CN203376078U - 格雷编码分布式光纤温度传感器和测温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种基于互补脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器，包括主半导体激光器、副半导体激光器、2*1耦合器、EDFA、波分复用器、传感光纤、2个光电接收模块、数据采集及编码生成模块，基于格雷编码和互补脉冲调制的主副光源方案，采用格雷编码脉冲原理有效地提高了进入传感光纤的光子数，提高了系统的信噪比，增加了传感光纤的长度或在光纤长度不变测量相同指标情况下降低了系统的测量时间，采用主副激光器互补脉冲控制方案解决了目前所遇到的EDFA瞬态效应问题，提高了系统的监测指标。

Description

格雷编码分布式光纤温度传感器和测温系统

技术领域

 本实用新型涉及光纤温度传感器，具体的说是一种特别适用于分布式光纤测温系统的，能够有效抑制EDFA（掺饵光纤放大器）的瞬态效应，进而提高光纤通信稳定性、保证光纤测温精度的基于互补脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器和测温系统。

背景技术

 分布式光纤温度传感器是利用光纤自发拉曼散射光强受温度调制的原理和光时域反射原理而组成的分布式光纤拉曼温度传感器，具有广阔的应用市场。由于它可以在线实时预报现场的温度及其变化的趋势，设置报警温度对现场温度变化进行监测，是一种本质安全型的线型感温探测器，已成功应用于石油石化、电力及港口等领域。

在现有的分布式光纤测温系统中，广泛使用大功率脉冲激光器作为信号源，但是如果激光脉冲峰值功率太强则在长距离温度测量时光纤容易发生非线性效应，进而导致无法进行正确的温度解调。为了避免非线性效应只能降低激光脉冲峰值功率，但由此会导致DTS信噪比的降低，使得温度波动度等DTS指标变差。所以，目前使用大功率脉冲激光器的分布式光纤测温系统的测量距离一般在10Km以内，无法满足长距离测温的应用需求。此外，目前分布式光纤测温系统的空间分辨率主要由大功率脉冲激光器的脉冲宽度决定，而大功率脉冲激光器的脉冲宽度难以实现10ns以下，进而使分布式光纤测温仪的空间分辨率难以做到1m以内。为了解决该问题，研究人员采用 EDFA对脉冲激光器所发出的信号进行放大处理。

EDFA在光纤通信系统中已经得到的广泛的应用，成为光纤通信系统中的关键技术之一，在光纤通信过程中，当输入EDFA的光信号的强度发生较大变化，例如发生16db的掉波或者上波时，铒纤中的能量会瞬间转移到剩余的信号波长中，相应的使该剩余信号波长产生过冲或者欠冲，过冲和欠冲在多级EDFA级联的时候会严重影响系统的稳定性，因此抑制EDFA的瞬态效应对于提高光纤通信稳定具有重要意义。同时，在分布式光纤测温系统中对EDFA瞬态效应的抑制也可以提高系统的温度指标。

中国专利CN 101819073 A公布了一种采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器，包括有S矩阵转换原理、S矩阵产生、拉曼反射光接收和解码模块，虽然可以在一定程度上解决该问题，但由于其编码复杂、控制难度高、解调计算量大的特点，影响了分布式光纤测温系统的解调精度和速度。

本发明人发表的CN 201220019315.7专利，发表了一种基于脉冲编码的激光发生装置，解决了S矩阵所面临的编码复杂、解调计算量大等特点，但仍然面临着与CN 101819073 A相同的采用EDFA放大模块所带来的瞬态效应问题，并因此降低了系统的监测指标。目前，针对EDFA的瞬态效应国内外的研究者有采用分布式拉曼放大器方案来解决，但该方案虽解决了EDFA的瞬态问题，但由于经分布式拉曼放大器输出的信号放大能力有限，仅为6dB，极大的限制了系统的测量距离。

发明内容

本实用新型针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种能够有效提高光纤温度传感器的测温距离并提高数据传输信噪比，解决目前使用EDFA放大模块所普遍遇到的瞬态效应的，成本低、结构简单、稳定可靠，特别适用于分布式光纤测温系统（DTS）的基于互补脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器和测温系统。

本实用新型可以通过以下措施达到：

一种格雷编码分布式光纤温度传感器，设有主半导体激光器、副半导体激光器、2*1耦合器、EDFA放大器、波分复用器、传感光纤、2个光电接收模块、数据采集及编码生成模块，其特征在于数据采集及编码生成模块内的两路编码输出端分别与主半导体激光器和副半导体激光器的控制信号输入端相连，主半导体激光器的输出端与2*1耦合器的一路输入端相连，副半导体激光器的输出端与2*1耦合器的另一路输入端相连，2*1耦合器的输出端与EDFA放大器的输入端相连，EDFA放大器的输出端与波分复用器的信号输入端相连，波分复用器的com输出端与传感光纤相连，波分复用器内的分别用于接收背向拉曼反斯托克斯散射光信号、背向拉曼斯托克斯散射光信号的输出端口均对应连接一个光电接收模块，两个光电接收模块的输出端与数据采集及编码生成模块内的数据采集电路相连接。

本实用新型中所述波分复用器由背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片、背向拉曼斯托克斯散射光滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成，其中背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片以及背向拉曼斯托克斯散射光滤波片的中心波长分别与主半导体激光器输出的光信号进入传感光纤后产生的两种背向光信号的中心波长相符，而与副半导体激光器输出的光信号进入传感光纤后产生的两种背向光信号的中心波长不相符，已实现从EDFA放大后的混合光信号中分离出待处理的主激光脉冲信号。

本实用新型中所述数据采集及编码生成模块内设有格雷码编码生成电路和数据采集电路，其中格雷编码输出电路分别向主半导体、副半导体输出彼此互补的4组编码脉冲控制信号。

本实用新型中所述主半导体激光器输出的光信号中心波长可以为1550nm，工作阈值电流10mA，热敏电阻10kohm，谱宽0.1nm，功率15mW；本实用新型中所述的副半导体激光器输出光信号的中心波长可以为1560nm，阈值电流10mA，热敏电阻10kohm，谱宽0.1nm，功率15mW；对应的波分复用器内背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片中心波长为1450nm,光谱宽度为10nm,通带纹波<0.3dB，插入损耗<0.3dB，对1665 nm隔离度>35dB；背向拉曼斯托克斯散射光滤波片中心波长为1665nm,光谱宽度为10nm,通带纹波<0.3dB，插入损耗<0.3dB，对1450 nm隔离度>35dB；本实用新型中所述的EDFA放大器的工作波长范围为1545-1565nm，放大脉冲宽度为1-2us，重复频率为4-10kHz，输入功率为10dBm，输出功率39dBm,消光比40dB。

一种格雷编码分布式光纤测温系统，包括分布式光纤温度传感器、工控机，其中分布式光纤温度传感器的输出端与工控机相连接，其特征在于所述分布式光纤温度传感器为如上所述的格雷编码分布式光纤测温传感器，分布式光纤温度传感器中的数据采集及编码生成模块内数据采集电路的输出端与工控机相连。

本实用新型在工作时，数据采集及编码生成模块内的格雷码编码生成电路输出的两路彼此互补的4组编码脉冲控制信号被分别送入主半导体激光器和副半导体激光器，分别用于控制主、副激光器产生互补的4组编码脉冲光信号，4组编码脉冲光信号经耦合器耦合处理后共同送给EDFA放大器，并经EDFA放大处理后输出具有功率一致性好的放大后的4组混合编码脉冲信号，该4组光信号通过波分复用器进入传感光纤，传感光纤散射回来的背向拉曼信号分别经波分复用器的背向散射光滤波片进入与其相连接的光电接收模块，最终由数据采集及编码生成模块中的数据采集电路将拉曼散射信号传给工控机，工控机将斯托克斯和反斯托克斯各自的4组信号分别与4组主激光编码序列进行相关处理，并将相关后的数据进行加减处理得到所需的后向散射斯托克斯和反斯托克斯电信号，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系，将根据传感光纤上的信号强度计算出相应光纤所处位置处的温度信息，为了保证温度的准确可靠，通过温度检测的方式对标定段光纤进行温度定标，校正系统的温度并实时监测光纤上各段的温度及变化。

本实用新型中所述的基于互补脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器的空间分辨率由编码序列单个窄脉冲激光的宽度决定，采用两个激光器互补脉冲控制方案解决了目前所遇到的EDFA瞬态效应问题，提高了系统的监测指标。

本实用新型提供的一种基于互补脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器，采用格雷编码脉冲原理有效地提高了进入传感光纤的光子数，提高了系统的信噪比，在增加了传感光纤的长度或在光纤长度不变、测量相同指标情况下降低了系统的测量时间，采用两个激光器互补脉冲控制方案解决了目前所遇到的EDFA瞬态效应问题，提高了系统的监测指标。

附图说明：    

附图1是本实用新型中格雷编码分布式光纤温度传感器的结构示意图。

附图2是本实用新型中一种格雷编码分布式光纤测温系统的结构示意图。

附图3是本实用新型中主半导体激光器、副半导体激光器在互补的编码脉冲控制信号的控制下输出的一组互补的编码脉冲光信号波形图。

附图4是本实用新型中2*1耦合器输出端的信号波形图。

附图5是现有技术中经过EDFA放大器放大后在瞬态效应影响下的激光编码脉冲信号波形图。

附图6是本实用新型中EDFA放大器放大后的激光编码脉冲信号波形图。

附图标记：主半导体激光器1、副半导体激光器2、2*1耦合器3、EDFA放大器 4、波分复用器5、传感光纤6、光电接收模块7、光电接收模块8、数据采集及编码生成模块9、工控机10。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。   

如附图1所示，本实用新型首先提出了一种格雷编码分布式光纤温度传感器，设有主半导体激光器1、副半导体激光器2、2*1耦合器3、EDFA放大器4、波分复用器5、传感光纤6、2个光电接收模块、数据采集及编码生成模块9，其特征在于数据采集及编码生成模块9内的两路编码输出端分别与主半导体激光器1和副半导体激光器2的控制信号输入端相连，主半导体激光器1的输出端与2*1耦合器3的一路输入端相连，副半导体激光器2的输出端与2*1耦合器3的另一路输入端相连，2*1耦合器3的输出端与EDFA放大器4的输入端相连，EDFA放大器4的输出端与波分复用器5的信号输入端相连，波分复用器5的com输出端与传感光纤6相连，波分复用器5内的分别用于接收背向拉曼反斯托克斯散射光信号、背向拉曼斯托克斯散射光信号的输出端口均对应连接一个光电接收模块，两个光电接收模块的输出端与数据采集及编码生成模块9内的数据采集电路相连接。

本实用新型中所述波分复用器5由背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片、背向拉曼斯托克斯散射光滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成，其中背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片以及背向拉曼斯托克斯散射光滤波片的中心波长分别与主半导体激光器1输出的光信号进入传感光纤后产生的两种背向光信号的中心波长相符，而与副半导体激光器2输出的光信号进入传感光纤6后产生的两种背向光信号的中心波长不相符，已实现从EDFA放大器4放大后的混合光信号中分离出待处理的主激光脉冲信号。

本实用新型中所述数据采集及编码生成模块9内设有格雷码编码生成电路和数据采集电路，其中格雷编码输出电路分别向主半导体、副半导体输出彼此互补的4组编码脉冲控制信号。

本实用新型中所述主半导体激光器1输出的光信号进入传感光纤6后产生的两种背向散射光信号的波长分别与波分复用器5内的背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片、背向拉曼斯托克斯散射光滤波片的中心波长相符，所述副半导体激光器2输出的光信号进入传感光纤6后产生的两种背向散射光信号的波长一定与波分复用器5内的背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片、背向拉曼斯托克斯散射光滤波片的中心波长不相对应，即主半导体激光器1输出的光信号进入传感光纤6后产生的背向拉曼反斯托克斯散射光能够通过波分复用器5内的背向拉曼反射斯托克斯散射光滤波片并被送入与波分复用器5的该输出端口相连接的光电转换模块7，产生的背向拉曼斯托克斯散射光能够通过波分复用器5内的背向拉曼斯托克斯散射光滤波片并被送入与波分复用器的该输出端口相连接的光电转换模块8。

本实用新型中所述主半导体激光器1输出的光信号中心波长可以为1550nm，工作阈值电流10mA，热敏电阻10kohm，谱宽0.1nm，功率15mW；本实用新型中所述的副半导体激光器2输出光信号的中心波长可以为1560nm，阈值电流10mA，热敏电阻10kohm，谱宽0.1nm，功率15mW；对应的波分复用器5内背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片中心波长为1450nm,光谱宽度为10nm,通带纹波<0.3dB，插入损耗<0.3dB，对1665 nm隔离度>35dB；背向拉曼斯托克斯散射光滤波片中心波长为1665nm,光谱宽度为10nm,通带纹波<0.3dB，插入损耗<0.3dB，对1450 nm隔离度>35dB；本实用新型中所述的EDFA放大器4的工作波长范围为1545-1565nm，放大脉冲宽度为1-2us，重复频率为4-10kHz，输入功率为10dBm，输出功率39dBm,消光比40dB。

本实用新型还提出一种格雷编码分布式光纤测温系统，包括分布式光纤温度传感器、工控机10，其中分布式光纤温度传感器的输出端与工控机相连接，其特征在于所述分布式光纤温度传感器为如上所述的格雷编码分布式光纤测温传感器，分布式光纤温度传感器中的数据采集及编码生成模块9内数据采集电路的输出端与工控机10相连。

本实用新型在工作时，数据采集及编码生成模块9内的格雷码编码生成电路输出的两路彼此互补的4组编码脉冲控制信号被分别送入主半导体激光器1和副半导体激光器2，分别用于控制主、副激光器产生互补的4组编码脉冲光信号如附图3所示为其中一组，4组编码脉冲光信号经耦合器耦合处理后（如附图4所示）共同送给EDFA放大器4，并经EDFA放大器4放大处理后输出具有功率一致性好的放大后的4组混合编码脉冲信号，该4组光信号通过波分复用器5进入传感光纤6，传感光纤6散射回来的背向拉曼信号分别经波分复用器5的背向散射光滤波片进入与其相连接的光电接收模块，最终由数据采集及编码生成模块9中的数据采集电路将接收到的数据（如附图6所示）传给工控机10，工控机10将斯托克斯和反斯托克斯各自的4组信号分别与4组主激光编码序列进行相关处理，并将相关后的数据进行加减处理得到所需的后向散射斯托克斯和反斯托克斯电信号，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系，将根据传感光纤上的信号强度计算出相应光纤所处位置处的温度信息，为了保证温度的准确可靠，通过温度检测的方式对标定段光纤进行温度定标，校正系统的温度并实时监测光纤上各段的温度及变化。

本实用新型所采用的码位是128，也可以采用其它的码位，例如：32、64等，本实用新型的两个半导体激光器在数据采集及编码生成模块的控制下提供互补的脉冲信号，经耦合器后形成连续光，用以消除EDFA的瞬态效应，最终得到输出功率一致性好的4组主激光格雷编码脉冲。

其中附图5为未采用本实用新型技术方案、主半导体激光器发出的相同的脉冲光信号经EDFA放大器放大后在瞬态效应影响下的激光编码脉冲信号波形图，通过附图5和附图6的对比可知，经过本实用新型脉冲调制后，能够有效抑制EDFA放大模块的瞬态效应对编码脉冲信号的不良影响。

本实用新型实施例公布的为较佳实施方式，但其具体实施并不限于此，本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本实用新型的精神，并做出不同的引申和变化，只要不脱离本实用新型的精神，都属本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种格雷编码分布式光纤温度传感器，设有主半导体激光器、副半导体激光器、2*1耦合器、EDFA放大器、波分复用器、传感光纤、2个光电接收模块、数据采集及编码生成模块，其特征在于数据采集及编码生成模块内的两路编码输出端分别与主半导体激光器和副半导体激光器的控制信号输入端相连，主半导体激光器的输出端与2*1耦合器的一路输入端相连，副半导体激光器的输出端与2*1耦合器的另一路输入端相连，2*1耦合器的输出端与EDFA放大器的输入端相连，EDFA放大器的输出端与波分复用器的信号输入端相连，波分复用器的com输出端与传感光纤相连，波分复用器内的分别用于接收背向拉曼反斯托克斯散射光信号、背向拉曼斯托克斯散射光信号的输出端口均对应连接一个光电接收模块，两个光电接收模块的输出端与数据采集及编码生成模块内的数据采集电路相连接。

2.根据权利要求2所述的一种格雷编码分布式脉冲光纤温度传感器，其特征在于所述波分复用器由背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片、背向拉曼斯托克斯散射光滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成，其中背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片以及背向拉曼斯托克斯散射光滤波片的中心波长分别与主半导体激光器输出的光信号进入传感光纤后产生的两种背向光信号的中心波长相符，而与副半导体激光器输出的光信号进入传感光纤后产生的两种背向光信号的中心波长不相符。

3.根据权利要求2所述的一种格雷编码分布式脉冲光纤温度传感器，其特征在于所述数据采集及编码生成模块内设有格雷码编码生成电路和数据采集电路，其中格雷编码输出电路分别向主半导体、副半导体输出彼此互补的4组编码脉冲控制信号。

4.根据权利要求2所述的一种格雷编码分布式脉冲光纤温度传感器，其特征在于所述主半导体激光器输出的光信号中心波长为1550nm，工作阈值电流10mA，热敏电阻10kohm，谱宽0.1nm，功率15mW；副半导体激光器输出光信号的中心波长为1560nm，阈值电流10mA，热敏电阻10kohm，谱宽0.1nm，功率15mW；对应的波分复用器内背向拉曼反斯托克斯散射光滤波片中心波长为1450nm,光谱宽度为10nm,通带纹波<0.3dB，插入损耗<0.3dB，对1665 nm隔离度>35dB；背向拉曼斯托克斯散射光滤波片中心波长为1665nm,光谱宽度为10nm,通带纹波<0.3dB，插入损耗<0.3dB，对1450 nm隔离度>35dB。

5.一种格雷编码分布式光纤测温系统，包括分布式光纤温度传感器、工控机，其中分布式光纤温度传感器的输出端与工控机相连接，其特征在于所述分布式光纤温度传感器为如权利要求1-4中任意一项所述的格雷编码分布式光纤测温传感器，分布式光纤温度传感器中的数据采集及编码生成模块内数据采集电路的输出端与工控机相连。

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