CN204718706U - 一种高灵敏度光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高灵敏度光纤测温系统,包括多波长布里渊拉曼光纤激光器和探测解调处理模块，所述多波长布里渊拉曼光纤激光器包括布里渊泵浦激光源、光环形器、第一耦合器、波分复用器、色散补偿光纤、单模光纤以及拉曼泵浦激光源，所述探测解调处理模块光隔离器、光滤波器、可调光源、第二耦合器、光电探测器以及信号处理单元。通过多波长布里渊拉曼光纤激光器产生级联的布里渊多波长随机激光信号，再对特定的高阶斯托克斯光进行拍频解调探测，基于高阶斯托克斯光对光纤布里渊频移更敏感，以及可对不同阶斯托克斯光进行选择，实现高精度、高灵敏度和适用范围广的温度测量。

Description

一种高灵敏度光纤测温系统

技术领域

本实用新型属于光纤激光器传感器技术领域，具体涉及一种基于多波长布里渊拉曼光纤激光器的高灵敏度光纤测温系统。

背景技术

基于布里渊散射的光纤传感技术利用的是光纤中受激布里渊频移对温度的敏感特性。布里渊散射是由入射光波场光子和光纤中的弹性声波场间相互作用而产生的一种非线性散射现象。当大功率的泵浦光在光纤中传播时，该光纤的折射率会发生变化，产生一种电致伸缩效应，这会导致大部分的传输光转化为反向传输的散射光，这个过程即为受激布里渊散射。受激布里渊散射同拉曼散射一样，其把一部分功率转移到另一个频率下移的斯托克斯波中，与拉曼散射不同的是，在普通石英光纤中，布里渊斯托克斯频移约为11GHz，在色散补偿光纤中，其约为9.6GHz。

现有普通的基于布里渊散射的光纤传感器，布里渊频移对温度的响应约为1MHz/℃，其灵敏度、测量精度以及可适用范围相较于现在各种环境测温需要还有待于提高。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种灵敏度高、精度高以及适用范围广的高灵敏度光纤测温系统。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种高灵敏度光纤测温系统包括多波长布里渊拉曼光纤激光器和探测解调处理模块，所述多波长布里渊拉曼光纤激光器用于产生级联的布里渊多波长随机激光信号，所述探测解调处理模块接收并处理传感信号，其中，

探测解调处理模块，包括光隔离器、光滤波器、可调光源、第二耦合器、光电探测器以及信号处理单元，所述多波长布里渊拉曼光纤激光器的信号输出端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端与光滤波器的输入端连接，光滤波器和可调光源的输出端分别与第二耦合器的两个输入端端口相连，第二耦合器的输出端端口与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与信号处理单元连接。

优选地，所述光滤波器为窄线宽滤波器，透射带宽为0.08nm。

优选地，所述可调光源为可调窄线宽光源，线宽为200kHz，波长可调范围为1550-1570nm。

优选地，所述第二耦合器为3dB耦合器。

优选地，所述光电探测器带宽为10GHz。

优选地，所述多波长布里渊拉曼光纤激光器，包括布里渊泵浦激光源、光环形器、第一耦合器、波分复用器、色散补偿光纤、单模光纤以及拉曼泵浦激光源，其中，

布里渊泵浦激光器的输出端与光环形器的一端口连接，光环形器的二端口与第一耦合器的输入端一端口连接，光环行器的三端口与第一耦合器的输出端四端口连接，第一耦合器的输出端三端口与波分复用器的1550nm输入端连接，波分复用器的公共端口与色散补偿光纤一端连接，拉曼泵浦激光器的输出端与波分复用器的1455nm输入端连接，第一耦合器的输入端二端口与单模光纤一端连接，所述色散补偿光纤的另一端作为信号输出端，与光隔离器的输入端连接。

优选地，所述第一耦合器为3dB耦合器。

优选地，所述布里渊泵浦激光源的最大输出功率为10dBm，线宽为150MHz。

优选地，所述拉曼泵浦激光源输出波长为1480nm，线宽为1nm。

优选地，所述色散补偿光纤长度为10km，单模光纤长度为50km。

本实用新型的有益效果是：

1、通过多波长布里渊拉曼光纤激光器产生级联的布里渊多波长随机激光信号，再由光滤波器选择特定的高阶斯托克斯光与可调光源的输出信号拍频，通过测量信号频率差确定温度变化。高阶斯托克斯光对光纤布里渊频移更敏感，可得到灵敏度更高的温度传感信号，因此可以获得更高精度和灵敏度的温度测量；

2、通过选择不同阶数的斯托克斯光，调节滤波器中心波长和可调光源波长，可以实现不同灵敏度和不同量程的光纤温度传感系统，可广泛适应各种不同要求的测温环境。

附图说明

图1是本实用新型一种高灵敏度光纤测温系统的结构示意图。

附图标记说明：1、多波长布里渊拉曼光纤激光器；11、布里渊泵浦激光源；12、光环行器；13、第一耦合器；14、波分复用器；15、色散补偿光纤；16、单模光纤；17、拉曼泵浦激光源；2、探测解调处理模块；21、光隔离器；22、光滤波器；23、可调光源；24、第二耦合器；25、光电探测器；26、信号处理单元。

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，本实用新型的一种高灵敏度光纤测温系统的结构示意图，包括多波长布里渊拉曼光纤激光器1和探测解调处理模块2，所述多波长布里渊拉曼光纤激光器1用于产生级联的布里渊多波长随机激光信号，所述探测解调处理模块2接收并处理传感信号。

多波长布里渊拉曼光纤激光器1包括布里渊泵浦激光源11、光环形器12、第一耦合器13、波分复用器14、色散补偿光纤15、单模光纤16、以及拉曼泵浦激光源17。第一耦合器13为四端口的3db耦合器，其具有一、二、三、四共四个端口，光环行器12具有一、二、三共三个端口，布里渊泵浦激光源11的输出端与光环行器12的一端口连接，光环形器12的二端口与第一耦合器13的输入端一端口连接，光环形器12的三端口与第一耦合器13的输出端四端口连接。第一耦合器13的输入端二端口与50km单模光纤16的一端连接。第一耦合器13的输出端三端口与波分复用器14的1550nm输入端连接。波分复用器14具有1455nm输入端、1550nm输入端和公共端口三个端口，其1455nm输入端与拉曼泵浦激光源17的输出端相连，其公共端口与色散补偿光纤15的一端连接。

多波长布里渊拉曼光纤激光器1的工作原理为：布里渊泵浦激光源11提供布里渊泵浦光，经过光环形器12、第一耦合器13、波分复用器14注入到色散补偿光纤15中，拉曼泵浦激光源17为布里渊泵浦光提供拉曼增益，布里渊泵浦光能量放大至受激布里渊散射阈值后便会激发产生一阶斯托克斯光，新产生的一阶斯托克斯光被放大后又能进一步激发产生二阶斯托克斯光，随着拉曼泵浦功率的增加，这一级联过程会持续下去，直到产生的斯托克斯光获得的增益小于其在光纤中的损耗，从而产生多波长输出，信道间隔对应于受激布里渊散射的频移9.66GHz。单模光纤16中的瑞利散射能为多波长斯托克斯光提供随机分布反馈作用，并将部分光重新反射回色散补偿光纤15中，从而有效提高激射效率，产生条数更多，功率均衡的多波长输出；此外，单模光纤16中的瑞利散射具有压窄激光线宽的作用，从而能对多波长激光起到光谱整形，达到相邻信道间线宽均衡的效果，实现多波长光梳的平坦输出。进一步的，色散补偿光纤15的另一端作为光信号输出端，其能提供更大的非线性增益，降低布里渊散射阈值，最终输出更宽的光学频率梳。光环形器12的三端口与第一耦合器13的输出端四端口直接相连，可使得更多比例从色散补偿光纤15输出的光能进入单模光纤16中以经历瑞利散射作用。此多波长布里渊拉曼光纤激光器1可以产生超过40nm、500条谱线的光学频率梳。

探测解调处理模块2包括光隔离器21、光滤波器22、可调光源23、第二耦合器24、光电探测器25以及信号处理单元26。其中，第二耦合器24为3dB耦合器。色散补偿光纤15的信号输出端与光隔离器21的输入端相连，光隔离器21的输出端与光滤波器22的输入端连接。光滤波器22的输出端以及可调光源23的输出端，分别与第二耦合器24的两个50％输入端端口连接。第二耦合器24的输出端与光电探测器25的输入端连接，光电探测器25的输出端与信号处理单元的输入端相连。其中，光滤波器22为窄线宽滤波器，可调光源23为可调窄线宽光源。选择较大的探测带宽的光电探测器25可以实现更大量程的测温系统。

探测解调处理模块2的工作原理为：色散补偿光纤15输出的多波长信号进过光隔离器21连接到光滤波器22，光滤波器22的中心波长对准选定的斯托克斯光波长，实现对选定斯托克斯光的准确滤波后。可调光源23的输出信号作为参考信号，与光滤波器23滤波过后的信号分别通过第二耦合器24的两个50％输入端端口进入第二耦合器24，进行信号拍频，拍频信号经过光电探测器25后，输出电信号至信号处理单元26中，实现温度信号的解调。

以下通过具体的实施例对本实用新型的结构及工作过程作进一步描述，以进一步表示本实用新型的原理及优点，在本实施例中，布里渊泵浦光源11选用最大输出功率10dBm，线宽为150MHz的Santec光源，实际泵浦功率为0dBm，泵浦波长1556.6nm；拉曼泵浦激光源17选用输出波长为1480nm、线宽1nm的光纤激光器泵浦光源，输出功率为1.36W；色散补偿光纤15的长度为10km；单模光纤16的长度为50km；光滤波器22透射带宽为0.08nm，约为10GHz，中心波长对准第100阶斯托克斯光波长，实现对第100阶斯托克斯光的准确滤波；可调光源23线宽为200kHz，波长可调范围在1550-1570nm；光电探测器25带宽为10GHz。确定布里渊泵浦激光源11的功率和波长，以及拉曼泵浦激光源17的功率后，多波长布里渊拉曼光纤激光器1将会产生足够宽的光学频率梳，即多波长谱线，每级谱线之间的频率间隔固定为色散补偿光纤15在特定温度环境下的布里渊频移值，常温下约为9.6GHz。若环境温度发生变化，色散补偿光纤15的布里渊频移值也会相应变化，高阶布里渊斯托克斯光对此频移呈现累积效应。以第100阶谱线为例，温度变化0.01℃，光纤布里渊频移变化0.01MHz，但第100阶谱线相比原第100阶谱线频率变化1MHz。通过光滤波器22滤波第100阶谱线，已经对准的可调光源23的输出信号作为参考信号，与其进行拍频，当没有温度变化时，两者拍频信号没有频差或者有固定的频差，当外界环境温度变化，经过光滤波器22的输出信号波长发生偏移，再和可调光源23的输出信号拍频时将会产生明显的差频信号。值得注意的是，温度变化较大时，如变化50℃，第100阶斯托克斯光的频率变化5GHz，也还在光滤波器22滤波带宽内。最后拍频信号在信号处理单元26中经过解调处理，确定差频信号频率值，解调温度变化信息。

色散补偿光纤15的另一端作为光信号输出端，整段色散补偿光纤作为系统的温度变化传感点。常温下色散补偿光纤15的布里渊频移峰值为9.6GHz左右，而高阶布里渊斯托克斯光对温度造成的布里渊频移存在累积效应，即使微小的温度变化反应在高阶斯托克斯光上也有较大的频率变化，即高阶斯托克斯光对光纤布里渊频移更敏感，因此可得到灵敏度更高的温度传感信号。普通的基于布里渊散射的光纤传感器中，布里渊频移对温度的响应为1MHz/℃，选择高阶斯托克斯光做传感信号(以第100阶为例)，可以达到100MHz/℃，因此，本实用新型可以实现更高灵敏度的温度测量。其次，通过选择不同阶数的斯托克斯光，调节光滤波器22的中心波长和可调光源23的波长，可以实现不同灵敏度和不同量程的光纤温度传感系统，广泛适应各种不同要求的测温环境。

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本实用新型的原理，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 (10)

1.一种高灵敏度光纤测温系统，其特征在于:包括多波长布里渊拉曼光纤激光器(1)和探测解调处理模块(2)，所述多波长布里渊拉曼光纤激光器(1)用于产生级联的布里渊多波长随机激光信号，所述探测解调处理模块(2)接收并处理传感信号，其中，

探测解调处理模块(2)，包括光隔离器(21)、光滤波器(22)、可调光源(23)、第二耦合器(24)、光电探测器(25)以及信号处理单元(26)，所述多波长布里渊拉曼光纤激光器(1)的信号输出端与光隔离器(21)的输入端连接，光隔离器(21)的输出端与光滤波器(22)的输入端连接，光滤波器(22)和可调光源(23)的输出端分别与第二耦合器(24)的两个输入端端口相连，第二耦合器(24)的输出端端口与光电探测器(25)的输入端连接，光电探测器(25)的输出端与信号处理单元(26)连接。

2.根据权利要求1所述的光纤测温系统，其特征在于:所述光滤波器(22)为窄线宽滤波器，透射带宽为0.08nm。

3.根据权利要求1所述的光纤测温系统，其特征在于:所述可调光源(23)为可调窄线宽光源，线宽为200kHz，波长可调范围为1550-1570nm。

4.根据权利要求1所述的光纤测温系统，其特征在于:所述第二耦合器(24)为3dB耦合器。

5.根据权利要求1所述的光纤测温系统，其特征在于:所述光电探测器(25)带宽为10GHz。

6.根据权利要求1所述的光纤测温系统，其特征在于:所述多波长布里渊拉曼光纤激光器(1)，包括布里渊泵浦激光源(11)、光环形器(12)、第一耦合器(13)、波分复用器(14)、色散补偿光纤(15)、单模光纤(16)以及拉曼泵浦激光源(17)，其中，

布里渊泵浦激光器(11)的输出端与光环形器(12)的一端口连接，光环形器(12)的二端口与第一耦合器(13)的输入端一端口连接，光环行器(12)的三端口与第一耦合器(13)的输出端四端口连接，第一耦合器(13)的输出端三端口与波分复用器(14)的1550nm输入端连接，波分复用器(14)的公共端口与色散补偿光纤(15)一端连接，拉曼泵浦激光器(17)的输出端与波分复用器(14)的1455nm输入端连接，第一耦合器(13)的输入端二端口与单模光纤(16)一端连接，所述色散补偿光纤(15)的另一端作为信号输出端，与光隔离器(21)的输入端连接。

7.根据权利要求6所述的光纤测温系统，其特征在于:所述第一耦合器(13)为3dB耦合器。

8.根据权利要求6所述的光纤测温系统，其特征在于:所述布里渊泵浦激光源(1)的最大输出功率为10dBm，线宽为150MHz。

9.根据权利要求6所述的光纤测温系统，其特征在于:所述拉曼泵浦激光源(17)输出波长为1480nm，线宽为1nm。

10.根据权利要求6所述的光纤测温系统，其特征在于:所述色散补偿光纤(15)长度为10km，单模光纤(16)长度为50km。