CN202274948U - 一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统，包括脉冲激光光源、光纤波分复用耦合器、传感光缆、光电探测器、小信号放大模块、数据采集模块及系统主机，所述脉冲激光光源采用多窄脉冲激光光源。本实用新型的有益效果在于：采用多窄脉冲激光光源，把窄脉冲光分散成几个更窄的脉冲光，使得光源的峰值功率降低，解决了自发辐射的问题，从而消除了非线性的问题；同时，这几个更窄的脉冲光总的拉曼散射光功率没有大大降低，使得测量距离可以变得更长而不产生非线性；以不增加额外成本的方式解决了光源功率增加与测量距离增加的矛盾问题。

Description

一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统

技术领域

本实用新型涉及分布式光纤测温系统技术领域，特别涉及一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统。

背景技术

分布式光纤测温系统(以下称DTS系统)是一种基于OTDR和拉曼散射原理研制而成的温度测量系统，其温度传感器是光纤(通常制作成光缆)。DTS利用光纤的拉曼效应，即光纤铺设位置(空间)的温度场调制了光纤中传输的后向拉曼散射光，经光电转换及信号处理后就可解调出温度场的实时温度信息。DTS系统组成一般包括大功率脉冲激光光源，光纤波分复用耦合器，传感光缆，光电探测器，信号放大模块，数据采集模块及系统主机(PC机或工控机)。由于DTS是分布式的，即光缆连续地铺设在需要监测的现场，而且距离较长(通常是几公里)，相比与其他测温系统，DTS具有明显的优势。该系统目前已广泛应用于各种隧道，电力，钢铁厂及矿场等需要火灾监测的领域。

DTS系统经过多年的研究和发展，目前中短距离(指的是可测量距离的长度)的系统已很成熟而且已经大量上市；但是长距离的系统，例如可测量12km到25km的系统尚处于研发阶段，市面上也有一些可测量长距离的DTS系统，但其成本高昂，限制了该系统的普及。因此，研制长距离DTS，降低其制造成本具有重要意义。

实验表明，大功率激光在光纤中传输，当功率高于某个阈值时，在大约十几公里处容易产生自发辐射；而对于DTS，自发辐射达到一定程度时，系统产生非线性，这时系统就无法解调出温度信息。而如果降低光源功率，可以消除非线性，但根据ODTR原理，由于光在光缆中的传输损耗，距离增加了，光缆末端处的拉曼散射光功率将变得更低，同时从尾端处传输回来的光路程更长，损耗也更大，这导致了散射光回到光电探测器时光功率变得非常弱，不易探测。所以这就产生了光源功率增加——测量距离增加，但产生非线性，而光源功率降低——消除非线性，但测量距离变短的矛盾。因此，目前中短距离的DTS系统，不能简单地增加其光源的功率达到测量距离的增加。

此外，实验表明，激光脉冲通过编码的方式来发射激光也无法消除系统非线性(因此不能增加测量距离)，其主要原因是没有一种编码既能够把光脉冲完全分开又可以解调出单个拉曼信号，因而不能解调出温度信号。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统，可以消除DTS在长距离测量时光缆尾部产生的非线性，提高拉曼散射光光功率，增长测量距离。

为了达到上述目的，本实用新型采用一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统，包括脉冲激光光源、光纤波分复用耦合器、传感光缆、光电探测器、小信号放大模块、数据采集模块及系统主机。其特征在于：所述脉冲激光光源采用多窄脉冲激光光源。

所述多窄脉冲激光光源，其功能是把一定宽度的光脉冲拆分成几个更窄的脉冲，并按一定的占空比发送。多个窄脉冲激光是重复出现的，具有一定的重复频率(如10kHz)；多个窄脉冲之间有时间间隔，一般间隔时间为一个脉冲的宽度。

把窄脉冲光分散成几个更窄的脉冲光后，其单个脉冲光的峰值功率降低了，而且峰值功率分散在几个时刻，从而使得光源的峰值功率下降，解决了自发辐射的问题，从而消除了非线性。

这几个更窄的脉冲光在光缆中产生的拉曼散射光相互叠加，其总的拉曼散射光功率并没有大大降低，光缆末端处的拉曼散射光回到光电探测器输入端的功率并没有因为光源峰值功率的降低而产生更多损耗(即光电探测模块的信噪比并没有因此降低)，这就使得测量距离可以变得更长而不产生非线性。

系统各个部分功能如下：

所述多窄脉冲激光光源，其功能是产生多个窄脉冲激光，并按一定的占空比发送。多个窄脉冲激光是重复出现的，具有一定的重复频率(如10kHz)；脉冲之间有时间间隔，通常间隔时间为一个脉冲的宽度。例如，把重复频率为10kHz，脉宽为20ns的脉冲激光拆分成4个5ns的脉冲激光，并按10101010的方式发送。这里1表示有脉冲激光输出；0表示无光输出，其持续时间为一个脉冲宽度。

产生的多窄脉冲激光通过光纤波分复用耦合器进入传感光缆，并沿着传感光缆向前传输，同时在光缆内部产生后向传输的拉曼散射光；拉曼散射光向后沿着光缆传输，回到光纤波分复用耦合器，并进入光电探测器，产生光电转换。

特别地，光在光缆中传输时，其光功率产生损耗，损耗大小与光缆长度成正比。所以，向前传输的脉冲光达到光缆尾部时，其功率损耗的大小与光缆长度有关，长度越长，损耗越大。同样，向后传输的拉曼散射光到达传感光缆前部时，其功率也产生损耗，损耗的大小与光缆长度有关，长度越长，损耗越大。

进一步地，为了使得探测距离增加，也就是传感光缆变长，考虑非线性的同时，也要考虑光的传输损耗。

所述光纤波分复用耦合器，其功能是：使得脉冲激光可以从多窄脉冲激光光源通过光纤波分复用耦合器，只能进入到传感光缆，但不能进入到光电探测器；使得拉曼散射光可以从传感光缆通过光纤波分复用耦合器，只能进入到光电探测器，但不能进入到多窄脉冲激光光源。

所述传感光缆，其功能是探测光缆所处环境的温度变化。当光缆所处环境温度发生变化时，其内部的拉曼散射光强度也发生变化，根据这一变化，就可以解调出光缆所处环境的温度信息。

所述光电探测器，其功能是把光信号转变成电信号；通常光信号是功率微弱的光信号，转变成的电信号也是微弱电信号。

所述小信号放大模块，其功能是对光电探测器产生的微弱电信号放大和模拟滤波。

所述数据采集模块，其功能是完成电信号模拟到数字的转换(即数据采集)，并做累加处理，然后把处理好的数据传输到系统主机。

所述系统主机，其功能是完成温度信息的解调，温度曲线的显示等处理。

本实用新型的有益效果在于：采用多窄脉冲激光光源，把窄脉冲光分散成几个更窄的脉冲光，使得光源的峰值功率降低，解决了自发辐射的问题，从而消除了非线性的问题；同时，这几个更窄的脉冲光总的拉曼散射光功率没有大大降低，使得测量距离可以变得更长而不产生非线性；以不增加额外成本的方式解决了光源功率增加与测量距离增加的矛盾问题。

附图说明

图1为本实用新型各电路模块连接图；

图2为本实用新型所述DTS系统拉曼散射原理图。

具体实施式

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体实施步骤。

如附图1所示：一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统，包括脉冲激光光源1、光纤波分复用耦合器2、传感光缆3、光电探测器4、小信号放大模块5、数据采集模块6及系统主机7，所述脉冲激光光源1采用多窄脉冲激光光源。

如附图2所示：所述多窄脉冲激光光源，是把一定宽度(比如2T)的光脉冲拆分成几个更窄的脉冲，并按一定的占空比发送。多个窄脉冲激光是重复出现的，具有一定的重复频率(如10kHz)；多个窄脉冲之间有时间间隔，比如间隔时间为一个脉冲的宽度。例如，把重复频率为10kHz，脉宽为10ns的脉冲激光拆分成2个5ns的脉冲激光，并按1010的方式发送。这里1表示有脉冲激光输出；0表示无光输出，其持续时间为一个脉冲宽度。

把原来的宽脉冲光分散成几个更窄的脉冲光后，其单个脉冲光的峰值功率降低了，而且峰值功率分散在几个时刻，从而使得光源的峰值功率下降，解决了自发辐射的问题，从而消除了非线性。

这几个更窄的脉冲光在光缆中产生的拉曼散射光相互叠加，其总的拉曼散射光功率并没有大大降低，光缆末端处的拉曼散射光回到光电探测器4端的功率并没有因为光源峰值功率的降低而产生更多损耗(即光电探测模块的信噪比并没有因此降低)，这就使得测量距离可以变得更长而不产生非线性。

所述光纤波分复用耦合器2，其功能是：使得脉冲激光可以从脉冲激光光源通过光纤波分复用耦合器2，只能进入到传感光缆，但不能进入到光电探测器4；使得拉曼散射光可以从传感光缆通过光纤波分复用耦合器2，只能进入到光电探测器4，但不能进入到脉冲激光光源1。

所述传感光缆3，其功能是探测光缆所处环境的温度变化，当光缆所处环境温度发生变化时，其内部的拉曼散射光强度也发生变化，根据这一变化，就可以解调出光缆所处环境的温度信息。

所述光电探测器4，其功能是把微弱的光信号转变成的微弱的电信号。

所述小信号放大模块5，其功能是对光电探测器4产生的微弱电信号放大和模拟滤波。

所述数据采集模块6，其功能是完成电信号模拟到数字的转换(即数据采集)，并做累加处理，然后把处理好的数据传输到系统主机7。

所述系统主机7可以是PC机或工控机，其功能是完成温度信息的解调，温度曲线的显示等处理。

所述一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统的工作过程如下：

脉冲激光光源1产生的多个窄脉冲通过光纤波分复用耦合器2进入传感光缆3，并沿着传感光缆3向前传输，同时在传感光缆3内部产生后向传输的拉曼散射光；拉曼散射光向后沿着传感光缆3传输，回到光纤波分复用耦合器2，并进入光电探测器4，产生光电转换，转换成微弱的电信号，该微弱的电信号经小信号放大模块5放大和滤波后进入数据采集模块6，完成电信号模拟到数字的转换，即数据采集，并做累加处理，然后把处理好的数据传输到系统主机7。系统主机7对采集到的数据进行温度信息的解调、温度曲线的显示等处理后，就可以读出所测温度场的温度信息了。

Claims (3)

1.一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统，包括脉冲激光光源、光纤波分复用耦合器、传感光缆、光电探测器、小信号放大模块、数据采集模块及系统主机，其特征在于：所述脉冲激光光源采用多窄脉冲激光光源。

2.根据权利要求1所述的一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统，其特征在于：所述多窄脉冲激光光源是把一定宽度的光脉冲拆分成几个更窄的脉冲，并按一定的占空比发送。

3.根据权利要求2所述的一种基于多窄脉冲的长距离分布式光纤测温系统，其特征在于：所述几个更窄的脉冲之间有时间间隔，一般间隔时间为一个脉冲的宽度。

Images