的波长差较大，由于光纤的色散，光纤的背向反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光在光纤中传播速度不同，因此造成光纤反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的时域反射曲线的“差步”或“走散”现象，通常在分布式光纤拉曼温度传感器中用光纤的背向斯托克斯拉曼散射光的时域反射信号来解调反斯托克斯拉曼散射光的时域反射信号，获得光纤各段的温度信息，两个不同波长的光时域反射信号的“差步”或“走散”现象，降低了系统的空间分辨率和测温精度，甚至造成测量错误。由于各个波段的光纤损耗是不同的，即光纤损耗存在光谱效应，在分布式光纤拉曼温度传感器中用反斯托克斯拉曼散射光作为测量温度信号通道，用斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考通道，由于两个通道在不同波段，测温光纤的损耗不同，在测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号时，温度解调曲线出现非线性现象，而造成的测温误差，降低了测温精度。另一方面在现场使用测温光纤、光缆，容易引起弯曲和受压拉伸造成的由于光纤的非线性现象造成各个波段的损耗不同，而且光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸大小和位置均有随机性，难以人为校正，需要采用自校正的办法。

2007年，Chung E.Lee等提出了一个解决方案，“Methods and Apparatus forDual Source Calibration for Distributed Temperature Systems”获得了美国专利(No.US2007/0223556A1)，专利中采用了双光源，通过光纤开关时分交替的输出同一波段的主激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波与副激光器的光纤斯托克斯拉曼散射波，通过副激光器的光纤斯托克斯拉曼散射波解调主激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波，得到光纤各段的温度信息。这种双程的拉曼散射光时域反射信号，虽然回波处于同一波段，但入射波处于主激光器波长和副激光器波长两个相隔双拉曼位移的波长，还无法完全校正光纤色散和光纤损耗光谱的影响。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种成本低、结构简单、可靠的色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器，可以自校正光纤的色散与损耗光谱以及由于在现场使用测温光纤光缆的弯曲和受压拉伸而造成的非线性损耗。

本实用新型的色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是包括由驱动电源，电子开关、主激光器和副激光器组成的双拉曼位移波长的双光纤脉冲激光器模块，主激光器和副激光器的输出端分别与第一合波器的输入端相连，第一合波器的输出端与双向耦合器的输入端相连，双向耦合器的输出端与多模光纤的输入端相连，多模光纤的背向瑞利散射和拉曼散射回波通过双向耦合器进入集成型光纤波分复用器的输入端，集成型光纤波分复用器有三个输出端口，第一个输出端口为拉曼散射峰的中心波长输出端口，第二个输出端口为主激光器波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，第三个输出端口为副激光器波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，集成型光纤波分复用器的第一个输出端口与直接检测系统的一个输入端相连，集成型光纤波分复用器的第二个输出端口和第三个输出端口分别与第二合波器的两个输入端相连，第二合波器的输出端与直接检测系统的另一个输入端相连，直接检测系统的输出端与信号采集处理系统的输入端相连，信号采集处理系统给出光纤各段的温度值由显示器显示。

上述的双拉曼位移波长的双光纤脉冲激光器模块中的主激光器可采用中心波长为980nm、光谱宽度为1nm、激光脉冲宽度为18ns、峰值功率为7W的光纤脉冲激光器；副激光器可采用中心波长为905nm、光谱宽度为1nm、激光脉冲宽度为18ns、峰值功率为8W的光纤脉冲激光器，主激光器和副激光器由电子开关按设定时间间隔切换轮流工作。

双拉曼位移波长的双光纤脉冲激光器模块中的主激光器和副激光器也适用于各波段的拉曼频移相关的双波长，例如：1660nm与1450nm，1064nm与980nm等满足拉曼双位移条件。

两个激光器的波长差为双拉曼位移波长差，由重复频率为8kHz的驱动电源同步驱动，通过电子开关按一定时间间隔(例如：10秒)进行切换，由电子开关切换的时分双波长光纤脉冲激光通过第一合波器，双向耦合器进入测温用多模光纤，光纤的背向瑞利散射和拉曼散射回波，通过双向耦合器进入集成型光纤波分复用器，在集成型光纤波分复用器的第一个输出端口与直接检测系统得到的是时分的同一主波长波段的主激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波与副激光器的光纤斯托克斯拉曼散射波光时域反射信号，这种双程的光时域反射信号，虽然回波处于同一波段，但入射波处于主激光器波长和副激光器波长两个相隔双拉曼位移的波长，无法克服处于不同波段的光纤折射率与损耗光谱的影响，因此需要通过信号采集处理系统扣除单程主激光器波长和副激光器波长的光纤瑞利波光时域反射信号。

采用的方法是通过光纤波分复用器的第二个输出端口与第三个输出端口通过第二合波器与直接检测系统的另一端相连，得到的是时分的双程的主激光器的光纤背向瑞利波光时域反射信号和副激光器的光纤背向瑞利波光时域反射信号，通过信号采集处理系统分别得到两个不同波段的单程的主激光器和副激光器波长的光纤背向瑞利波光时域反射信号。再用信号采集处理系统分别扣除主激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波光时域反射信号中的单程的主激光器波长光纤背向瑞利波光时域反射信号和副激光器波长的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波光时域反射信号中的单程的副激光器波长光纤背向瑞利波光时域反射信号得到单程的同一波段主激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波与副激光器的光纤斯托克斯拉曼散射波光时域反射信号的强度比，基于光纤拉曼测温原理得到光纤各段的温度信息，实现了色散与损耗光谱的自校正。

色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器的测量原理：

激光与光纤分子的非线性相互作用，入射光子被一个分子散射成另一个低频斯托克斯光子或高频反斯托克斯光子，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子，光纤分子的声子频率为13.2THz。光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼(Boltzmann)定律，反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比R(T，l)：

$R(T,l)={\left[\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right]}^4\exp (-\frac{\mathrm{hc\Δv}}{\mathrm{kT}})\exp [-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)l]---\left(1\right)$

其中v_as，v_s分别是反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的频率，h是波朗克(Planck)常数，h＝6.626 068 76.52x10^-34J.s(1998年基本物理常数数据)，c是光速，Δv是一光纤分子的声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，k＝1.380 650324x10^-23JK^-1，T是凯尔文(Kelvin)绝对温度，α_as、α_s分别是反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的光纤损耗系数。

主激光器的单程背向反斯托克斯拉曼光与副激光器的单程背向斯托克斯拉曼光强度比为

$R\left(T\right)=\frac{I_{1,\mathrm{AS}}}{I_{2,S}}=\frac{I_1}{I_2}{\left(\frac{v_{1,\mathrm{AS}}}{v_{2,S}}\right)}^4\exp (-\frac{\mathrm{hcv}}{\mathrm{kT}})\frac{\exp -{\mathrm{\α}}_{1,\mathrm{As}}\·l}{\exp -{\mathrm{\α}}_{2,S}\·l}---\left(2\right)$

其中，主激光器的单程背向反斯托克斯拉曼光与副激光器的单程背向斯托克斯拉曼光处于同一波段，即v_1，AS＝v_2，S α_1，AS＝α_2，S，

(2)式简化为

$R\left(T\right)=\frac{I_{1,\mathrm{AS}}}{I_{2,S}}=\frac{I_1}{I_2}\exp (-\frac{\mathrm{hcv}}{\mathrm{kT}})---\left(3\right)$

若已知测温光纤前面一段光纤的温度T＝T₀，则由已知拉曼光强度比通过(3)式得到测温光纤上各段光纤的温度。

$T=[\frac{1}{T_0}-\frac{k}{\mathrm{hcv}}\ln \left(\frac{R\left(T\right)}{R\left(T_0\right)}\right)]---\left(4\right)$

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供的色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器采用了价格低廉，可靠性好的电子开关，取代光纤开关，其成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好。由于主激光器的单程背向反斯托克斯拉曼光与副激光器的单程背向斯托克斯拉曼光处于同一波段，可以自校正光纤的色散与损耗光谱，以及光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸而造成的随机损耗，克服了测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号通道时偏离线性而造成的测温误差。本实用新型采用由电子开关控制双拉曼位移波长两个光源，集成型波分复用器和直接检测系统，提高了分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的信噪比、可靠性和空间分辨率；铺设在监测现场的测温光纤是绝缘的，不带电的，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀的，是本质安全型的，光纤既是传输介质又是传感介质，是本征型的测温光纤，并具有30年以上的長寿命。

附图说明

图1是色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器的示意图。

具体实施方式

参照图1，色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器包括由驱动电源11，电子开关12、主激光器13和副激光器14组成的双拉曼位移波长的双光纤脉冲激光器模块，主激光器13和副激光器14的输出端分别与第一合波器15的输入端相连，第一合波器15的输出端与双向耦合器16的输入端相连，双向耦合器16的输出端与多模光纤17的输入端相连，多模光纤的背向瑞利散射和拉曼散射回波通过双向耦合器16进入集成型光纤波分复用器18的输入端，集成型光纤波分复用器18有三个输出端口，第一个输出端口为拉曼散射峰的中心波长输出端口，第二个输出端口为主激光器波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，第三个输出端口为副激光器波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，集成型光纤波分复用器18的第一个输出端口与直接检测系统20的一个输入端相连，集成型光纤波分复用器18的第二个输出端口和第三个输出端口分别与第二合波器19的两个输入端相连，第二合波器19的输出端与直接检测系统20的另一个输入端相连，直接检测系统20的输出端与信号采集处理系统21的输入端相连，通过信号采集处理系统21处理后单程的主激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波与副激光器的光纤斯托克斯拉曼散射波(处于同一个波长段)的强度比，得到光纤各段的温度信息，由显示器22显示。

上述的集成型光纤波分复用器18的第一输出端口由光纤平行光路和中心波长为940nm、带宽为15nm、损耗＜0.5dB的滤光片组成，分时输出同一波段的980nm主激光器反斯托克斯拉曼散射光(940nm)和905nm副激光器斯托克斯拉曼散射光(940nm)信号。第二输出端口由光纤平行光路和中心波长为980nm、带宽为3nm、损耗＜0.5dB的滤光片组成，第三输出端口由光纤平行光路和中心波长为905nm、带宽为3nm、损耗＜0.5dB的滤光片组成。它的第二输出端口与第三输出端口通过第二合波器19，分时输出主激器和副激光器的光纤瑞利散射光时域反射信号。

直接检测系统20由两个光纤光电接收放大模块构成，它是由带光纤的低噪音硅光电雪崩二极管和低噪音MAX4107前置放大器和主放大器组成。

信号采集处理系统21可采用美国NI公司的双通道100MHz带宽，100MS/s采集率的NI5911型信号处理卡，或采用加拿大GaGe公司双通道500MS/s采集率的CS21GB-1GHz型信号处理卡。

Claims (3)

1.一种色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是包括由驱动电源(11)，电子开关(12)、主激光器(13)和副激光器(14)组成的双拉曼位移波长的双光纤脉冲激光器模块。主激光器(13)和副激光器(14)的输出端分别与第一合波器(15)的输入端相连，第一合波器(15)的输出端与双向耦合器(16)的输入端相连，双向耦合器(16)的输出端与多模光纤(17)的输入端相连，多模光纤的背向瑞利散射和拉曼散射回波通过双向耦合器(16)进入集成型光纤波分复用器(18)的输入端，集成型光纤波分复用器(18)有三个输出端口，第一个输出端口为拉曼散射峰的中心波长输出端口，第二个输出端口为主激光器波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，第三个输出端口为副激光器波长的光纤背向瑞利散射波输出端口，集成型光纤波分复用器(18)的第一个输出端口与直接检测系统(20)的一个输入端相连，集成型光纤波分复用器(18)的第二个输出端口和第三个输出端口分别与第二合波器(19)的两个输入端相连，第二合波器(19)的输出端与直接检测系统(20)的另一个输入端相连，直接检测系统(20)的输出端与信号采集处理系统(21)的输入端相连，信号采集处理系统(21)给出光纤各段的温度值由显示器(22)显示。

2.根据权利要求1所述的色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于主激光器(13)是中心波长为980nm、光谱宽度为1nm、激光脉冲宽度为18ns、峰值功率为7W的光纤脉冲激光器；副激光器(14)是中心波长为905nm、光谱宽度为1nm、激光脉冲宽度为18ns、峰值功率为8W的光纤脉冲激光器，主激光器(13)和副激光器(14)由电子开关(12)按设定时间间隔切换轮流工作。

3.根据权利要求1所述的色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于集成型光纤波分复用器(18)的第一输出端口由光纤平行光路和中心波长为940nm、带宽为15nm、损耗＜0.5dB的滤光片组成，第二输出端口由光纤平行光路和中心波长为980nm、带宽为3nm、损耗＜0.5dB的滤光片组成，第三输出端口由光纤平行光路和中心波长为905nm、带宽为3nm、损耗＜0.5dB的滤光片组成。

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