CN201876324U - 分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构，连接为计算机分别与激光器驱动电路和信号采集卡相连，激光器驱动电路分别控制激光光源和参考激光光源，激光光源或参考激光光源发射激光依次经光波分复用器、双向耦合器到传感光纤，传感光纤输出的背向散射光经双向耦合器到光波分复用器，背向散射光经光波分复用器光学滤波分离出的光信号输入光雪崩管，光雪崩管的输出端与放大器的输入端相连，放大器的输出端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。本实用新型利用参考激光光源把瑞利散射信号和拉曼散散信号区分开，保持瑞利散射信号的稳定，提高系统的信噪比，改善测温精度和测量距离范围，提高系统的稳定性能。

Description

分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构

技术领域

本实用新型涉及利用光纤拉曼散射原理与光时域反射技术相结合，沿光纤长度进行温度测量的分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构。

背景技术

光纤本身不带电，抗电磁、耐辐射、耐高电压、不产生电火花并且绝缘性能良好等特点，使得光纤传感系统将成为传感器系统的主流，并逐步替代传统的传感器系统。光纤上的物理量诸如：压力、温度、湿度、电场、磁场等发生变化时，会引起光纤的物理特性发生变化，从而使光纤中传导的光波产生各种光学效应，如：散射、偏振、强度改变等等。通过检测光纤中光波的变化，实现对温度、压力、形变、水位等物理量的检测。近年光电子器件的迅猛发展，特别是半导体激光器、波分复用和光耦合技术、光电信号的探测与处理等等技术的发展，使光纤用来做分布式传感器系统成为了现实。

1980年罗杰斯首次提出了利用光时域反射(OTDR)原理和光纤的背向拉曼散射温度效应，来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到纤维波导中去时，利用光雷达原理，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。

当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利(Rayleigh)散射。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L＝vt。v为光在光纤中传播的速度，v＝c/n，c为真空中的光速，n为光纤的折射率。在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利(Rayleigh)散射光。用光时域反射(OTDR)技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置，因此也可称为光纤激光雷达。拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光。

斯托克斯(Stokes)散射频率：υ_s＝υ₀-Δυ    (1)

反斯托克斯(Anti-Stokes)散射频率：υ_a＝υ₀+Δυ    (2)

其中，Δυ：光纤的分子的振动频率，对于SiO₂光纤Δυ＝1.32×10¹²Hz。

利用改进的光时域反射(OTDR)技术探测喇曼散射，可以确定沿光纤长度上的温度分布。在光纤L处局域的斯托克斯(Stokes)散射光子数为

N_s＝K_sSυ_s ⁴N_Cexp[-(α₀+α_s)L]R_s(T)    (3)

在光纤L处局域的反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光子数为

N_a＝K_aS₄ ^vαN_Cexp[-(α₀+α_a)L]R_a(T)    (4)

其中，K_s，K_a：与光纤斯托克斯(Stokes)和反斯托克斯(Anti-Stokes)散射截面有关的系数；S为光纤的背向

散射因子；υ_s，υ_a：斯托克斯(Stokes)和反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光子频率；Nc：在光纤入射端的激光脉冲光子数；T为绝对温度；α₀，α_s，α_a分别为入射、斯托克斯(Stokes)、反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光频率的光纤传输损耗；L为光纤待测局域处的长度；R_s(T)，R_a(T)：与光纤分子低能级

和高能级上的布居数有关的系数，并有：

R_s(T)＝[1-exp(-hΔυ/kT)]^-1    (5)

R_a(T)＝[exp(hΔυ/kT)-1]^-1     (6)

其中h是普朗克常数；k是玻尔兹曼常数。

解调方法：传统的解调法是用斯托克斯(Stokes)散射光时域反射(OTDR)曲线解调反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光时域反射(OTDR)曲线：

$\frac{N_a}{N_s}=\frac{K_a}{K_s}{\left[\frac{{\mathrm{\υ}}_a}{{\mathrm{\υ}}_s}\right]}^4\exp (-\mathrm{h\Δ\υ}/\mathrm{kT})\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_s)L]---\left(7\right)$

当T＝T0(参考温度)时，(7)式为

$\frac{N_a}{N_s}=\frac{K_a}{K_s}{\left[\frac{{\mathrm{\υ}}_a}{{\mathrm{\υ}}_s}\right]}^4\exp (-\mathrm{h\Δ\υ}/{\mathrm{kT}}_0)\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_s)L]---\left(8\right)$

(7)式除以(8)式，可得 $\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{\mathrm{h\Δ\υ}}\left[\ln \frac{N_a\left(T\right)N_s\left(T_0\right)}{N_a\left(T_a\right)N_s\left(T\right)}\right]---\left(9\right)$

由(9)式则可得到局域处的温度T.

新的解调方法：

瑞利散射对温度不敏感，因此将瑞利散射作为参考通道的。采用光纤的瑞利(Rayleigh)散射光时域反射(OTDR)曲线来解调反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光时域反射(OTDR)曲线，则反斯托克斯(Anti-Stokes)散射与瑞利(Rayleigh)散射光子数的比值为

$\frac{N_a\left(T\right)}{N_R\left(T\right)}=\frac{K_a}{K_R}{\left[\frac{{\mathrm{\υ}}_a}{{\mathrm{\υ}}_R}\right]}^4{R}_a\left(T\right)\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_0)L]---\left(10\right)$

在实际测量中，用T＝T₀已知起始温度的上式来确定光纤上各局域点的温度。通常瑞利(Rayleigh)散射不依赖于温度，N_R(T)＝N_R(T₀)，则

$\frac{N_a\left(T\right)/N_R\left(T\right)}{N_a\left(T_0\right)/N_R\left(T_0\right)}=\frac{N_a\left(T\right)}{N_a\left(T_0\right)}=\frac{[\exp (\mathrm{h\Δ\υ}/{\mathrm{kT}}_0)-1]}{[\exp (\mathrm{h\Δ\υ}/\mathrm{kT})-1]}---\left(11\right)$

在实际测量时，在(11)式中与光子数比值相应的信号电平的比值在实验中可测到，起始温度为已知，则从(11)式可确定光纤上各点的温度。与传统方法相比，提高了系统的相对灵敏度和系统的测温精度.

对于分布式光纤温度传感器国内外已有很多文章报导，具有代表性的如：

1、“光时域背向拉曼散射分布式光纤传感器与光频域背向拉曼散射分布式光纤传感器对比研究”，载于《贵州工业大学学报》(自然科学版)，2002年5期，作者耿文倩、耿军平、李焱、许家栋；

2、“分布光纤喇曼子传感器系统”，载于《半导体光电》，1999年20(2)期，第83-85页.作者张在宣、冯海琪、余向东、郭宁、吴效彪；

3、“30Km分布式光纤温度传感器的空间分辨率研究”，载于《仪器仪表学报》，2005年11七，作者刘红林等；

另外，中国专利“分布式光纤温度传感器”，申请公开号CN 1400453A，申请人张在宣、余向东、郭宁、吴效彪，也公开了一种分布式光纤温度传感器。

目前，常规的分布式光纤温度传感器如图2所示，包括一个激光光源901、带双向耦合器905的光纤910、一个光波分复用器903、光雪崩管941、和另一光雪崩管942、一个放大器961和另一放大器962、信号采集卡907和计算机909，激光光源901发出的光脉冲进入带双向耦合器905的光纤910，光纤910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903分离出喇曼背向散射光再进入光雪崩管941，另一路作为瑞利背向散射光进入另一光雪崩管942，上述两个光雪崩管各自对拉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器放大器961和另一放大器962，上述两个放大器的输出端与信号采集卡907的输入端相连，信号采集卡907的输出端与计算机909相连。

常规分布光纤温度传感器的工作过程可简单表述为：激光光源901发出的激光脉冲；激光脉冲进入带双向耦合器905的光纤910，沿着测温用光纤910传播，其一路经光波分复用器903光学滤波，分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光，再进入光雪崩管941将光信号转换成电信号，该信号又由放大器961放大后输入信号采集卡907，这是拉曼通道；另一路作为瑞利背向散射光进入另一光雪崩管942，进行光电转换后的输出信号输入另一放大器962，放大器961和另一放大器962的输出端与信号采集卡907的输入端相连，这是瑞利通道。信号采集卡907的输出端与计算机909相连。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。

在实际的分布式光纤温度传感器系统中，由于反射光的光信号非常微弱，反斯托克斯拉曼背向散射比瑞利散射强度要弱20-30dB，电路和环境的噪声以及非线性影响很大。为了避免信号处理过程中信号平均时间过长，从光信号获取的角度考虑，为获得高的温度分辨率，脉冲激光源的峰值功率要相当高。另一方面，后向散射光中的瑞利光占绝大部分，必须采用高隔离度的光学波分复用滤波器将反斯托克斯散射光与斯托克斯散射光，瑞利散射光分离出来。为了获得高的温度分辨率(0.1度以上)与大的测量距离(10公里以上)，往往需要提供很高的输入激光功率和高隔离度的光学波分复用滤波器，才能提高信号幅度和拉曼/瑞利光信噪比。这对光源和滤波器提出了很高的要求。激光器通过加高电压来提高峰值功率，这会让入射的激光信号变的很不稳定，影响瑞利散射信号和反斯托克斯散射信号的稳定性，使温度值的误差变大。又由于瑞利散射信号和反斯托克斯散射信号的频率隔的很近，同时又要求高隔离度，造成光学波分复用滤波器的制作相当困难。提高了系统的难度和成本。很大程度上影响了产品的精度和稳定性能。

发明内容

本实用新型的目的为克服上述现有技术存在的问题，而提供一种可显著提高系统的测温精度和稳定性能的分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构。

本实用新型的技术方案为：

分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构，包括激光光源、参考激光光源、传感光纤、光波分复用器、双向耦合器、光雪崩管、放大器、信号采集卡、激光器驱动电路和计算机，其特征在于：计算机分别与激光器驱动电路和信号采集卡相连，激光器驱动电路分别驱动控制激光光源和参考激光光源，激光光源或参考激光光源的依次发射脉冲激光和参考脉冲激光依次经光波分复用器、双向耦合器到传感光纤，传感光纤输出的背向散射光和参考背向散射光经双向耦合器回到光波分复用器，背向散射光经所述光波分复用器光学滤波分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号或参考背向散射光经光波分复用器的光学滤波分离出不带有参考温度信息的瑞利背向散射光信号，光波分复用器的光学滤波分离出光信号端进入光雪崩管的输入端，光雪崩管的输出端与放大器的输入端相连，放大器的输出端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。

所述光波分复用器的参数应能使得由激光光源发出的所述脉冲激光全反射；由激光光源发出的脉冲激光产生的带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号应从光波分复用器中通过，所述参考激光光源发出的所述参考脉冲激光的光波应从光波分复用器中通过；一般来说，参考冲激光波长应短于脉冲激光波长，且和激光光源发出的脉冲激光产生的带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号同时处于光波分复用器的透过波段范围内。按照前述要求，所述激光光源发出的所述脉冲激光和所述参考激光光源发出所述参考脉冲激光的波长为下列组合之一，可取得比较好的效果：

当所述脉冲激光波长为905纳米，所述参考冲激光波长为850纳米；或当所述脉冲激光波长为1064纳米，所述参考脉冲激光波长为905纳米；或当所述脉冲激光波长为1310纳米，所述参考脉冲激光波长为1064纳米；或当所述脉冲激光波长为1550纳米，所述参考脉冲激光波长为1480纳米。

本实用新型所提供的分布式光纤温度传感器与常规的分布式光纤温度传感器，有几个明显的结构上的特征，除同时设置有激光光源和参考激光光源，只设置了一个光雪崩管、一个放大器和一路信号采集卡。

本实用新型能够解决常规的分布式光纤温度传感器由于加高电压造成输入激光器的不稳定，影响瑞利散射信号和反斯托克斯散射信号的稳定性，使温度值的误差变大；以及由于瑞利散射信号和反斯托克斯散射信号的频率隔的很近，造成光学波分复用滤波器的隔离度不高，进而影响了系统的测温精度和稳定性能等不足。

本实用新型所提供的分布式光纤温度传感器主要在常规传感器基础上增加了一个专门用来做参考信号的激光光源。利用这个参考激光光源可在大大提高输入脉冲光功率的情况下，瑞利散射信号不会有任何的波动。光学滤波也能很好的分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号。提高了系统的信噪比，改善了测温精度和测量距离范围，提高了系统的稳定性能。该实用新型技术将有效的提高传感器的性能，温度分辨率可达0.1度。

附图说明

图1是本实用新型的连接示意图。

图2是常规的分布式光纤温度传感器的器件连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的说明：

如图1所示，分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构，包括激光光源1、参考激光光源2、传感光纤10、光波分复用器3、双向耦合器5、光雪崩管4、放大器6、信号采集卡7、激光器驱动电路8和计算机9，其特征在于：计算机9分别与激光器驱动电路8和信号采集卡7相连，激光器驱动电路8分别驱动控制激光光源1和参考激光光源2，激光光源1或参考激光光源2的发射脉冲激光和参考脉冲激光依次经光波分复用器3、双向耦合器5到传感光纤10，传感光纤10输出的背向散射光和参考背向散射光经双向耦合器5回到光波分复用器3，背向散射光经所述光波分复用器3光学滤波分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号和参考背向散射光经光波分复用器3的光学滤波分离出不带有参考温度信息的瑞利背向散射光信号，光波分复用器3的光学滤波分离出光信号端与光雪崩管4的输入端相连，光雪崩管4的输出端与放大器6的输入端相连，放大器6的输出端信号采集卡7的输入端相连，信号采集卡7的输出端与计算机9相连。激光器驱动电路8、放大器6的电路、信号采集卡7的电路均采用现有的电路。

计算机9向激光器驱动电路8发出指令，控制激光器驱动电路8驱动激光光源1发射脉冲激光，所述脉冲激光波长为905纳米，该脉冲激光经光波分复用器3到双向耦合器5后再进入传感光纤10，传感光纤10输出的背向散射光经双向耦合器5回到光波分复用器3，背向散射光经光波分复用器3光学滤波分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号，该反斯托克斯拉曼背向散射光信号进入光雪崩管4将光信号转换成电信号输入放大器6，该电信号由放大器6放大后输入信号采集卡7，此时该反斯托克斯拉曼背向散射光信号采集完成，激光光源1停止工作；

激光光源1停止工作后，计算机9向所述激光器驱动电路8发出指令，控制所述激光器驱动电路8驱动参考激光光源2发射参考脉冲激光，所述参考冲激光波长应满足能透过光波分复用器3的要求，该参考脉冲激光经双向耦合器5后进入传感光纤10，传感光纤10输出的参考背向散射光经双向耦合器5后回到光波分复用器3，该参考背向散射光经光波分复用器3光学滤波分离出不带有参考温度信息的瑞利背向散射光信号，瑞利背向散射光信号进入光雪崩管4将光信号转换成参考电信号输入放大器6，该参考电信号由放大器6放大后输入信号采集卡7，此时该瑞利背向散射光信号采集完成；信号采集卡7将所述电信号和所述参考电信号进行累加平均后获得累加平均值，然后将该累加平均值传送到计算机9中处理。计算机9可采用数据处理和显示软件则对采集到的数据进行处理，最后得到温度的空间分布并以图形或表格形式显示出来。

所述光波分复用器的参数应能使得由激光光源发出的所述脉冲激光全反射；由激光光源发出的脉冲激光产生的带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号应从光波分复用器中通过，所述参考激光光源发出的所述参考脉冲激光的光波应从光波分复用器中通过；一般来说，参考冲激光波长应短于脉冲激光波长，且和激光光源发出的脉冲激光产生的带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号同时处于光波分复用器的透过波段范围内。按照前述要求，所述激光光源发出的所述脉冲激光和所述参考激光光源发出所述参考脉冲激光的波长为下列组合之一，可取得比较好的效果：

当所述脉冲激光波长为905纳米，所述参考冲激光波长为850纳米；或当所述脉冲激光波长为1064纳米，所述参考脉冲激光波长为905纳米；或当所述脉冲激光波长为1310纳米，所述参考脉冲激光波长为1064纳米；或当所述脉冲激光波长为1550纳米，所述参考脉冲激光波长为1480纳米。

Claims (1)

1.分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构，包括激光光源、参考激光光源、传感光纤、光波分复用器、双向耦合器、光雪崩管、放大器、信号采集卡、激光器驱动电路和计算机，其特征在于：计算机分别与激光器驱动电路和信号采集卡相连，激光器驱动电路分别驱动控制激光光源和参考激光光源，激光光源或参考激光光源的分别依次发射脉冲激光和参考脉冲激光依次经光波分复用器、双向耦合器到传感光纤，传感光纤输出的背向散射光或参考背向散射光经双向耦合器回到光波分复用器，背向散射光经所述光波分复用器光学滤波分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号或参考背向散射光经光波分复用器的光学滤波分离出不带有参考温度信息的瑞利背向散射光信号，光波分复用器的光学滤波分离出光信号端与光雪崩管的输入端相连，光雪崩管的输出端与放大器的输入端相连，放大器的输出端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。 

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