融合拉曼放大效应的光纤拉曼频移器的全分布光纤传感器

摘要

本发明公开了一种融合拉曼放大效应的光纤拉曼频移器的全分布光纤传感器，该传感器用一只1550nm光纤脉冲激光器通过光纤分路器分成两束光，一束光经光纤拉曼频移器转换为宽光谱的斯托克斯拉曼光进入传感光纤，另一束光经过延时光纤后与宽光谱斯托克斯拉曼光通过光纤合路器进入同一根传感光纤，两束光在传感光纤相遇处通过非线性相互作用融合，获得一束被拉曼放大的1660nm宽光谱带脉冲激光作为全分布光纤传感器的光源，传感光纤中产生的带有温度信息的1550nm宽光谱反斯托克斯拉曼光通过光纤窄带反射滤光器扣除1550nm激光器瑞利散射光后与带有应变信息的1660nm瑞利光，进入光电接收模块，数字信号处理器和工控机，经解调后获得传感光纤上的温度、应变信息。适用于远程60公里范围内石化管道，隧道，大型土木工程监测和灾害预报监测。

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤拉曼温度传感器。

背景技术

近年来，利用光纤拉曼散射光強度受温度调制的效应和光时域反射（OTDR）原理研制成分布式光纤拉曼温度传感器, 它可以在线实时预报现场的温度和温度変化的取向，在线监测现场温度的变化，在一定的温度范围设置报警温度，是一种本质安全型的线型感温探测器，由分布式光纤拉曼温度传感器组成的在线监测传感网已在电力工业、石化企业、大型土木工程和在线灾害监测等领域成功地应用。

在分布式光纤传感网的研究和实际应用中，存在长距离、高精度和高分辨率传感的重大需求；还存在多参量传感问题。

张在宣于2009年提出《全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器》（中国发明专利：ZL200910099463.7，2010年9月29日授权），仅适用于中、短程100m-15km在线温度监测，不能完全满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对远程、超远程自校正分布式光纤拉曼温度传感器的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种融合拉曼放大效应的光纤拉曼频移器的全分布光纤传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种融合拉曼放大效应的光纤拉曼频移器的全分布光纤传感器，其特征是包括光纤脉冲激光器，光纤分路器，由单模光纤和1660nm滤光器组成的光纤拉曼频移器，延时光纤，光纤合波器，光纤波分复用器，传感光纤，光纤窄带反射滤光器，光电接收模块，数字信号处理器和工控机。光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过光纤分路器分成两束，其中一束1550nm波段的激光进入光纤拉曼频移器，经频移13.2THz到1660nm波段作为宽光谱探测光源，经光纤合波器的输出端口进入光纤波分复用器，另一束1550nm波段的激光作为泵浦光源，经延时光纤，通过光纤合波器的输出端口进入光纤波分复用器，光纤波分复用器具有四个端口，它的输入端口通过光纤合波器15与光纤拉曼频移器输出的探测光源和另一束1550nm泵浦光源相连，COM输出端口与传感光纤相连，在传感光纤中产生拉曼放大的1660nm波段宽光谱反向瑞利散射光经光纤波分复用器的一个输出端口与光电接收模块的一个输入端口相连，经光电转换放大后输入数字信号处理器的一个端口； 在传感光纤中产生拉曼放大的1550nm波段宽光谱反向反斯托克斯拉曼散射光经光纤波分复用器的另一个输出端口经与光纤窄带反射滤光器相连，扣除激光的1550nm瑞利散射光后与光电接收模块的另一个输入端口相连，经光电转换放大后输入数字信号处理器的另一个端口，数字信号处理器与工控机相连。经数字信号处理器与工控机解调后得到传感光纤各点的温度和应变信息。

本发明中，所说的脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.2nm，激光脉冲宽度为10-30ns可调，峰值功率为1-100W可调，重复频率为500Hz-1.5KHz可调。

本发明中，所说的光纤拉曼频移器中1660nm滤光器的中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98%，对1550nm激光的隔离度>45dB。

本发明中，所说的光纤分路器的分支比为80/20，光纤合波器（15）的分支比为60/40。

本发明中，所说的延时光纤长度L为1.020km >L>1km G652通信单模光纤。

本发明中，所说的光纤窄带反射滤光片的中心波长为中心波长为1550nm，光谱宽度为0.5nm，反射率99%，对1550nm激光的隔离度>45dB。

本发明中，所说的传感光纤是长度为60km的G652通信单模光纤或LEAF光纤。传感光纤既是传输介质又是传感介质，铺设在测温现场不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀。

本发明中，所说的光纤窄带反射滤光片的中心波长为中心波长为1550nm，光谱宽度为0.5nm，反射率99%，对1550nm激光的隔离度>45dB。

工作时，光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过光纤分路器分成两束，其中一束1550nm波段的激光进入光纤拉曼频移器，经频移13.2THz到1660nm波段作为宽光谱探测光源，经光纤合波器的输出端口进入光纤波分复用器，另一束1550nm波段的激光作为泵浦光源，经延时光纤，通过光纤合波器的输出端口进入光纤波分复用器，光纤波分复用器的COM输出端口与传感光纤相连，在传感光纤中产生拉曼放大的1660nm波段宽光谱反向瑞利散射光经光纤波分复用器的一个输出端口与光电接收模块的一个输入端口相连，经光电转换放大后输入数字信号处理器的一个端口； 在传感光纤中产生拉曼放大的1550nm波段宽光谱反向反斯托克斯拉曼散射光经光纤波分复用器的另一个输出端口与光纤窄带反射滤光器相连，扣除1550nm激光瑞利散射光后，与光电接收模块的另一个输入端口相连，经光电转换放大后输入数字信号处理器的另一个端口，数字信号处理器与工控机相连。经数字信号处理器与工控机解调后得到传感光纤各点的温度和应变信息。测温精度±2oC，在0oC-300oC范围内进行在线温度监测，由工控机通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输。

融合拉曼放大效应的光纤拉曼频移器的的工作原理：

光纤拉曼频移器有单模光纤和宽带1660nm滤光器组成。当一朿1550nm脉冲激光入射到单模光纤，激光与光纤分子的非线性相互作用，入射光子被一个光纤分子散射成另一个斯托克斯光子或反斯托克斯光子，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子，光纤分子的声子频率为13.2THz，在传感光纤里产生了频移13.2THz的1660nm斯托克斯拉曼光，当入射的1550nm激光功率达到一定阈值后，大部分入射光转化为斯托克斯拉曼光，当由入射激光源分出的另一束1550nm激光与1660nm斯托克斯拉曼光入射到同一根传感光纤时，两束光在传感光纤相遇处产生非线性相互作用，在入射功率达到一定值后，产生放大的斯托克斯拉曼散射光，获得了融合拉曼放大效应的宽光谱带1660nm 波段激光，作为全分布光纤传感器的光源，增益约17dB，相当于延长传感长度40km。

全分布式光纤传感器测量形变的原理：

光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入传感光纤，激光与光纤分子的相互作用，产生与入射光子同频率的瑞利散射光,瑞利散射光在光纤中传输存在损耗，随着光纤长度而指数式衰减，光纤的反向瑞利散射光的光强用下式表示：

     ；                                （1）

上式中为入射到光纤处的光强，L为光纤长度，I为反向瑞利散射光在光纤长度L处的光强，为入射光波长处的光纤传输损耗。

由于将传感光纤铺设在检测现场，当现场环境产生形变或裂纹时，造成铺设在现场的光纤发生弯曲，光纤产生局部损耗，形成光纤的附加损耗，则总损耗，局域处的光强有一个跌落，光强由减少为，形变造成的附加损耗通过光强的改变进行测量。

            ；                                  （2）

形变或裂纹大小与光纤损耗的关系采用仿真模型计算并在实验室进行摸拟试验测量获得。 

全分布式光纤传感器测量温度的原理：

    当入射激光与光纤分子产生非线性相互作用散射，放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子，光纤分子的声子频率为13.2THz。光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼（Boltzmann）定律，在光纤里反斯托克斯背向拉曼散射光强为：

 ；                （3）

它受到光纤温度的调制，温度调制函数R_a：

                 ；                     （4）

h是波朗克（Planck）常数，Δν是一光纤分子的声子频率，为13.2THz，k是波尔兹曼常数，T是凯尔文（Kelvin）绝对温度。

在本发明中采用光纤瑞利通道做参考信号，用反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光强度的比值来检测温度：

   ；              （5）

由光纤拉曼光时域反射（OTDR）曲线在光纤检测点的反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光强度比，扣除应变的影响得到光纤各段的温度信息。

本发明的有益效果是，本发明成本低、信噪比好，稳定性和可靠性好；适用于远程60公里范围内石化管道、隧道、大型土木工程监测和灾害预报监测。

附图说明

图1是融合拉曼放大效应的光纤拉曼频移器的全分布光纤传感器的示意图；

图中，光纤脉冲激光器10、光纤分路器11、单模光纤12、1660nm滤光器13、延时光纤14、光纤合波器15、光纤波分复用器16、传感光纤17、光纤窄带反射滤光器18、光电接收模块19、数字信号处理器20、工控机21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地描述。

参照图1，本发明融合拉曼放大效应的光纤拉曼频移器的全分布光纤传感器包括：光纤脉冲激光器10、光纤分路器11、单模光纤12、1660nm滤光器13、延时光纤14、光纤合波器15、光纤波分复用器16、传感光纤17、光纤窄带反射滤光器18、光电接收模块19、数字信号处理器20和工控机21。其中，单模光纤12和1660nm滤光器13组成的光纤拉曼频移器，光纤脉冲激光器10发出激光脉冲通过光纤分路器11分成两束，其中一束1550nm波段的激光进入光纤拉曼频移器，经频移13.2THz到1660nm波段作为宽光谱探测光源，经光纤合波器15的输出端口进入光纤波分复用器16，另一束1550nm波段的激光作为泵浦光源，经延时光纤14，通过光纤合波器15的输出端口进入光纤波分复用器16，光纤波分复用器16具有四个端口，它的输入端口通过光纤合波器15与光纤拉曼频移器输出的宽光谱探测光源和另一束1550nm泵浦光源相连，COM输出端口与传感光纤17相连，在传感光纤17中产生拉曼放大的1660nm波段宽光谱反向瑞利散射光经光纤波分复用器16的一个输出端口与光电接收模块19的一个输入端口相连，经光电转换放大后输入数字信号处理器20的一个端口；在传感光纤17中产生拉曼放大的1550nm波段宽光谱反向反斯托克斯拉曼散射光经光纤波分复用器16的另一个输出端口与光纤窄带反射滤光器18相连，扣除1550nm激光瑞利散射光后与光电接收模块19 的另一个输入端口相连，经光电转换放大后输入数字信号处理器20的另一个端口，数字信号处理器20与工控机21相连。

上述的脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为10-30ns可调，峰值功率为1-100W可调，重复频率为500Hz-1.5KHz可调。

上述的光纤拉曼频移器中1660nm滤光器的中心波长为1660nm，光谱带宽28nm，透过率98%，对1550nm激光的隔离度>45dB。

上述的光纤分路器的分支比为80/20，光纤合波器的分支比为60/40。

上述的延时光纤长度L为1.020km >L>1km G652通信单模光纤。

传感光纤是长度为60km的G652通信单模光纤或LEAF光纤。传感光纤既是传输介质又是传感介质，铺设在测温现场不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀。

上述的光纤窄带反射滤光片的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.5nm，反射率99%，对1550nm激光的隔离度>45dB。

上述的数字信号处理器可釆用杭州欧忆光电科技有限公司的双通道100MHz带宽，250MS/s釆集率的HZOE-SP01型信号处理卡。