CN202748163U - 一种长距离的拉曼分布式温度传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种长距离的拉曼分布式温度传感系统，包括位于系统前端的光纤脉冲激光器、电光调制器，1480nm泵浦光源、波分复用器、环形器和信号处理及显示模块，其特征在于，还包括位于系统后端并与系统前段的波分复用器连接的至少一级定标模块、传感光纤和中继放大模块，所述定标模块、传感光纤和中继放大模块依次连接；上述中继放大模块包含一个耦合器，一个掺铒光纤放大器，两个四通道的第一波分复用器和第二波分复用器，两个第一环形器和第二环形器。本实用新型的有益效果是：本实用新型的拉曼分布式光纤温度传感系统相较于传统的拉曼分布式光纤传感系统，加入了多级放大，显著延长了传感距离，并且提高了温度定标的精度。

Description

一种长距离的拉曼分布式温度传感系统

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种长距离的能够进行多级光放大以及利用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)多级温度定标的分布式光纤拉曼温度传感系统。

背景技术

近年来，基于自发拉曼散射原理的分布式光纤拉曼温度传感器因为能够在线实时监测光纤沿线大范围的温度，并且与基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器相比，具有成本低，不受应变的交叉干扰的优点，因而在石油管道、电力线路、地质考察等分布式温度监测领域得到广泛的应用。

与基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器相比，传统的基于拉曼散射原理的分布式光纤传感器在温度精度和传感距离上处于劣势，这是由于以下两点限制：首先，自发拉曼散射与自发布里渊散射和受激布里渊散射相比，散射光强度要弱30~50dB；其次，拉曼温度传感器无法应用分布式拉曼放大技术，只能在传感光纤的入射端进行泵浦光放大，同时还要控制光功率，使其低于拉曼阈值以免产生受激拉曼散射。由于这些因素的限制，使得拉曼分布式温度传感器的距离非常有限，只能限制在30km以内，并且温度精度较差（≥1℃），不能进一步满足更大范围的更高精度温度测量需求。

另外一个限制集中式光放大技术在拉曼分布式温度传感器中应用的因素是：加入光放大之后，在光纤的入射端进行的温度定标就不适合光放大之后的光纤中的散射光，从而无法对放大之后的拉曼散射光进行准确的温度解调。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了延长现有的拉曼分布式温度传感系统的传感距离并同时提高温度测量精度，提出了一种长距离的拉曼分布式温度传感系统。

本实用新型的技术方案是：一种长距离的拉曼分布式温度传感系统，包括位于系统前端的光纤脉冲激光器、电光调制器，1480nm泵浦光源、波分复用器、环形器和信号处理及显示模块，其特征在于，还包括位于系统后端并与系统前段的波分复用器连接的至少一级定标模块、传感光纤和中继放大模块，所述定标模块、传感光纤和中继放大模块依次连接；

上述中继放大模块包含一个耦合器，一个掺铒光纤放大器,两个四通道的第一波分复用器和第二波分复用器，两个第一环形器和第二环形器。

上述中继放大模块中各部件的连接结构为：耦合器的输入端与第一波分复用器的1480nm输出端连接，耦合器的第一输出端为掺铒光纤放大器的泵浦输入端，耦合器的第二输出端与第二波分复用器的1480nm输入端连接；第一波分复用器的1550nm输出端与第一环形器的第二端连接，第一环形器的第三端与掺铒光纤放大器的信号光输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与第二环形器的第一端连接，第二环形器的第二端与第二波分复用器的1550nm端连接，第二环形器的第三端和第一环形器的第一端连接；第一波分复用器的S和AS输出端分别与第二波分复用器的S和AS输出端连接；上述中继放大模块中的各部件封装在一个封闭箱内。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的拉曼分布式光纤温度传感系统相较于传统的拉曼分布式光纤传感系统，加入了多级放大，显著延长了传感距离，并且提出了利用光纤布拉格光栅温度定标方法，使得多级放大成为可能，并且提高了温度定标的精度，同时这种动态的温度定标方法减少了对恒温装置的需求。这种结构也适用于频域拉曼系统。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构框图。

图2为拉曼泵浦光脉冲的强度随长度变化情况示意图。

图3（a）和图3（b）为未加入掺饵光纤放大器（EDFA）以及加入掺饵光纤放大器（EDFA）的系统信噪比与传感光纤长度的关系示意图。

图4(a)是光纤布拉格光纤光栅(FBG)的反射谱图。

图4(b)是光纤布拉格光纤光栅的布拉格波长与温度的关系图。

附图标记说明：光纤脉冲激光器1、中继放大模块2、第一波分复用器21、第二波分复用器22、波分复用器21、第一环形器23、第一端231、第二端232、第三端233、第二环形器24、第一端241、第二端242、第三端243、掺铒光纤放大器25、耦合器26、输入端260、第一输出端261、第二输出端262、定标模块3、传感光纤4、电光调制器5，环形器6、第一端口61、第二端口62、第三端口63、波分复用器7、1480nm泵浦光源8、信号处理及显示模块9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，一种长距离的拉曼分布式温度传感系统，包括位于系统前端的光纤脉冲激光器1、电光调制器5，1480nm泵浦光源8、波分复用器7、环形器6和信号处理及显示模块9，其特征在于，还包括位于系统后端并与系统前段的波分复用器7连接的至少一级定标模块3、传感光纤4和中继放大模块2，所述定标模块3、传感光纤4和中继放大模块2依次连接。

上述中继放大模块2包含一个耦合器26，一个掺铒光纤放大器（Erbium-doped OpticalFiber Amplifer，EDFA）25,两个四通道的第一波分复用器（WDM）21和第二波分复用器22，两个第一环形器23和第二环形器24。

上述中继放大模块2中各部件的连接结构为：耦合器26的输入端260与第一波分复用器21的1480nm输出端连接，耦合器26的第一输出端261为掺铒光纤放大器25的泵浦输入端，耦合器26的第二输出端262与第二波分复用器22的1480nm输入端连接；第一波分复用器21的1550nm输出端与第一环形器23的第二端232连接，第一环形器23的第三端233与掺铒光纤放大器25的信号光输入端连接，掺铒光纤放大器25的输出端与第二环形器24的第一端241连接，第二环形器24的第二端242与第二波分复用器22的1550nm端连接，第二环形器24的第三端243和第一环形器23的第一端231连接；第一波分复用器21的S和AS输出端分别与第二波分复用器22的S和AS输出端连接。上述中继放大模块2中的各部件封装在一个封闭箱内。

上述定标模块3的内部结构为：包括一个光纤布拉格光纤光栅FBG和一段作为定标光纤的G.652光纤（本实施例中光纤长度为100m），FBG的输入端为定标模块的输入端，FBG输出端与G.652普通单模光纤连接，普通单模光纤的尾端为定标模块的输出端。所用定标模块3中封装的FBG温度传感器为低反射率型，反射率在1%~3%，所用光纤为G.652普通单模光纤，1480nm泵浦与中继放大模块2由光纤连接，连接用光纤与传感光纤4封装在1根光缆中。所述定标模块3中的FBG与定标光纤封装在一个封闭箱内，并彼此紧密靠紧，保证FBG与定标光纤的温度一致。并且不同级的定标模块3中的FBG的布拉格波长不同，并且在1550nm±1nm以内。

本实施例中，定标模块3被视为现有技术而未对其内部结构做更详细的描述，但是这不影响本实用新型的实施。

上述光纤脉冲激光器1的中心波长为1550nm，线宽为2nm，激光脉冲10ns，峰值功率为1-100W可调，重复频率为500Hz~50kHz可调。

上述1480nm泵浦光源8的泵浦采用的是半导体激光器。

上述的传感光纤4、1480nm泵浦光源8与中继放大模块2的连接光纤封装成双芯光缆。

上述的信号处理及显示模块9包括数据采集卡和信号处理工控机，数据采集卡与工控机相连。由于本实用新型中信号处理及显示模块9是现有的拉曼分布式温度传感系统中的公知部件，因此对其结构和功能不再详细描述，这并不影响本实用新型的实施。

为了进一步说明本实用新型，按照光路顺序对本实用新型中的各部件的连接关系进行描述：

上述光纤脉冲激光器1与电光调制器5连接，从光纤脉冲激光器1出来的激光经过电光调制器5的调制到一个较高频率后，从环形器6的端口61进入，然后进入到4通道的波分复用器7的1550nm通道，再进入第一组定标模块3，经过一段较长距离的传感光纤4的传输后，激光的能量已经衰减得很低了，这时会进入第一级中继放大模块2，中继放大模块2中的第一波分复用器(WDM)21的公共端作为中继模块2的输入端，第一波分复用器21的1480nm通道的输出端接入耦合器26，从耦合器第一输出端261分出一路作为掺铒光纤放大器(EDFA)25的泵浦输入，从耦合器第二输出端262分出另外一路进入后面的第二波分复用器22作为下一级的泵浦，第一波分复用器21的1550nm通道通过第一环形器23进入掺铒光纤放大器25作为信号光的输入，掺铒光纤放大器25的输出端接第二环形器24的第一端241，经过第二端242进入第二波分复用器22，各路信号经第二波分复用器22合波后从公共端输出端进入下一级定标模块3，激光继续循环向前传输直到到达最后一级中继放大模块2。

同时，上述传感光纤4中的后向拉曼散射光会沿着传感光纤4后向传输，当经过中继放大模块2，会经过中继放大模块2中的第一波分复用器21和第二波分复用器22分波再合波后继续往后传输，最终经过系统前端的波分复用器7的公共端，斯托克斯和反斯托克斯光分别经过S和AS通道进入信号处理及显示模块9进行处理；

同时，定标模块3中的FBG反射也会后向传输，经过中继放大模块2时，会在中继放大模块2的内部由第二环形器24的第三端243进入第一环形器23的第一端231，随后通过1550nm通道传出中继放大模块2，最后经过系统前端的波分复用器7和环形器6的第二端口62、第三端口63进入信号处理及显示模块9，经处理后完成温度的定标。

如果需要多级放大，可按照定标模块3，传感光纤4和中继放大模块2的顺序依次连接。

为了证明本实用新型方案的可行性，下面对本实用新型的原理做进一步的说明：

光纤脉冲激光器1产生的光脉冲经过电光调制器5调制到一个较高频率，然后通过第一端口61进入环形器6到第二端口62，由波分复用器7的1550nm端，经过定标模块3打入传感光纤4。光脉冲经过定标模块3时，定标模块中封装的FBG反射少部分光经波分复用器7的公共端，环形器6的第二端口62、第三端口63后进入信号处理及显示模块9中的光谱探测器，从而得到定标模块3中的FBG的中心波长，通过FBG中心波长与温度的对应关系，就可以得到定标模块3中光纤的温度；定标模块3中光纤中产的自发拉曼射光也被散射回光电探测器，从而得到定标光纤的反斯托克斯光和斯托克斯光的比值R(z₀)和T₀，这样就完成了第一次定标。

从定标模块3出来的光脉冲打入传感光纤4，在传感光纤4中产生自发拉曼散射，同时光纤沿线的温度对自发拉曼散射光的强度进行了调制，自发拉曼散射光散射回输入端后，经过光波分复用器到达光电探测器，从而得到传感光纤中的斯托克斯光与反斯托克斯光的散射曲线，再经过进一步的信号处理，就得到传感光纤沿线的温度分布情况。同时，由于泵浦光经过传感光纤4的损耗，到达放大模块之前的泵浦光强度较弱，使得后面的自发拉曼散射光强度较弱，从而无法保证后面的温度精度。1480nm泵浦光进入放大模块2的输入端后，经过耦合器26后，分出一部分作为该级放大模块2中的EDFA的泵浦光，剩余部分作为下一级放大模块EDFA的泵浦光。经过放大模块的放大，1550nm的拉曼泵浦光强得到补偿放大，使放大模块2后面光纤中的自发拉曼散射光变强，从而延长了传感距离，提高了传感光纤后端的温度精度。放大模块2后端连接定标模块3，然后连接传感光纤4。定标模块3中的定标光纤与传感光纤4的自发拉曼射光散射回放大模块的输出端口，从放大模块的输入端散射回光电探测器，从而得到放大模块2后端光纤的自发拉曼散射曲线。在经过传感光纤4后，可以级联放大模块和定标模块继续延长拉曼分布式温度传感系统的距离。

本实用新型的原理的理论推导如下：

信号处理及显示模块9中的光电探测器探测到的斯托克斯光功率和反斯托克斯光的强度可以用下式表示：

$I_{\mathrm{as}}(z,T)=P_0{A}_{\mathrm{as}}\left(T\right)\exp (-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_p\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)\mathrm{dz})+C$ 公式(1)

$I_s(z,T)=P_0{A}_s\left(T\right)\exp (-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_p\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_s\left(z\right)\mathrm{dz})+D$ 公式(2)

其中,P₀为泵浦光功率，A_as(T)、A_s(T)分别为与温度相关的反斯托克斯光和斯托克斯光的散射系数，α_p(z)、α_as(z)、α_s(z)分别为泵浦光、反斯托克斯光和斯托克斯光与位置相关的衰减系数，z、T分别是距离和温度，C和D分别为光电探测器的暗电流。二者的比值可以表示为

$R(z,T)=\frac{I_{\mathrm{as}}(z,T)-C}{I_s(z,T)-D}$

公式（3）

$={\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{as}}}\right)}^4\·\exp [-\frac{\mathrm{hc\Δv}}{\mathrm{kT}\left(z\right)})+({\∫}_0^z-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}\left(z\right)-{\mathrm{\α}}_s\left(z\right))\mathrm{dz}]$

其中h、c、k、Δv分别为普朗克常数、光速、玻尔兹曼常数、拉曼频移（cm^-1）。拉曼分布式光纤传感系统的信噪比可以由下式得到

$\mathrm{SNR}=\frac{R\·P_r\left(L\right)\·M}{(2e{F}_A(I_d+R\·P_r\left(L\right))M^2+4(\mathrm{kT}/R_L)F_n)B}$ 公式(4)

其中e、R、P_r(L)、I_d、M、x_m分别代表电子电荷量、光电探测器的响应度、拉曼散射光功率、光电探测器的暗电流、雪崩增益系数、光电探测器的过剩噪声，k、T、R_L分别代表玻尔兹曼常数、探测器工作的绝对温度、负载电阻，F_n、B代表前置放大器的放大器的噪声系数和带宽。在没有EDFA放大的情况下，系统信噪比与传感光纤长度的关系如图3（a）所示。由公式（1）（2）可以看到，随着拉曼泵浦光经过长距离的衰减，拉曼散射光功率P_r(L)越来越弱，由公式（3）可以看出系统信噪比SNR随着距离的增加不断降低。

而利用1480nm的半导体激光器可以有效的泵浦EDFA，仅用几毫瓦的泵浦功率就可以获得30~40dB的高增益放大，泵浦效率可达到5.0db/mW，因此1480nm的激光经过长距离传输损耗后，仍然能提供足够功率的泵浦光对1550nm的拉曼泵浦光进行放大，从而在光纤后端仍能获得较高的信噪比。在加入EDFA后，拉曼泵浦光脉冲的强度随长度变化情况如图2所示。加入EDFA放大之后，系统信噪比随光纤长度的变化如图3（b）所示。

由于使用的光纤激光器的线宽大约在2nm，通过光谱探测的方法可以得到FBG反射谱。用于温度定标的FBG反射谱如图4（a）所示。用于温度定标的FBG的布拉格波长的变化与温度变化的关系可以表示为

Δλ_B=λ_B(1+ξ)ΔT              公式（5）

其中，λ_B是FBG的布拉格波长，ξ是FBG的热光系数，ΔT是FBG的温度变化。这样，通过探测FBG的反射谱就可以得到FBG布拉格波长的变化，进而得到位于光纤z₀处的定标模块0的实时温度T(z₀)。

定标模块中的FBG的布拉格波长的漂移随温度的变化如图4（b）所示

这样，第1级传感光纤段上的温度分布可以表示为：

$T\left(z\right)={\left(\frac{k_B}{\mathrm{hc\Δv}}\ln \right(\frac{R\left(z_0\right)}{R\left(z\right)}+\frac{1}{T\left(z_0\right)})}^{-1}$ 公式（6）

第n级传感光纤段的温度分布可以利用下式计算

$T\left(z\right)={\left(\frac{k_B}{\mathrm{hc\Δv}}\ln \right(\frac{R\left(z_n\right)}{R\left(z\right)}+\frac{1}{T\left(z_n\right)})}^{-1}$ 公式（7）

其中，z_n为第n级定标模块所处的位置，T(z_n)为光纤z_n处的第n级定标模块的实时温度。这样，就测得第n级传感光纤段的温度分布。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种长距离的拉曼分布式温度传感系统，包括位于系统前端的光纤脉冲激光器（1）、电光调制器（5），1480nm泵浦光源（8）、波分复用器（7）、环形器（6）和信号处理及显示模块（9），其特征在于，还包括位于系统后端并与系统前段的波分复用器（7）连接的至少一级定标模块（3）、传感光纤（4）和中继放大模块（2），所述定标模块（3）、传感光纤（4）和中继放大模块（2）依次连接；

上述中继放大模块（2）包含一个耦合器（26），一个掺铒光纤放大器（EDFA）（25）,两个四通道的第一波分复用器（WDM）（21）和第二波分复用器（22），两个第一环形器（23）和第二环形器（24）。

2.根据权利要求1所述的一种长距离的拉曼分布式温度传感系统，其特征在于，上述中继放大模块（2）中各部件的连接结构为：耦合器（26）的输入端（260）与第一波分复用器（21）的1480nm输出端连接，耦合器（26）的第一输出端（261）为掺铒光纤放大器（25）的泵浦输入端，耦合器（26）的第二输出端（262）与第二波分复用器（22）的1480nm输入端连接；第一波分复用器（21）的1550nm输出端与第一环形器（23）的第二端（232）连接，第一环形器（23）的第三端（233）与掺铒光纤放大器（25）的信号光输入端连接，掺铒光纤放大器（25）的输出端与第二环形器（24）的第一端（241）连接，第二环形器（24）的第二端（242）与第二波分复用器（22）的1550nm端连接，第二环形器（24）的第三端（243）和第一环形器（23）的第一端（231）连接；第一波分复用器（21）的S和AS输出端分别与第二波分复用器（22）的S和AS输出端连接；上述中继放大模块（2）中的各部件封装在一个封闭箱内。

3.根据权利要求1所述的一种长距离的拉曼分布式温度传感系统，其特征在于，上述定标模块（3）的内部结构为：包括一个光纤布拉格光纤光栅FBG和一段作为定标光纤的G.652光纤，FBG的输入端为定标模块的输入端，FBG输出端与G.652普通单模光纤连接，普通单模光纤的尾端为定标模块的输出端。

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