專利名稱：分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，屬于光纖傳感技術領域。
背景技術：
在分布式光纖傳感器領域，國內(nèi)外有分布式光纖拉曼散射光子溫度傳感器，國 外有分布式布里淵散射光子傳感器。CN101324424采用探測和泵浦光源，由光纖拉曼放 大器取代傳統(tǒng)的光纖布里淵放大器，得到背向光纖受激布里淵散射(SBS)線，通過測量 SBS線的頻移得到應變信息，但光纖拉曼放大器的價格昂貴，成本高。英國南安普敦大 學Newson研究團隊采用窄帶激光光源利用光纖的背向自發(fā)反斯托克斯拉曼散射測溫并 用自發(fā)光纖布里淵散射效應來測量應變，但由于光纖布里淵散射的光譜帶寬很窄，因此， 測量溫度和應變的精度低(M.N.Allahbabi，Y.T.Cho and T. P. Newson, Simulataneous DistributedMeasurements of Temperature and Strain using Spontaneous Raman and BrillouinScattering, Optics Letters, 2005,1 June，p. 1276-1278)。CN101162158 適用 于超遠程光纖溫度和應變的測量，但系統(tǒng)中嵌入了光纖拉曼放大器，容易產(chǎn)生光纖非線性 效應的相互干擾，而且光纖拉曼放大器的價格昂貴，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種分布式溫度、應變同時測量的高精度的分布式光纖拉 曼、布里淵散射傳感器。本發(fā)明的分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，包括半導體FP腔脈沖寬帶光纖激 光器、半導體外腔窄帶連續(xù)光纖激光器、分波器、電光調(diào)制器、單向器、摻餌光纖放大器、雙 向耦合器、集成波分復用器、兩個光電接收放大模塊、直接檢測系統(tǒng)、窄帶的透射光纖光柵、 環(huán)行器和相干檢測系統(tǒng)，半導體FP腔脈沖寬帶光纖激光器的輸出端與摻餌光纖放大器的 一個輸入端相連，半導體外腔窄帶連續(xù)光纖激光器的輸出端與分波器的輸入端相連，分波 器的一個輸出端依次連接電光調(diào)制器、單向器和摻餌光纖放大器的另一個輸入端，摻餌光 纖放大器的輸出端與雙向耦合器的輸入端相連，雙向耦合器的一個輸出端與單模光纖相 連，雙向耦合器的另一個輸出端與集成波分復用器的輸入端相連，集成波分復用器的兩個 輸出端口分別經(jīng)第一、第二光電接收放大模塊與直接檢測系統(tǒng)相連，集成波分復用器的第 三個輸出端口經(jīng)窄帶的透射光纖光柵與環(huán)行器的一個輸入端相連，環(huán)行器的另一個輸入端 與分波器的另一個輸出端相連，環(huán)行器的輸出端與相干檢測系統(tǒng)相連。上述的半導體FP腔脈沖寬帶光纖激光器的脈沖寬度小于30ns，波長為1550nm。半 導體外腔窄帶連續(xù)光纖激光器的光譜寬度為10MHz，波長為1555nm。兩個光源處于不同波 段，實現(xiàn)了波分復用。上述的集成波分復用器由兩對光纖耦合器、自聚焦透鏡平行光路以及中心波長 1450nm、光譜帶寬38nm、損耗< 0. 3dB的濾光片和中心波長1660nm、光譜帶寬40nm、損耗 < 0. 3dB的濾光片組成，集成波分復用器具有四個端口，一個輸入端口，三個輸出端口，第一輸出端口是1450nm端口，為光纖反斯托克斯拉曼散射光輸出口，第二輸出端口是1660nm 端口，為光纖斯托克斯拉曼散射光輸出口，第三輸出端口是1550nm端口，為光纖瑞利和布 里淵散射光輸出口。上述的窄帶的透射光纖光柵是中心波長為1555.08nm，光譜帶寬為0. lnm，損耗 < 0. 3dB,隔離度> 35dB的光纖光柵。本發(fā)明的分布式拉曼、布里淵散光纖傳感器是基于光纖非線性光學散射的融合原 理和波分復用原理，利用背向光纖自發(fā)反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光強度比來測光纖 溫度；背向光纖自發(fā)布里淵散射光的頻移測量光纖所受的應變，實現(xiàn)溫度和應變的同時測 量，提高系統(tǒng)的信噪比，改善測量精度。半導體FP腔脈沖寬帶光纖激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)摻餌光纖放大器和雙向耦合器進 入單模光纖，單模光纖的背向拉曼散射光經(jīng)雙向耦合器輸入集成波分復用器，集成波分復 用器的第一、第二輸出端口輸出的反斯托克斯和斯托克斯自發(fā)拉曼散射光分別經(jīng)第一、第 二光電接收放大模塊進入直接檢測系統(tǒng)，直接檢測系統(tǒng)對輸入信號進行處理，由反斯托克 斯和斯托克斯自發(fā)拉曼散射光的比值，給出光纖各段的溫度信息。半導體外腔窄帶連續(xù)光 纖激光器輸出的連續(xù)激光經(jīng)分波器，通過電光調(diào)制器調(diào)制成30ns脈沖激光，再經(jīng)單向器、 摻餌光纖放大器和雙向耦合器進入單模光纖，光纖的背向布里淵散射光依次經(jīng)雙向耦合 器、集成波分復用器的第三輸出端口、窄帶的透射光纖光柵進入環(huán)行器，與進入環(huán)行器的來 自分波器的本地激光共同輸入相干檢測系統(tǒng)，利用相干檢測系統(tǒng)測量光纖布里淵散射光的 頻移，得到光纖各段的應變與溫度的信息。光纖拉曼散射的測溫原理反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強度 比I⑴
又 ij( 1)
/(r)丄二
<ps其中(^、是經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電平值，va, vs分別是反斯托克斯拉曼散射光子與 斯托克斯拉曼散射光子的頻率，h是波朗克(Planck)常數(shù)，h = 6. 626 068 76. 52xlO_34J. s (1998年基本物理常數(shù)數(shù)據(jù))，A、是一光纖分子的聲子頻率為13. 2THz，k是波爾茲曼常 數(shù)，k= 1.380 eSOSZ^lOmjIT1，！1是凱爾文(Kelvin)絕對溫度。由兩者的強度比，得到光 纖各段的溫度信息。光纖布里淵散射的測量應變、溫度原理在光纖中，入射光纖的激光與光纖中聲 波的非線性相互作用，光波通過電致伸縮產(chǎn)生聲波，引起光纖折射率的周期性調(diào)制形成空 間折射率光柵，產(chǎn)生頻率下移的布里淵散射光，在光纖中產(chǎn)生的背向布里淵散射的頻移vB 為vB = 2nv/ A (2)其中n為入射光波長入處的折射率，v為光纖中聲速，對石英光纖，在入=1550nm 附近，vB約為11GHz。在光纖中的布里淵散射光頻移vB具有應變和溫度效應 布里淵散射光的頻移6 VB = CVE 8 e +CvT 8 T (4)其中頻移的應變系數(shù)CVE和溫度系數(shù)CvT為CVE = 0. 0482 士 0. 004MHz/ u e , CvT = 1. 10 士 0. 02MHz/K通過測量光纖背向布里淵散射線的頻移得到光纖上各段的應變量。優(yōu)點本發(fā)明基于光纖非線性光學散射融合原理和波分復用原理，采用兩個激光 光源，其中，半導體FP腔脈沖寬帶光纖激光器利用光纖自發(fā)拉曼散射強度比測溫，另一個 半導體外腔窄帶連續(xù)光纖激光器利用光纖自發(fā)布里淵散射線的頻移測應變，增加了系統(tǒng)的 信噪比，在空間實現(xiàn)在線溫度和應變的同時測量并改善了測量精度。


圖1是本發(fā)明的分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器的示意圖。
具體實施例方式參照圖1，本發(fā)明的分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，包括半導體FP腔脈沖寬 帶光纖激光器11、半導體外腔窄帶連續(xù)光纖激光器12、分波器13、電光調(diào)制器14、單向器 15、摻餌光纖放大器16、雙向耦合器17、集成波分復用器19、兩個光電接收放大模塊20、21、 直接檢測系統(tǒng)22、窄帶的透射光纖光柵23、環(huán)行器24和相干檢測系統(tǒng)25，半導體FP腔脈沖 寬帶光纖激光器11的輸出端與摻餌光纖放大器16的一個輸入端相連，半導體外腔窄帶連 續(xù)光纖激光器12的輸出端與分波器13的輸入端相連，分波器13的一個輸出端依次連接電 光調(diào)制器14、單向器15和摻餌光纖放大器16的另一個輸入端，摻餌光纖放大器16的輸出 端與雙向耦合器17的輸入端相連，雙向耦合器17的一個輸出端與單模光纖18相連，雙向 耦合器17的另一個輸出端與集成波分復用器19的輸入端相連，集成波分復用器19的兩個 輸出端口分別經(jīng)第一、第二光電接收放大模塊20，21與直接檢測系統(tǒng)22相連，集成波分復 用器19的第三個輸出端口經(jīng)窄帶的透射光纖光柵23與環(huán)行器24的一個輸入端相連，環(huán)行 器24的另一個輸入端與分波器13的另一個輸出端相連，環(huán)行器24的輸出端與相干檢測系 統(tǒng)25相連。上述的半導體脈沖光纖激光器11是脈沖寬度小于30ns，波長為1550nm的半導體 FP腔的高功率光纖激光器。半導體外腔窄帶光纖激光器12是光譜寬度為10MHz，波長為 1555nm的半導體外腔連續(xù)光纖激光器，經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制成脈寬為30ns的脈沖激光器。兩 個光源處于不同波段，實現(xiàn)了波分復用。上述的集成波分復用器是使用深圳明鑫光電公司SZMX-WDM-2型波分復用器，由 兩對光纖耦合器、自聚焦透鏡平行光路、中心波長1450nm光譜帶寬38nm，低損耗< 0. 3dB濾 光片和中心波長1660nm光譜帶寬40nm，低損耗< 0. 5dB濾光片組成。它具有一個輸入端口 和三個輸出端口，第一輸出端口是1450nm端口，第二輸出端口是1660nm端口，第三輸出端 口是1550nm端口，其中，第一輸出端口為光纖反斯托克斯拉曼散射光輸出口，第二輸出端 口為光纖斯托克斯拉曼散射光輸出口，第三輸出端口為光纖瑞利和布里淵散射光輸出口。
所述的窄帶的透射光纖光柵23是中心波長為1555. 08nm窄帶的透射光纖光柵，光 譜帶寬為0. lnm，損耗< 0. 3dB，隔離度> 35dB的光纖光柵，從集成波復用器第三端口選取 光纖布里淵散射光，隔離背向光纖瑞利散射。所述的第一、第二光纖光電接收放大模塊20、21，分別由光纖連接的低噪音 InGaAs光電雪崩二極管、低噪音MAX4107前置放大器和主放大器構成。所述的直接檢測系統(tǒng)22可采用美國NI公司的雙通道100MHz帶寬，100MS/ s采集率的NI5911型信號處理卡，或采用加拿大GaGe公司雙通道，500MS/s采集率的 CS21GB-1GHZ型信號處理卡。所述的相干檢測系統(tǒng)25將反向的光纖布里淵散射光與外腔窄帶光纖激光器的本 地光，通過光電檢測器拍頻進行相干檢測，測量頻移得到光纖各段的應變信息。
權利要求
分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是包括半導體FP腔脈沖寬帶光纖激光器(11)、半導體外腔窄帶連續(xù)光纖激光器(12)、分波器(13)、電光調(diào)制器(14)、單向器(15)、摻鉺光纖放大器(16)、雙向耦合器(17)、集成波分復用器(19)、兩個光電接收放大模塊(20)、(21)、直接檢測系統(tǒng)(22)、窄帶的透射光纖光柵(23)、環(huán)行器(24)和相干檢測系統(tǒng)(25)。半導體FP腔脈沖寬帶光纖激光器(11)的輸出端與摻鉺光纖放大器(16)的一個輸入端相連，半導體外腔窄帶連續(xù)光纖激光器(12)的輸出端與分波器(13)的輸入端相連，分波器(13)的一個輸出端依次連接電光調(diào)制器(14)、單向器(15)和摻鉺光纖放大器(16)的另一個輸入端，摻鉺光纖放大器(16)的輸出端與雙向耦合器(17)的輸入端相連，雙向耦合器(17)的一個輸出端與單模光纖(18)相連，雙向耦合器(17)的另一個輸出端與集成波分復用器(19)的輸入端相連，集成波分復用器(19)的兩個輸出端口分別經(jīng)第一、第二光電接收放大模塊(20)、(21)與直接檢測系統(tǒng)(22)相連，集成波分復用器(19)的第三個輸出端口經(jīng)窄帶的透射光纖光柵(23)與環(huán)行器(24)的一個輸入端相連，環(huán)行器(24)的另一個輸入端與分波器(13)的另一個輸出端相連，環(huán)行器(24)的輸出端與相干檢測系統(tǒng)(25)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是半導體FP腔 脈沖寬帶光纖激光器(11)的脈沖寬度小于30ns，波長為1550nm。
3.根據(jù)權利要求1所述的分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是半導體外腔 窄帶連續(xù)光纖激光器(12)的光譜寬度為10MHz，波長為1555nm。 3.根據(jù)權利要求1所述的分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是集成波分復 用器由兩對光纖耦合器、自聚焦透鏡平行光路以及中心波長1450nm、光譜帶寬38nm、損耗 < 0. 3dB的濾光片和中心波長1660nm、光譜帶寬40nm、損耗< 0. 3dB的濾光片組成，集成波 分復用器具有四個端口，一個輸入端口，三個輸出端口，第一輸出端口是1450nm端口，為光 纖反斯托克斯拉曼散射光輸出口，第二輸出端口是1660nm端口，為光纖斯托克斯拉曼散射 光輸出口，第三輸出端口是1550nm端口，為光纖瑞利和布里淵散射光輸出口。
4.根據(jù)權利要求1所述的分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是窄帶的透射 光纖光柵(23)是中心波長為1555. 08nm，光譜帶寬為0. lnm，損耗<0.3dB，隔離度> 35dB 的光纖光柵。
全文摘要
本發(fā)明公開的分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，包括半導體FP腔脈沖寬帶光纖激光器、半導體外腔窄帶連續(xù)光纖激光器、分波器、電光調(diào)制器、單向器、摻鉺光纖放大器、雙向耦合器、集成波分復用器、兩個光電接收放大模塊、直接檢測系統(tǒng)、窄帶的透射光纖光柵、環(huán)行器和相干檢測系統(tǒng)。該傳感器基于光纖非線性光學散射的融合原理和波分復用原理，利用背向光纖自發(fā)反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光強度比來測光纖溫度；背向光纖自發(fā)布里淵散射光的頻移測量光纖所受的應變，實現(xiàn)溫度和應變的同時測量，提高系統(tǒng)的信噪比，改善了測量精度。
文檔編號G01D21/02GK101852655SQ20101014589
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月13日 優(yōu)先權日2010年4月13日
發(fā)明者余向東, 張在宣, 李裔, 王劍鋒, 金尚忠, 龔華平 申請人:中國計量學院