CN202197280U - 融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统，基于光时域反射测量原理，以及光纤拉曼散射原理，实现光纤线路检测以及分布式光纤温度传感。包括光纤脉冲激光器、光纤耦合器、光纤波分复用滤波器、传感光纤、光电接收模块、数字采集及信号处理模块和计算机。该传感器成本低、结构简单、寿命长、信噪比好，可靠性好，适用于50km范围内的光纤通信线路检测，以及10km范围石化管道、铁路及公路隧道、电缆传输等感温火灾监测。

Description

融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统

技术领域

 本实用新型涉及光纤光缆测试及光纤传感技术领域，具体涉及融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统。

背景技术

光时域反射仪（OTDR）是光纤通信中光纤光缆测试的主要仪表，它是采用时域测量的方法，发射具有一定宽度的光脉冲并注入被测光纤，然后通过检测光纤中返回的瑞利散射及菲涅尔反射光信号功率沿时间轴的分布曲线，即可探知被测光纤的长度及损耗等物理特性。同时，利用其强大的数据分析功能，可对光纤链路中的事件点及故障点精确定位，其最重要的特点是：单端无损测试，测试速度快，故障定位准确。

光纤传感器与光纤通信属于一个技术领域，甚至所用的传感光纤就是普通的通信光缆。分布式光纤传感技术是利用光纤的相关物理特性对被测量场的空间和时间行为进行实时监测的技术。该项技术对水库大坝、桥梁、隧道、输油气管线、大型仓储设备、大型变压器和输电线路等温度场和应力场分布的有效监测有着重要的应用价值。在科研和工程技术中有许多场合需要确定温度和应变的分布。例如长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布，桥梁、大坝、仓库、大型建筑隧道、高压容器、航天器机身等的温度分布，电子冶金化工等许多行业的生产中也都需要对多个温度点同时进行监控，如测量存储易燃易爆或其它物质的大型存储罐的温度分布，结构复杂的大型设备以及回转设备的温度分布等。传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃易爆环境或腐蚀性环境中工作。对于采用点式温度传感器实现温度的分布测量还存在难于安装、难于布线、难于维护的问题。分布式光纤温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高，误差小，与单点或多点准分布测量相比具有较高的性能价格比。

如中国发明专利，专利申请号：200910099463.7，提供了一种新型的分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、 温度传感器， 适用于中、短程 0-15km全分布式光纤传感网的检测范围。但是需要处理三路信号，使用到三个雪崩二极管，成本相对较高，信号处理较复杂。

发明内容

 本实用新型的目的是提供一种成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好的融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统。

本实用新型的融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统，包括光纤脉冲激光器、光纤耦合器、光纤波分复用滤波器、传感光纤、第一光电接收模块、第二光电接收模块、数字采集及信号处理模块和计算机； 所述光纤耦合器的输入端与光纤脉冲激光器相连，光纤耦合器的第二输出端与第一光电接收模块相连，光纤波分复用滤波器包括：与光纤耦合器的第一输出端相连的1550nm 输入端、与传感光纤相连的COM输出端和与第二光电接收模块的输入端相连的1450nm输出端，第一光电接收模块的输出端与数字采集及信号处理模块的第一输入端连接，第二光电接收模块的输出端与数字采集及信号处理模块的第二输入端相连，数字信号处理模块与计算机相互连接，所述的光纤脉冲激光器发出的光脉冲通过光纤波分复用滤波器射入传感光纤，在传感光纤中产生的背向瑞利散射和反斯托克斯拉曼散射光子波，经光纤波分复用滤波器分束，背向瑞利散射光返回光纤耦合器后经过第一光电接收模块，同时带有温度信息的反斯托克斯拉曼散射光子波经第二光电接收模块，两路信号将光信号转换成模拟电信号并放大。当只用瑞利散射光信息可以作为光时域反射计，而由反斯托克斯拉曼散射光与瑞利散射光的强度比，扣除应变的影响可以得到光纤各感温探测点的温度。通过数字采集及信号处理模块解调光纤各点的瑞利散射信号和温度信号，然后将所有信号通过USB与计算机的上位机取得通信，通过上位机可以形象地观察到光纤各点的光时域反射信号以及各点的温度信号。

最好是，所述光纤脉冲激光器的中心波长为1550nm，线宽为20kHz，激光脉冲宽度为 10ns，其峰值功率的范围大小可调，范围为5W-30W，其重复频率为的大小可调，范围为1kHz-10KHz。

最好是，光纤耦合器的分光比为99.9-95 % ：0.01-5 %。

最好是，传感光纤为烽火 62.5/125μm渐变型多模光纤。

最好是，第一光电接收模块为一般的光电二极管pin管或者是雪崩二极管APD，第二光电接收模块以 APD 作为光电探测器。

最好是，光纤波分复用滤波器的通道隔离度大于45dB。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点：

(1)本实用新型融合光时域反射计和分布式光纤拉曼温度传感器，使系统具有两用性，既可以用作光纤通信中光纤光缆测试又可以作为光纤温度传感。

(2) 实际应用中，用瑞利散射光解调反斯托克斯光的方法可以省去一个滤光片和一个APD，成本较低，经济上具有竞争优势。

(3) 用瑞利散射光解调反斯托克斯光的方法比用斯托克斯光解调反斯托克斯光的相对温度灵敏度高。

附图说明                

图1本实用新型分布式光纤拉曼温度传感器的系统的示意图。

具体实施方式

参照图1，融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统，其特征是包括光纤脉冲激光器1、光纤耦合器2、光纤波分复用滤波器3、传感光纤4、第一光电接收模块5、第二光电接收模块6、数字采集及信号处理模块7和计算机8, 光纤耦合器2的输入端与光纤脉冲激光器1相连，光纤波分复用滤波器3具有三个端口，其中1550nm 输入端口与光纤耦合器2第一输出端相连，COM输出端口与传感光纤4相连，1450nm输出端口与第二光电接收模块6的输入端相连，光纤耦合器2的第二输出端与第一光电接收模块5相连，第一光电接收模块5和第二光电接收模块6的两个输出端分别与数字采集及信号处理模块7的两个输入端口相连，数字采集及信号处理模块7与计算机8相互连接。

其中，光纤脉冲激光器1的中心波长为1550nm，线宽为20kHz，激光脉冲宽度为 10ns，峰值功率为5W-30W可调，重复频率为 1kHz-10KHz可调。铺设在现场的10km，空间分辨率为 1 米，具有 10,000个检测点。数字采集及信号处理模块采用前端放大器、AD采集卡、FPGA控制模块及DSP数字信号处理芯片共同组成的。

AD采集卡采用intersil公司的具有130MHz带宽、14位的AD芯片。DSP数字信号处理芯片采用TI公司的32位浮点处理芯片。

所述的光纤脉冲激光器1发出的光脉冲通过光纤波分复用滤波器3射入传感光纤4，在传感光纤4中产生的背向瑞利散射和反斯托克斯拉曼散射光子波，经光纤波分复用滤波器3分束，背向瑞利散射光返回光纤耦合器2后经过第一光电接收模块5，同时带有温度信息的反斯托克斯拉曼散射光子波经第二光电接收模块6，两路信号将光信号转换成模拟电信号并放大。当只用瑞利散射光信息可以作为光时域反射计，而由反斯托克斯拉曼散射光与瑞利散射光的强度比，扣除应变的影响可以得到光纤各感温探测点的温度。通过数字采集及信号处理模块7解调光纤各点的瑞利散射信号和温度信号，然后将所有信号通过USB与计算机8的上位机取得通信，通过上位机可以形象地观察到光纤各点的光时域反射信号以及各点的温度信号。

光时域反射计工作原理

当激光不断射入到光纤中时，光纤本身会不断产生反向的瑞利散射，通过测量分析这些反向散射光的功率，可以得到沿光纤长度分布的衰减曲线。采用这种技术,一根光纤中的连接点、耦合点以及断点的位置很容易被测量到 ,而且如果光纤有一段弯曲过大或者被过重外部物体所压制等情况也可以被测量到。

如附图1所示，由激光器发出的光脉冲射入到一段光纤中光纤开始端 ,通过耦合器分束到一个光电探测器上。这种后向散射光可以分为两种类型:一种是由于光纤的断面和光纤与光纤之间连接处的反射;另一种是瑞利散射光。实际上,光在光纤中传播时除了散射所引起的损耗外,光纤介质对传播光还有吸收作用 ,只不过按目前的生产能力,杂质已能被控制在很低程度,这种吸收相对于散射光来讲就会小很多。当功率为                                               

，频率为

的入射光到光纤中去，光电探测器所探测到的后向光纤L处的瑞利散射光为：

                    (1)

式中

是与光纤瑞利散射界面有关的系数，B为后向散射的系数，

是入射光在光纤中的传输损耗。

分布式光纤拉曼温度传感器原理

当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时, 这个光脉冲会沿着光纤向前传播, 在传播中的每一点都会产生反射, 反射之中有一小部分的反射光的方向正好与入射光的方向相反(称为“背向”) 。这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度( 该点的光纤的环境温度) 越高, 反射光的强度也越大。也就是说, 背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象, 若能测量出背向反射光的强度, 就可以计算出反射点的温度, 这就是利用光纤测量温度的基本原理。而系统的空间定位功能则通过测量从激光脉冲发出到背向反射光回来的时间差实现。以下用公式来表达: 当波长为的激光入射到光纤中, 它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波, 这些后向散射光波中除有一与入射光波长相同的瑞利谱线

之外, 在其两侧, 还存在着斯托克斯线(stokes)及反斯托克斯线(anti-stokes)

的两条谱线。

当功率为

，频率为的入射光到光纤中去，在光纤局域L处温度为T，光纤入射端所探测到的后向anti-stokes拉曼散射光表示为：

                (3)

式中

是与光纤anti-stokes散射界面有关的系数，B为后向散射的系数，

是anti-stokes散射光在光纤中的传输损耗，

为在温度T散射系数，表示为：

                   (4)

式中：h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量。

在温度信息的解方面：

由公式（3）和（4）可知anti-stokes拉曼散射光携带了温度信息。将公式（3）和（4）在室温条件T=300K下用泰勒级数展开有：

                        (5)

可见， anti-stokes拉曼散射光在室温下的温度灵敏度达0.8%，因此，我们一般利用测量anti-stokes拉曼散射光的光强进行测温。但如果仅仅采用 anti-stokes 散射光的光强所携带的温度信息来进行测温，那么入射光功率大小的不稳定性、光纤弯曲和受压等环境干扰对会影响 anti-stokes 光的光强。如果不将这些因素不加以消除，那么这些因素引起的 anti-stokes 光的光强变化都会被误认为是温度场的变化。

为了消除这些影响，我们一般利用双通道参考的方法，解调出散射区的温度信息。由于瑞利散射光对温度不敏感，所以我们也可以用瑞利散射OTDR曲线来解调anti-stokes 拉曼散射曲线。公式如下：

  (6)   

该方案提高了系统的相对温度灵敏度，也提高了系统的测温精度，高温环境下性能更佳，降低了系统的成本。

Claims (6)

1.融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统，其特征在于，包括光纤脉冲激光器（1）、光纤耦合器（2）、光纤波分复用滤波器（3）、传感光纤（4）、第一光电接收模块（5）、第二光电接收模块（6）、数字采集及信号处理模块（7）和计算机（8）；所述光纤耦合器（2）的输入端与光纤脉冲激光器(1)相连，光纤耦合器（2）的第二输出端与第一光电接收模块（5）相连；光纤波分复用滤波器（3）包括：与光纤耦合器（2）的第一输出端相连的1550nm 输入端、与传感光纤（4）相连的COM输出端和与第二光电接收模块(6)的输入端相连的1450nm输出端，第一光电接收模块（5）的输出端与数字采集及信号处理模块（7）的第一输入端连接，第二光电接收模块（6）的输出端与数字采集及信号处理模块（7）的第二输入端相连，数字信号处理模块（7）的与计算机（8）相互连接。

2.根据权利要求 1 所述的融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统，其特征在于，所述光纤脉冲激光器(1)的中心波长为1550nm，线宽为20kHz，激光脉冲宽度为 10ns，峰值功率为5W-30W，重复频率为 1kHz-10KHz。

3.根据权利要求 1 所述的融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统，其特征在于，光纤耦合器（2）的分光比为99.9-95 % ：0.01-5 %。

4.根据权利要求 1 所述的融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统，其特征在于，传感光纤(4)为烽火 62.5/125μm渐变型多模光纤。

5.根据权利要求 1 所述的融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统，其特征在于，第一光电接收模块（5）为光电二极管pin管或者是雪崩二极管APD，第二光电接收模块（6）以 APD 作为光电探测器。

6.根据权利要求 1 所述的融合光时域反射计与分布式光纤拉曼温度传感器的系统，其特征在于，光纤波分复用滤波器（3）的通道隔离度大于45dB。