CN208254674U - 基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器，包括分布式反馈激光器；所述分布式反馈激光器连接第一耦合器，所述第一耦合器连接第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述第一偏振控制器、第一掺铒放大器、脉冲调制模块、第二掺铒放大器、带通滤波器、环形器依次连接，所述环形器分别连接第二耦合器和传感光纤，所述拉曼激光源、波分复用器和传感光纤依次连接，所述第二偏振控制器、移频模块、扰偏器和第二耦合器依次连接，所述第二耦合器连接平衡探测器和数据采集处理模块。本实用新型提高了空间分辨率和测量精度。

Description

基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器。

背景技术

当光纤在受到应力、温度、电场、磁场等外界环境因素的影响时，光纤中传输的光波的表征参量如强度、相位、频率、偏振态等会发生相应变化，通过检测这些参量的变化，就可以获得外界被测参量的信息，实现对外界被测参量的传感功能，这种技术被称为光纤传感技术。

有些被测对象往往不是一个点或者几个点，而是呈一定空间分布的场，如温度场、应力等，这一类被测对象不仅涉及距离长、范围广，而且呈现三维空间连续性分布，此时单点甚至多点准分布式传感已经难以胜任多参量检测，全分布式光纤传感系统应运而生。在分布式光纤传感系统中光纤既作为信号传输介质，又是传感单元；即它将整根光纤作为传感单元，因而可以测量光纤沿线任意位置的应力或温度变化，进行全分布式测量。

与传统的电类或者机械类传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高，抗电磁干扰，体积小，损耗低以及可进行远距离分布式测量的优。自20世纪70年代以来，光纤传感技术得到了广泛的发展，根据被测信号的不同，全分布式光纤传感器可以分为基于光纤中的瑞利散射，拉曼散射和布里渊散射三种类型。其中布里渊光时域反射(BOTDR)技术是目前研究较为热门的全分布式光纤传感技术。

当光纤收到温度或者应变影响时，光波在其中产生的布里渊散射光信号的频率会发生偏移，被称为布里渊频移；同时布里渊散射光信号的功率会发生变化。频移和功率变化的大小与光纤所示温度变化、应变的大小成正比。布里渊光时域反射(BOTDR)技术通过向光纤中注入脉冲光信号，并测量脉冲光信号在光纤中传播过程中连续产生的布里渊散射光信号的频移和功率变化，然后通过自发布里渊散射光信号功率或者频移的变化量与温度和应变变化的线性关系来进行全分布式传感。

传统的基于布里渊光时域反射(BOTDR)系统的空间分辨率受限于探测脉冲线宽，等于探测脉冲线宽的一半；当脉冲线宽比声子寿命(10ns)还短时，布里渊增益的减少会使布里渊频移测量的准确性降低，进而影响传感精度，这使得空间分辨率限制在1m以内。

拉曼放大技术同样是相光纤中注入泵浦光信号。拉曼泵浦光信号经过波分复用器输入光纤中，与光纤中传输的信号光作用，从此提高信号光功率，从而对信号光的光纤线性损耗进行补偿，提升传感器系统的信噪比与测量精度。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的实施例提供了一种高空间分辨率和高测量精度的基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器。

本实用新型的实施例提供基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器，包括分布式反馈激光器、第一耦合器、第一偏振控制器、第一掺铒放大器、脉冲调制模块、第二掺铒放大器、带通滤波器、环形器、传感光纤、波分复用器、拉曼激光源、扰偏器、移频模块、第二偏振控制器、第二耦合器、平衡探测器和数据采集处理模块；所述分布式反馈激光器连接第一耦合器，所述第一耦合器连接第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述第一偏振控制器、第一掺铒放大器、脉冲调制模块、第二掺铒放大器、带通滤波器、环形器依次连接，所述环形器分别连接第二耦合器和传感光纤，所述拉曼激光源、波分复用器和传感光纤依次连接，所述第二偏振控制器、移频模块、扰偏器和第二耦合器依次连接，所述第二耦合器连接平衡探测器和数据采集处理模块。

进一步，所述分布式反馈激光器输出连续脉冲光信号，连续脉冲光信号经过第一耦合器后分成两路，一路经第一偏振控制器、第一掺铒放大器和脉冲调制模块调制成具有细微脉宽差的脉冲光信号，再经第二掺铒放大器、带通滤波器和环形器后注入传感光纤，在传感光纤中产生自发布里渊散射光信号，所述拉曼激光源输出的泵浦光信号经过波分复用器注入传感光纤，与布里渊散射光信号作用，放大布里渊散射光信号的功率，布里渊散射光信号返回环形器，并从环形器的另一端注入第二耦合器；另一路经过第二偏振控制器、频移模块和扰偏器后接到第二耦合器，两路光信号从第二耦合器进入平衡探测器，并在平衡探测器中进行相干探测后被转化为电信号，并由数据采集处理模块进行收集和处理。

进一步，所述传感光纤是普通的通信光纤，折射率n＝1.46，传感光纤中的声速V_a＝5945m/s。

进一步，所述分布式反馈激光器的工作波段为1550nm。

进一步，所述拉曼激光源的工作波段为1450nm。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：利用布里渊光时域反射(BOTDR)技术，在单根光纤上实现了温度或应变的全分布式测量，利用差分脉冲对技术和拉曼放大技术处理克服了传统BOTDR系统低空间分辨率和测量精度不足的缺点。

附图说明

图1是本实用新型基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器的一示意图。

图2是本实用新型基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器的传感方法流程图。

图3是本实用新型一实施例中采用的信号差分处理过程示意图。

图4是本实用新型一实施例中采用的放大布里渊散射光信号的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器，包括分布式反馈激光器1、第一耦合器2、第一偏振控制器3、第一掺铒放大器4、脉冲调制模块5、第二掺铒放大器6、带通滤波器7、环形器8、传感光纤9、波分复用器10、拉曼激光源11、扰偏器12、移频模块13、第二偏振控制器14、第二耦合器15、平衡探测器16和数据采集处理模块17。

分布式反馈激光器1连接第一耦合器2，所述第一耦合器2连接第一偏振控制器3和第二偏振控制器14，所述第一偏振控制器3、第一掺铒放大器4、脉冲调制模块5、第二掺铒放大器6、带通滤波器7、环形器8依次连接，所述环形器8分别连接第二耦合器15和传感光纤9，所述拉曼激光源11、波分复用器10和传感光纤9依次连接，所述第二偏振控制器14、移频模块13、扰偏器12和第二耦合器15依次连接，所述第二耦合器15连接平衡探测器16和数据采集处理模块17。

优选地，传感光纤9是普通的通信光纤，折射率n＝1.46，传感光纤9中的声速V_a＝5945m/s。

分布式反馈激光器1输出连续脉冲光信号，连续脉冲光信号经过第一耦合器2后分成两路，一路经第一偏振控制器3、第一掺铒放大器4和脉冲调制模块5调制成具有细微脉宽差的脉冲光信号，再经第二掺铒放大器6、带通滤波器7和环形器8后注入传感光纤9，在传感光纤9中产生自发布里渊散射光信号，所述拉曼激光源11输出的泵浦光信号经过波分复用器10注入传感光纤9，与布里渊散射光信号作用，放大布里渊散射光信号的功率，布里渊散射光信号返回环形器8，并从环形器8的另一端注入第二耦合器15；另一路经过第二偏振控制器14、频移模块13和扰偏器12后接到第二耦合器15，两路光信号从第二耦合器15进入平衡探测器16，并在平衡探测器16中进行相干探测后被转化为电信号，并由数据采集处理模块17进行收集和处理。

请参考图2，一种基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器的传感方法，包括以下步骤：

S1.分布式反馈激光器1输出连续脉冲光信号，优选地，分布式反馈激光器1的工作波段为1550nm，连续脉冲光信号经过第一耦合器2后分成两路，一路作为探测脉冲光信号，另一作为参考脉冲光信号；

S2.探测脉冲光信号经第一偏振控制器3、第一掺铒放大器4、脉冲调制模块5、第二掺铒放大器6、带通滤波器7和环形器8后注入传感光纤9，并在传感光纤9中产生自发布里渊散射光信号；

探测脉冲光信号经第一偏振控制器3和第一掺铒放大器4后被放大，经脉冲调制模块5调制成具有细微脉宽差的脉冲，再经带通滤波器7减少放大自发热噪声(ASE)。

S3.参考脉冲光信号经过第二偏振控制器14、频移模块13和扰偏器12后接到第二耦合器15；

S4.拉曼激光源11输出的泵浦光信号经过波分复用器10注入传感光纤9，与布里渊散射光信号作用，放大布里渊散射光信号的信号功率(如图4所示)，布里渊散射光信号返回环形器8，并从环形器8的另一端注入第二耦合器15；拉曼激光源的工作波段为1450nm；

S5.两路光信号从第二耦合器15进入平衡探测器16，并在平衡探测器16中进行相干探测后被转化为电信号；

S6.数据采集处理模块17将步骤S5的电信号收集处理，并在处理过程中脉冲对所对应的信号在时域直接差分(如图3所示)，得到差分信号；

S7.将差分信号利用快速傅里叶算法设置正确的时间序列长度提取差分频谱，得到布里渊频移大小，即实现对温度或应变的全分布式传感。

实施例1

请参考图1，本实用新型的实施例提供了基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器，包括分布式反馈激光器1，第一耦合器2，第一偏振控制器3，第一掺铒放大器4，脉冲调制模块5，第二掺铒放大器6，带通滤波器7，环形器8，传感光纤9，波分复用器10，拉曼激光源11，扰偏器12，移频模块13，第二偏振控制器14，第二耦合器15，平衡探测器16，数据采集处理模块17。

分布式反馈激光器1输出连续脉冲光信号，经过第一耦合器2后分成两路，一路作为探测脉冲光信号，经过第一偏振控制器3，掺铒放大器4，脉冲调制模块5调制成具有细微脉宽差的脉冲光信号，第二掺铒放大器6，带通滤波器7，环形器8后注入传感光纤9，拉曼激光源11输出的泵浦光信号经过波分复用器10注入传感光纤9，探测脉冲光信号在传感光纤9中产生的自发布里渊散射光信号返回环形器8，并从环形器8的另一端注入第二耦合器15的一端。

另一路作为参考脉冲光信号，经过第二偏振控制器14、频移模块13和扰偏器12后接到第二耦合器15，两路信号在平衡探测器16中进行相干探测后被转化为电信号，由数据采集处理模块17收集处理，在处理过程中两个脉冲光信号对应的被拉曼放大器放大后的时域信号经过差分处理后再利用快速傅里叶算法(FFT)将差分信号处理得到最终的差分频谱；通过对反射的自发布里渊散射信号处理进而对温度和应变进行全分布式传感。

探测脉冲光信号被第一掺铒放大器4放大之后经过脉冲调制模块5调制成具有细微脉宽差的脉冲，再经过带通滤波器7减少放大自发热噪声(ASE)。

探测脉冲光信号经过环形器8注入传感光纤中9，拉曼激光源11发出的拉曼泵浦光信号经过波分复用器10后注入传感光纤9，与探测脉冲光信号形成的布里渊散射光信号作用，放大布里渊散射光信号的功率。

布里渊散射光信号经过环形器8进入第二耦合器14一端。

脉冲对所对应的布里渊反射光的信号在信号处理模块中被进行差分处理，得到最后的差分信号，再利用FFT设置正确的时间序列长度提取差分频谱。经过差分处理的信号对应更小的区域距离，相应的提高了空间分辨率。

在信号处理模块中对差分信号用FFT算法处理，FFT算法拥有高效快速的处理特点，可以有效的提高传感速度。

全分布式光纤温度和应变传感器的检测方法，在传感光纤中反射回来的布里渊散射光信号经过环形器8与参考脉冲光信号经第二耦合器15进入平衡探测器16中，进行相干探测，再经过数据采集处理模块17获得布里渊散射光信号的频移信息，以此确定外部变化事件，利用布里渊光时域反射(BOTDR)技术。

基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感方法，包括以下步骤：

分布式反馈激光器1分别输出连续脉冲光信号光经过第一耦合器2后分成

两路；

一路经过第一偏振控制器3，掺铒放大器4，脉冲调制模块5调制成具有细微脉宽差的脉冲光信号，第二掺铒放大器6，带通滤波器7，环形器8后注入传感光纤9；

另一路作为参考脉冲光信号经过第二偏振控制器14，频移模块13和扰偏器12后接到第二耦合器15；

拉曼激光源11输出的泵浦光信号经过波分复用器10注入传感光纤9；

传感光纤9中的布里渊散射光信号反射回来后从环形器8另一端输出；

两路信号在平衡探测器16中进行相干探测后被转化为电信号，由数据采集处理模块17收集处理；

在处理过程中脉冲对所对应的信号在时域直接差分，再利用快速傅里叶算法(FFT)将差分信号处理得到最终的差分频谱；通过对反射的自发布里渊散射信号处理进而对温度和应变进行全分布式传感；

作为一个具体实施的例子，设分布式反馈激光器1的工作波长λ为1550nm，线宽为1MHz。它分别发出的连续脉冲光信号通过第一耦合器2分成两路，其中一路经过脉冲调制模块5调制和第一掺铒放大器4、第二掺铒放大器6放大后，再经过带通滤波器7降噪后进入到传感光纤9。传感光纤9使用的是普通的通信光纤，折射率为n＝1.46，传感光纤9中的声速为V_a＝5945m/s。脉冲光信号在传感光纤9中产生布里渊散射光信号，在光纤沿线环境发生温度变化或者应变时，布里渊散射光信号的频率会发生偏移，其布里渊频移约为υ_B＝11.2GHz，而经过放大后的布里渊散射光信号与参考脉冲光信号经过第二耦合器15后进入平衡探测器16相干探测后转换为电信号，再经过信号处理模块进行差分与FFT处理，得到布里渊频移大小，即可实现对温度或应变的全分布式测量。

本实用新型利用布里渊光时域反射(BOTDR)技术，在单根光纤上实现了温度或应变的全分布式测量，利用差分脉冲对技术和拉曼放大技术处理克服了传统BOTDR系统低空间分辨率和测量精度不足的缺点。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器，其特征在于，包括分布式反馈激光器、第一耦合器、第一偏振控制器、第一掺铒放大器、脉冲调制模块、第二掺铒放大器、带通滤波器、环形器、传感光纤、波分复用器、拉曼激光源、扰偏器、移频模块、第二偏振控制器、第二耦合器、平衡探测器和数据采集处理模块；所述分布式反馈激光器连接第一耦合器，所述第一耦合器连接第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述第一偏振控制器、第一掺铒放大器、脉冲调制模块、第二掺铒放大器、带通滤波器、环形器依次连接，所述环形器分别连接第二耦合器和传感光纤，所述拉曼激光源、波分复用器和传感光纤依次连接，所述第二偏振控制器、移频模块、扰偏器和第二耦合器依次连接，所述第二耦合器连接平衡探测器和数据采集处理模块。

2.根据权利要求1所述的基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器，其特征在于，所述分布式反馈激光器输出连续脉冲光信号，连续脉冲光信号经过第一耦合器后分成两路，一路经第一偏振控制器、第一掺铒放大器和脉冲调制模块调制成具有细微脉宽差的脉冲光信号，再经第二掺铒放大器、带通滤波器和环形器后注入传感光纤，在传感光纤中产生自发布里渊散射光信号，所述拉曼激光源输出的泵浦光信号经过波分复用器注入传感光纤，与布里渊散射光信号作用，放大布里渊散射光信号的功率，布里渊散射光信号返回环形器，并从环形器的另一端注入第二耦合器；另一路经过第二偏振控制器、频移模块和扰偏器后接到第二耦合器，两路光信号从第二耦合器进入平衡探测器，并在平衡探测器中进行相干探测后被转化为电信号，并由数据采集处理模块进行收集和处理。

3.根据权利要求1所述的基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器，其特征在于，所述传感光纤是普通的通信光纤，折射率n＝1.46，传感光纤中的声速V_a＝5945m/s。

4.根据权利要求1所述的基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器，其特征在于，所述分布式反馈激光器的工作波段为1550nm。

5.根据权利要求1所述的基于差分脉冲对与拉曼放大的温度或应变的传感器，其特征在于，所述拉曼激光源的工作波段为1450nm。