CN204881910U - 分布式光纤拉曼测温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分布式光纤拉曼测温系统，包括：激光器、放大器、波分复用器、两个光电转换模块、双通道数模转换模块、采集和控制模块；其中，激光器为经256bit编码脉冲驱动的、脉宽为5ns且波长为1550nm的窄线宽DFB激光器，分布式光纤为无源硅光纤；本实用新型的窄线宽DFB激光器可以实现激光脉冲的脉宽降低到5ns，进而帮助实现将空间分辨率提升至0.5m，同时，激光器为经256bit编码脉冲驱动的，增加单次测量的脉冲数量，因此可弥补信噪比降低的缺陷，提高信噪比，减少测量花费的时间；而且，分布式光纤为无源硅光纤，其作为无导体、不受电磁辐射干扰的本征安全的传感元器件，误报率低。

Description

分布式光纤拉曼测温系统

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，更具体地说，涉及一种高空间分辨率、信噪比高、无源、误报率低的分布式光纤拉曼测温系统。

背景技术

分布式光纤温度传感系统采用无源的光缆光纤作为传感器，以OTDR和拉曼散射原理为系统基础，实现对传感光纤周围的环境温度实现分布式的温度测量。分布式光纤测温系统，以其本征安全、抗强电磁干扰、可靠性高、分布式在线监测等优点，广泛应用于电力电缆、地铁隧道、储油罐、矿井巷道等的温度监测和火灾报警。测温过程中，一般希望空间分辨率、温度分辨率越高越好，温度精度越高越好，响应时间越快越好，但是空间、温度分辨率和响应时间都是相互制约，由于测量系统的信噪比有限，无法无限制的提高空间、温度分辨率和提高响应时间速度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高空间分辨率、信噪比高、无源、误报率低的分布式光纤拉曼测温系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种分布式光纤拉曼测温系统，包括：用于输出窄线宽的脉冲激光信号的激光器、对所述脉冲激光信号进行放大处理的放大器、将放大后的脉冲激光信号发送至分布式光纤以及接收分布式光纤中返回的拉曼信号并将所述拉曼信号滤波处理的波分复用器、将所述拉曼信号滤波得到的斯托克斯拉曼散射信号和反斯托克斯拉曼散射信号分别进行光电转换得到相应的电信号的两个光电转换模块、用于将接收的电信号进行数模转换的双通道数模转换模块、用于根据数模转换后的电信号分析解调出所述分布式光纤中的温度信号的采集和控制模块；其中，所述激光器为经256bit编码脉冲驱动的、脉宽为5ns且波长为1550nm的窄线宽DFB激光器，所述分布式光纤为无源硅光纤；

所述激光器的控制端连接至所述采集和控制模块，所述放大器连接至所述激光器的输出端，所述波分复用器分别与所述放大器、两个光电转换模块、分布式光纤连接，所述双通道数模转换模块的输入端连接至两个光电转换模块、所述双通道数模转换模块的输出端连接至采集和控制模块。

在本实用新型所述的分布式光纤拉曼测温系统中，所述波分复用器内包括分光比为80％：20％的分光器以及通带分别为1445-1475nm、1645-1680nm的两个光滤波器。

在本实用新型所述的分布式光纤拉曼测温系统中，所述光电转换模块为包含有InGaAs雪崩二极管且带宽在100MHz以上、带宽响应波长范围为900-1700nm的光电转换模块。

在本实用新型所述的分布式光纤拉曼测温系统中，所述放大器为增益为20dB的、放大波段包含1550nm波长的掺铒光纤放大器。

实施本实用新型的分布式光纤拉曼测温系统，具有以下有益效果：本实用新型中选用的激光器为经256bit编码脉冲驱动的、波长为1550nm的窄线宽DFB激光器，该窄线宽DFB激光器可以实现激光脉冲的脉宽降低到5ns，进而帮助实现将空间分辨率提升至0.5m，同时，激光器为经256bit编码脉冲驱动，增加单次测量的脉冲数量，因此可弥补信噪比降低的缺陷，提高信噪比，减少测量花费的时间；而且，分布式光纤为无源硅光纤，其作为无导体、不受电磁辐射干扰的本征安全的传感元器件，误报率低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型分布式光纤拉曼测温系统的结构示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

参考图1，是本实用新型分布式光纤拉曼测温系统的结构示意图。

本实用新型的分布式光纤拉曼测温系统包括：激光器101、放大器102、波分复用器103、两个光电转换模块104、双通道数模转换模块105、采集和控制模块100。

所述激光器101的控制端连接至所述采集和控制模块100，所述放大器102连接至所述激光器101的输出端，所述波分复用器103分别与所述放大器102、两个光电转换模块104、分布式光纤连接，所述双通道数模转换模块105的输入端连接至两个光电转换模块104、所述双通道数模转换模块105的输出端连接至采集和控制模块100。

分布式光纤：为无源硅光纤，其作为无导体、不受电磁辐射干扰的本征安全的传感元器件，误报率低。优选的，该分布式光纤采用蛇形敷设方法进行布线。

激光器101：为经256bit编码脉冲驱动的、脉宽为5ns且波长为1550nm的窄线宽DFB激光器，功率为10mW，用于输出窄线宽的脉冲激光信号。该窄线宽DFB激光器可以实现激光脉冲的脉宽降低到5ns，进而帮助实现将空间分辨率提升至0.5m。

为了提升分布式光纤测温系统的空间分辨率，必须提高系统的采样率，并且降低OTDR的脉冲宽度，提高光电转换电路、信号调理电路和模数转换电路的带宽。而降低OTDR脉宽和提高系统信号带宽都会导致信噪比下降，因此还必须同时提升系统信噪比。例如，本实用新型将激光脉冲的脉宽降低到5ns，与相比传统的30ns的脉宽，脉冲能量降低为原来的1/6，即信噪比降低了8dB，对此，本实用新型中选择的激光器101为经256bit编码脉冲驱动的方式进行驱动的激光器101，通过增加单次测量的脉冲数量，可弥补信噪比降低的缺陷，提高信噪比，减少测量花费的时间。例如，设编码位数为N，则信噪比增加为如当N＝256时，信噪比提升12dB。

其中，DFB激光器的波长由内置光栅决定，一般DFB会内置半导体光栅或者金属光栅，这个光栅类似谐振腔，这个腔由带不同反射率的镜面、折射率、腔长度决定。L＝mλ/2nL腔长度，m模数，λ波长，n折射率，通过设置腔长，折射率和选择激光模数即可筛选出所要的波长。DFB激光器波长的调谐简单地说，调谐波长靠的是光栅折射率的变化实现的，△λ＝λ/n*△n，当折射率变化的时候，DFB激光器的输出波长也随着变化。

DFB激光器的脉宽调节有调Q和锁模两种最常用的技术。调Q技术使能够获得峰值功率在兆瓦以上而脉宽仅为纳秒量级的激光脉冲。在普通激光器中加入调Q元件即构成调Q激光器。根据调Q元件所采用的介质及其工作方式的不同，调Q激光器可分为电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q与机械转镜调Q四类。锁模作为一种新的压缩脉宽的途径，又被称为超短脉冲技术。按照锁模的工作原理，实现锁模的方法分为主动锁模、被动锁模等多种形式。主动锁模是在谐振腔中插入一个受外界信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性的改变腔内振荡模的振幅或相位。被动锁模是将可饱和吸收体放在谐振腔内加以实现的，其原理主要是利用可饱和吸收体的非线性吸收效应。本发明采用的光纤激光器可以选用以上任一种，只要是以编码脉冲驱动、能实现脉宽为5ns且波长为1550nm的激光器即可，这些都在本发明的保护范围之内。

放大器102：为增益为20dB的、放大波段包含1550nm波长的掺铒光纤放大器(EDFA)。用于将激光器101输出的小功率的激光脉冲信号进行放大处理后输出至波分复用器103；其中，放大器102的放大倍数可控，使得输出的激光脉冲信号的功率足够大，以便提供尽可能高的系统信噪比，但放大倍数又不至于太大而引起光纤的非线性，导致温度解调有偏差。

波分复用器103：一方面用于将放大后的脉冲激光信号通过其输出端发送至分布式光纤，另一方面接收分布式光纤中返回的拉曼信号，即光纤中的背向散射信号，并将所述拉曼信号经光滤波器进行滤波处理，得到斯托克斯拉曼散射信号和反斯托克斯拉曼散射信号，斯托克斯拉曼散射信号和反斯托克斯拉曼散射信号分别发送给对应的一个光电转换模块104。优选的，所述波分复用器103内包括分光比为80％：20％的分光器以及通带分别为1445-1475nm、1645-1680nm的两个光滤波器。其中分光80％的背向散射信号经通带范围为1445-1475nm的光滤波器后生成反斯托克斯光信号给其中一个光电转换模块104。分光20％的背向散射信号经通带范围为1645-1680nm的光滤波器后生成斯托克斯光信号给另一个光电转换模块104。因为信号光的反斯托斯克光信号比参考光的斯托斯克光信号小接近一个量级，采用此比例分光能尽可能提高系统的信噪比。

光电转换模块104：该模块用于将光信号转换成电信号，并对电信号进行调理放大，最后输出给双通道数模转换模块105。

该实施例中光电转换模块104为超低噪声100MHz带宽响应波长范围为900-1700nm的光电转换模块104。所述光电转换模块104的电路部分噪声性能必须足够好，否则系统的信噪比将大大降低，影响在同样采集时间内的系统的空间分辨率性能、温度分辨率性能和测量距离，基于响应波长范围和噪声性能的考虑，光电转换器件必须选用高性能的InGaAs雪崩二极管，具有超低的噪声。其必须有足够的带宽，一般大于500MHz。为了达到0.5m空间分辨率和提高测温范围，所述光电转换模块104的电路部分必须有足够带宽，一般为100MHz以上，使得系统能够达到1米的空间分辨率。

双通道数模转换模块105：对模拟信号进行数字化和数字信号处理操作，用于将接收的电信号进行数模转换后，进行累加、校准等处理，再上传至双通道数模转换模块105。为了达到0.5m空间分辨率和提高测温范围，优选的，双通道数模转换模块105采用400Msps采样率和14bit的分辨率。

采集和控制模块100：一方面，控制窄线宽DFB激光器的发送激光脉冲的时刻，另一方面，用于根据双通道数模转换模块105处理后的电信号分析解调出所述分布式光纤中的温度信号，例如采集和控制模块100通过将采集到的信号光反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号进行对比解调出传感光纤所在环境的温度值，并将最后的数据交给上位机。控制脉冲周期100us，适用于监测10km的传感光纤长度。

综上所述，实施本实用新型的分布式光纤拉曼测温系统，具有以下有益效果：本实用新型中选用的激光器为经256bit编码脉冲驱动的、波长为1550nm的窄线宽DFB激光器，该窄线宽DFB激光器可以实现激光脉冲的脉宽降低到5ns，进而帮助实现将空间分辨率提升至0.5m，由于相比传统的30ns的脉宽，脉冲能量降低为原来的1/6，即信噪比降低了8dB，同时，激光器为经256bit编码脉冲驱动的，增加单次测量的脉冲数量，因此可弥补信噪比降低的缺陷，提高信噪比，减少测量花费的时间；而且，分布式光纤为无源硅光纤，其作为无导体、不受电磁辐射干扰的本征安全的传感元器件，误报率低。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (4)

1.一种分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于，包括：用于输出窄线宽的脉冲激光信号的激光器(101)、对所述脉冲激光信号进行放大处理的放大器(102)、将放大后的脉冲激光信号发送至分布式光纤以及接收分布式光纤中返回的拉曼信号并将所述拉曼信号滤波处理的波分复用器(103)、将所述拉曼信号滤波得到的斯托克斯拉曼散射信号和反斯托克斯拉曼散射信号分别进行光电转换得到相应的电信号的两个光电转换模块(104)、用于将接收的电信号进行数模转换的双通道数模转换模块(105)、用于根据数模转换后的电信号分析解调出所述分布式光纤中的温度信号的采集和控制模块(100)；其中，所述激光器(101)为经256bit编码脉冲驱动的、脉宽为5ns且波长为1550nm的窄线宽DFB激光器，所述分布式光纤为无源硅光纤；

所述激光器(101)的控制端连接至所述采集和控制模块(100)，所述放大器(102)连接至所述激光器(101)的输出端，所述波分复用器(103)分别与所述放大器(102)、两个光电转换模块(104)、分布式光纤连接，所述双通道数模转换模块(105)的输入端连接至两个光电转换模块(104)、所述双通道数模转换模块(105)的输出端连接至采集和控制模块(100)。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于，所述波分复用器(103)内包括分光比为80％∶20％的分光器以及通带分别为1445-1475nm、1645-1680nm的两个光滤波器。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于，所述光电转换模块(104)为包含有InGaAs雪崩二极管且带宽在100MHz以上、带宽响应波长范围为900-1700nm的光电转换模块。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于，所述放大器(102)为增益为20dB的、放大波段包含1550nm波长的掺铒光纤放大器。