CN202177386U

CN202177386U - 一种脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器

Info

Publication number: CN202177386U
Application number: CN2011202863591U
Authority: CN
Inventors: 张在宣; 龚华平; 余向东; 王剑锋; 李裔; 金尚忠
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2021-08-09

Abstract

本实用新型的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器包括波形发生器，半导体FP腔宽带光纤激光器，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器，光纤分波器，脉冲编码光调制器，单向器，掺鉺光纤放大器，双向耦合器，传感光纤，集成波分复用器，两个光电接收放大模块，直接检测系统，窄带的透射光纤光栅，环行器，相干检测系统和工控机。该传感器采用两个激光光源，其中，半导体FP腔宽带光纤激光器利用光纤自发拉曼散射強度比测温，另一个半导体外腔窄带脉冲光纤激光器利用光纤自发布里渊散射线的频移测应变。采用时间序列编码激光脉冲，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，增加系统的信噪比，在空间实现在线温度和应变的同时测量并改善了测量精度。

Description

一种脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器

技术领域

本实用新型涉及脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

在分布式光纤传感器领域，国内外有分布式光纤拉曼散射光子温度传感器，检测现场的温度，国外有分布式光纤布里渊散射光子传感器检测现场的应变和温度，由于存在交叉效应，不能同时测量光纤的应变和温度，英国南安普敦大学Newson研究团队提出采用窄带激光光源利用光纤的背向自发反斯托克斯拉曼散射测温并用自发光纤布里渊散射效应来测量应变，但由于光纤布里渊散射的光谱带寬很窄，因此，测量温度和应变的精度低（M.N.Allahbabi, Y.T.Cho and T.P.Newson，Simulataneous Distributed Measurements of Temperature and Strain using Spontaneous Raman and Brillouin Scattering, Optics Letters,2005,1 June, p.1276-1278）。中国计量学院张在宣研究团队提出采用两个不同光谱带宽的激光光源，采用宽带光源的光纤拉曼散射强度比测量光纤的温度，采用窄带光源的光纤布里渊散射线的频移比测量光纤的应变，初步解决了应变和温度同时测量的问题（CN101162158）。而近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对超远程50km全分布式光纤应变、温度传感网提出了更高的需求。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种脉冲编码分布式温度、应变同时测量的高精度的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器。

为达到上述目的，本实用新型的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器包括波形发生器，半导体FP腔宽带光纤激光器，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器，光纤分波器，脉冲编码光调制器，单向器，掺鉺光纤放大器，双向耦合器，传感光纤，集成波分复用器，第一光电接收放大模块，第二光电接收放大模块，直接检测系统，窄带的透射光纤光栅，环行器，相干检测系统和工控机；波形发生器的输入端与工控机相连，波形发生器的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器的输入端相连，波形发生器的另一个输出端与脉冲编码光调制器的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器的输出端与掺鉺光纤放大器的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器的输出端与光纤分波器的输入端相连，光纤分波器的一个输出端与脉冲编码光调制器的另一个输入端相连，光纤分波器的另一个输出端与环行器的一个输入端相连，脉冲编码光调制器的输出端与单向器的输入端相连，单向器的输出端与掺鉺光纤放大器的另一个输入端相连，掺鉺光纤放大器的输出端与双向耦合器的输入端相连，双向耦合器的一个输出端接传感光纤，双向耦合器的另一个输出端与集成波分复用器的输入端口相连，集成波分复用器的第一、第二两个输出端口分别经第一光电接收放大模块和第二光电接收放大模块与直接检测系统的两个输入端相连，集成波分复用器的第三个输出端口经窄带的透射光纤光栅与环行器的另一个输入端相连，环行器的输出端与相干检测系统的输入端相连，相干检测系统的输出端与工控机相连，直接检测系统和工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的温度信息，相干检测系统和工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的应变信息，由工控机将传感光纤上的温度、应变信息通过互联网或无线网传送给远程监控网。

本实用新型中，所说的半导体FP腔宽带光纤激光器由F-P半导体激光器组成，中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。

本实用新型中，所说的半导体外腔窄带脉冲光纤激光器的中心波长为1550nm，光谱带宽为200kHz的100mW连续运行光纤激光器。

本实用新型中，所说的脉冲编码光调制器是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器（Mach–Zehnder modulator(MZM)）。

本实用新型中，所说的集成波分复用器具有四个端口，一个输入端口，三个输出端口，第一输出端口是1450nm端口，为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口，第二输出端口是1660nm端口，为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口，第三输出端口是1550nm端口，为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。

本实用新型中，所说的窄带的透射光纤光栅是中心波长为1550.08nm，光谱带宽为0.1nm，损耗<0.3dB，隔离度>35dB的光纤光栅。

本实用新型中，所说的相干检测系统是频谱范围9kHz-26.5GHz的频谱分析仪，例如安?伦(Agilent)公司的频谱分析仪ESA（E4407B）。

本实用新型的脉冲编码分布式拉曼、布里渊散光纤传感器是基于光纤非线性光学散射的融合原理和波分复用原理和脉冲编码原理, 将分布式光纤拉曼散射效应与光纤布里渊散射效应融合成一种新型的脉冲编码分布式光纤传感器的测量原理的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器。实现温度和应变的同时测量，提高系统的信噪比，改善测量精度。

脉冲编码分布式拉曼、布里渊散光纤传感器的编码解码原理：

本传感器的序列脉冲编码是通过S矩阵转换来实现的，S矩阵转换是标准哈达马得（Hadamard）转换的一种变式，也可称为哈达马得转换。S矩阵的元素均由“0”和“1”组成，这一特点很适用于激光序列脉冲编码，在实际应用中可用“O”代表激光器关闭，用“1”代表激光器开启。这种采用“0”、“1”的编码方式又可称为简单编码。而解码的过程是对应的逆S矩阵转换。

由编码原理推导得知，采用N位的序列脉冲编码解码可获得的信噪比改善为：

Figure 2011202863591100002DEST_PATH_IMAGE002

(1)

由(1)式可知，信噪比改善随着编码位数的提高而提高。

当N取255时：

Figure 2011202863591100002DEST_PATH_IMAGE003

光纤传感器的空间定位分辨率由单位的窄脉冲宽度决定，由于采用多脉冲发射，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，并且不必提高单个激光脉冲的峰值功率从而又有效地防止了光纤非线性效应造成OTDR曲线的变形。

光纤拉曼散射的测温原理：反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比I（T）：

Figure 2011202863591100002DEST_PATH_IMAGE004

（2）

其中

Figure 2011202863591100002DEST_PATH_IMAGE005

是经光电转换后的电平值，ν _a ，ν _s分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率，h是波朗克（Planck）常数，h=6.626 068 76.52 x10^-34J.s（1998年基本物理常数数据）,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是凱尔文（Kelvin）绝对温度。由两者的强度比，得到光纤各段的温度信息。

光纤布里渊散射的测量应变、温度原理：在光纤中，入射光纤的激光与光纤中声波的非线性相互作用，光波通过电致伸缩产生声波，引起光纤折射率的周期性调制（折射率光栅），产生频率下移的布里渊散射光，在光纤中产生的背向布里渊散射的频移ν _B为：

ν _B =2nv/λ （3）

其中n为入射光波长λ处的折射率，v为光纤中声速, 对石英光纤，在λ=1550nm附近，ν _B约为11GHz。

在光纤中的布里渊散射光频移ν_B具有应变和温度效应

Figure 2011202863591100002DEST_PATH_IMAGE006

（4）

布里渊散射光的频移

Figure 2011202863591100002DEST_PATH_IMAGE007

（5）

其中频移的应变系数C_νε和温度系数C_νΤ为

通过测量光纤背向布里渊散射线的频移得到光纤上各段的应变量。

本实用新型优点：

本实用新型基于光纤非线性光学散射融合原理和波分复用原理和脉冲编码原理，采用两个激光光源，其中，半导体FP腔宽带光纤激光器利用光纤自发拉曼散射強度比测温，另一个半导体外腔窄带脉冲光纤激光器利用光纤自发布里渊散射线的频移测应变，采用时间序列编码激光脉冲，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，增加系统的信噪比，在空间实现在线温度和应变的同时测量并改善了测量精度。

附图说明

图1是本实用新型的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器示意图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器包括波形发生器10，半导体FP腔宽带光纤激光器11，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器12，光纤分波器13，脉冲编码光调制器14，单向器15，掺鉺光纤放大器16，双向耦合器17，传感光纤18，集成波分复用器19，第一光电接收放大模块20，第二光电接收放大模块21，直接检测系统22，窄带的透射光纤光栅23，环行器24，相干检测系统25和工控机26；波形发生器10的输入端与工控机26相连，波形发生器10的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器11的输入端相连，波形发生器10的另一个输出端与脉冲编码光调制器14的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器11的输出端与掺鉺光纤放大器16的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器12的输出端与光纤分波器13的输入端相连，光纤分波器13的一个输出端与脉冲编码光调制器14的另一个输入端相连，光纤分波器13的另一个输出端与环行器24的一个输入端相连，脉冲编码光调制器14的输出端与单向器15的输入端相连，单向器15的输出端与掺鉺光纤放大器16的另一个输入端相连，掺鉺光纤放大器16的输出端与双向耦合器17的输入端相连，双向耦合器17的一个输出端接传感光纤18，双向耦合器17的另一个输出端与集成波分复用器19的输入端口相连，集成波分复用器19的1450nm输出端口和1660nm输出端口分别经第一光电接收放大模块20和第二光电接收放大模块21与直接检测系统22的两个输入端相连，集成波分复用器19的1550nm输出端口经窄带的透射光纤光栅23与环行器24的另一个输入端相连，环行器24的输出端与相干检测系统25的输入端相连，相干检测系统25的输出端与工控机26相连，直接检测系统22和工控机26将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的温度信息，相干检测系统25和工控机26将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的应变信息，由工控机将传感光纤上的温度、应变信息通过互联网或无线网传送给远程监控网。

工作时，波形发生器10在工控机26控制下，输出按

Figure 2011202863591100002DEST_PATH_IMAGE009

S矩阵转换规则排列的序列255位编码脉冲驱动半导体FP腔宽带光纤激光器11产生宽带的时间序列编码激光脉冲，经掺鉺光纤放大器16和双向耦合器17将光纤反向的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射光通过波分复用器19的两个输出端口将反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光分别通过第一光电接收模块20、第二光电接收模块21进入直接检测系统22，测量两者的强度比，得到光纤各段的温度信息, 通过直接检测系统22和工控机26将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的温度信息。

半导体外腔窄带脉冲光纤激光器12通过光纤分波器13控制波形发生器10输出的波形经脉冲编码光调制器14产生窄带的时间序列编码激光脉冲。波分复用器19将反向光纤布里渊散射光，经过窄带的透射光纤光栅23通过环行器24与窄带光纤激光器的本地光，通过相干检测系统25拍频进行相干检测，通过相干检测系统25和工控机26将采集、累加的编码脉冲解码解调，测量频移获得50km传感光纤所在现场的应变信息。采用脉冲编码原理在时域上的编码光脉冲序列，有效地增加了入射光纤的光子数，提高了传感器系统的信噪比，增加了传感器的测量长度，提高了传感器的可靠性和空间分辨率。由工控机将传感光纤上的温度、应变信息通过互联网或无线网传送给远程监控网。

本实用新型中，所述的直接检测系统是检测1450nm被光纤拉曼放大器放大的光纤反斯托克斯拉曼散射与1660nm斯托克斯拉曼散射的强度比，通过数字信号处理器与工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的温度信息并传送给远程监控网。

本实用新型中，所述的相干检测系统是检测传感光纤的相干放大的受激布里渊回波信号与窄带单频光纤激光器的本地信号的外差信号，由相干检测系统和工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。

Claims

1.一种脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是包括波形发生器（10），半导体FP腔宽带光纤激光器（11），半导体外腔窄带脉冲光纤激光器（12），光纤分波器（13），脉冲编码光调制器（14），单向器（15），掺鉺光纤放大器（16），双向耦合器（17），传感光纤（18），集成波分复用器（19），第一光电接收放大模块（20），第二光电接收放大模块（21），直接检测系统（22），窄带的透射光纤光栅（23），环行器（24），相干检测系统（25）和工控机（26）；波形发生器（10）的输入端与工控机（26）相连，波形发生器（10）的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器（11）的输入端相连，波形发生器（10）的另一个输出端与脉冲编码光调制器（14）的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器（11）的输出端与掺鉺光纤放大器（16）的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器（12）的输出端与光纤分波器（13）的输入端相连，光纤分波器（13）的一个输出端与脉冲编码光调制器（14）的另一个输入端相连，光纤分波器（13）的另一个输出端与环行器（24）的一个输入端相连，脉冲编码光调制器（14）的输出端与单向器（15）的输入端相连，单向器（15）的输出端与掺鉺光纤放大器（16）的另一个输入端相连，掺鉺光纤放大器（16）的输出端与双向耦合器（17）的输入端相连，双向耦合器（17）的一个输出端接传感光纤（18），双向耦合器（17）的另一个输出端与集成波分复用器（19）的输入端口相连，集成波分复用器（19）的第一、第二两个输出端口分别经第一光电接收放大模块（20）和第二光电接收放大模块（21）与直接检测系统（22）的两个输入端相连，集成波分复用器（19）的第三个输出端口经窄带的透射光纤光栅（23）与环行器（24）的另一个输入端相连，环行器（24）的输出端与相干检测系统（25）的输入端相连，相干检测系统（25）的输出端与工控机（26）相连，直接检测系统（22）和工控机（26）将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的温度信息，相干检测系统（25）和工控机（26）将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的应变信息，由工控机将传感光纤上的温度、应变信息通过互联网或无线网传送给远程监控网。

2.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是半导体FP腔宽带光纤激光器（11）由F-P半导体激光器组成，中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。

3.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是半导体外腔窄带脉冲光纤激光器（12）的中心波长为1550nm，光谱带宽为200kHz的100mW连续运行光纤激光器。

4.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是脉冲编码光调制器（14）是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器。

5.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是集成波分复用器（19）具有四个端口，一个输入端口，三个输出端口，第一输出端口是1450nm端口，为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口，第二输出端口是1660nm端口，为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口，第三输出端口是1550nm端口，为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。

6.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是窄带的透射光纤光栅（23）是中心波长为1550.08nm，光谱带宽为0.1nm，损耗<0.3dB，隔离度>35dB的光纤光栅。

7.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是相干检测系统（25）是频谱范围9kHz-26.5GHz的频谱分析仪。