專利名稱：可自校正的全分布式光纖拉曼散射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感測溫領(lǐng)域，涉及一種可自校正的全分布式光纖拉曼散射傳感 器。該傳感器適用需要結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用廣的場合，如生產(chǎn)過程、土木工程、災(zāi)害監(jiān)測 等的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。
背景技術(shù)：
近年來光纖傳感器，特別是分布式光纖拉曼散射傳感器由于操作簡單、安全、可應(yīng) 用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的關(guān)注和研究。該類傳感器利用光纖的本征特性，光纖瑞 利、拉曼和布里淵散射效應(yīng)，采用光時(shí)域(OTDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)控。全分布光纖傳感器 網(wǎng)中的光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)，不存在檢測盲區(qū)。該類傳感器能實(shí)現(xiàn)電力工程、石 化工業(yè)，交通橋梁，隧道，地鐵站，大壩、大提等的安全健康監(jiān)控和災(zāi)害的預(yù)報(bào)和監(jiān)測。傳統(tǒng) 的分布式光纖拉曼散射傳感器主要是利用溫度敏感的反斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)與瑞利散 射光強(qiáng)或斯托克斯散射光強(qiáng)的比來獲得溫度信息，該方法可以克服由于光源波動(dòng)而導(dǎo)致的 測量誤差，但是隨著測量距離的增加，為了獲得更高的測量精度，由反斯托克斯散射、斯托 克斯散射和瑞利散射中心波長不同而帶來的傳輸損耗需要修正。因此研究提出了采用雙光 源的方法，該方法采用兩個(gè)中心波長不同的主激光器和副激光器，利用主激光器的反斯托 克斯拉曼散射波長和副激光器的中心波長相同來消除波長不同所帶來的誤差，但是該結(jié)構(gòu) 需要增加一個(gè)激光器、一個(gè)光開關(guān)、兩個(gè)光電探測模塊，增加系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)也使得使用成 本上升。2010年，韓國Dusim Hwang等提出了在傳感光纖末端加一個(gè)反射鏡的方法，可以實(shí) 現(xiàn)溫度監(jiān)測的同時(shí)進(jìn)行自校正，(OPTICS EXPRESS, 2010, Vol. 18,No. 10 :9747_9754)但反射 鏡的增加衰減了泵浦光和反斯托克斯光信號(hào)的能量，降低了系統(tǒng)的性噪比。本發(fā)明采用雙芯光纜末端連接的方法代替了反射鏡，提供了一種結(jié)構(gòu)更為簡單， 成本低、信噪比好，可靠性高的可自校正的分布式光纖拉曼散射傳感器，該傳感器僅需要一 個(gè)激光器和一個(gè)光電探測模塊就可以實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測的同時(shí)進(jìn)行自校正。關(guān)鍵用雙芯光纜代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的單模光纖實(shí)現(xiàn)傳感測量，雙芯光纜末端相連可以使泵浦光源變成正反向兩束，從 而獲得兩束反斯托克斯光束，用來抵消光纖本身的損耗。同時(shí)對(duì)彎曲、傳輸損耗可以實(shí)現(xiàn)自 校正，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)分布式光纖拉曼散射傳感器的缺點(diǎn)，降低了成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好，可自校正的全分布式光纖 拉曼散射傳感器。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下可自校正的全分布式光纖拉曼散射傳感器，包括光纖脈沖激光器、光纖波分復(fù)用 器、雙芯光纜、光電接收模塊、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)。光纖波分復(fù)用器有三個(gè)端口，其中 1550nm輸入端與光纖脈沖激光器相連，COM輸出端口與雙芯光纜的任意一端相連，1450nm 輸出端口與光電接收模塊輸入端相連，光電接收模塊輸出端與數(shù)字信號(hào)處理器相連，數(shù)字信號(hào)處理器信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)。其中所提及的脈沖激光器的中心波長為1550nm，光譜 寬度為0. Inm,激光脈沖寬度為10ns，峰值功率I-IOOw可調(diào)，重復(fù)頻率為500Ηζ_20ΚΗζ可 調(diào)。所提及的傳感光纜為雙芯光纜，末端相連，光纖可以采用G652通信單模光纖，也可以采 用碳涂覆單模光纖。光纖脈沖激光器作為泵浦光源發(fā)出激光脈沖通過光纖波分復(fù)用器的1550nm輸入 端口射入到雙芯光纜的任意一端中，在傳感光纜中產(chǎn)生背向瑞利散射，斯托克斯拉曼散射 和反斯托克斯拉曼散射光子波，由于光纜為雙芯光纜且末端相連，因此泵浦光源在雙芯光 纜任意一根光纖中前向傳輸?shù)侥┒藭r(shí)由于末端相連而進(jìn)行背向傳輸，因而獲得正反兩個(gè)方 向的泵浦光，得到兩束反斯托克斯拉曼散射光，帶有溫度信息的背向反斯托克斯拉曼散射 光子波經(jīng)光纖濾波器后由光電接收模塊接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大。由兩束反斯 托克斯拉曼散射光強(qiáng)的乘積獲得光纖各段的溫度信息，同時(shí)對(duì)彎曲、損耗、應(yīng)變等進(jìn)行了自 校正，消除了各感溫探測點(diǎn)的溫度、溫度變化速度和彎曲、應(yīng)變與溫度的交叉影響。通過數(shù) 字信號(hào)處理器與計(jì)算機(jī)通訊接口相連進(jìn)行測量結(jié)果的傳輸。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的可自校正的全分布式光纖拉曼散射傳感器，僅用一個(gè)泵浦光源和一個(gè) 光電探測模塊，通過監(jiān)測反斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)度就能實(shí)現(xiàn)溫度的測量和定位，避免了 反斯托克斯拉曼散射和瑞利散射或斯托克斯散射中心波長不同而導(dǎo)致的傳輸衰減外，對(duì)彎 曲、應(yīng)變、節(jié)點(diǎn)損耗等誤差進(jìn)行了自校正。與傳統(tǒng)的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)相比，該測溫 系統(tǒng)除具有自校正能力外，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。本發(fā)明適用于需要自校正、成本低場合的連 續(xù)溫度測量，來防止管道，隧道等各種可能的災(zāi)害。


圖1是可自校正的分布式光纖拉曼散射傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是傳感用雙芯光纜末端連接結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。參見圖1所示，可自校正的分布式光纖拉曼散射傳感器，包括光纖脈沖激光器11、 光纖波分復(fù)用器12、雙芯光纜13、光電接收模塊14、數(shù)字信號(hào)處理器15和計(jì)算機(jī)16。光纖 波分復(fù)用器12有三個(gè)端口，其中1550nm輸入端口與光纖脈沖激光器11的輸出端相連，COM 輸出端口與傳感光纜13的任意一端相連，1450nm輸出端口與光電接收模塊14的輸入端相 連，光電接收模塊14的輸出端與數(shù)字信號(hào)處理器15的輸入端口相連，數(shù)字信號(hào)處理器15 信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)16。參見圖2所示，所述的雙芯光纜包括外封裝5和由普通的單模光纖并列形成的雙 芯光纖6，其中雙芯光纖的末端相連。上述的脈沖激光器的中心波長為1550nm，光譜寬度為0. lnm，激光脈沖寬度為 10ns，峰值功率為I-IOOw可調(diào)，重復(fù)頻率為500Hz-20KHz可調(diào)。上述的傳感光纜為雙芯光纜，末端相連，這樣泵浦光在光纖中傳輸時(shí)，通過雙芯光 纜末端相連的方式可以分成相反的兩個(gè)方向光束，得到兩束反斯托克斯拉曼散射光，通過對(duì)兩束反斯托克斯拉曼散射光的計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)彎曲、損耗等的自校準(zhǔn)，提高了全分布式光 纖溫度傳感器的測量精度。上述的數(shù)字信號(hào)處理器采用通用的信號(hào)處理卡，插在計(jì)算機(jī)內(nèi)。本發(fā)明基于以下原理能量為Ptl的泵浦光前向傳輸時(shí)產(chǎn)生背向反斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度為Inl，當(dāng) 泵浦光傳輸?shù)綔y溫光纜末端進(jìn)行反向傳輸時(shí)的能量為P1，產(chǎn)生的背向反斯托克斯拉曼散射 光強(qiáng)為Pn2。根據(jù)分布式光纖拉曼散射光子傳感器測溫原理，在光纖里反斯托克斯背向拉曼 散射光強(qiáng)為
權(quán)利要求
1.可自校正的全分布式光纖拉曼散射傳感器，其特征是包括光纖脈沖激光器(11)、光 纖波分復(fù)用器(12)、雙芯光纜(13)、光電接收模塊(14)、數(shù)字信號(hào)處理器(15)和計(jì)算機(jī) (16)；光纖波分復(fù)用器(12)具有三個(gè)端口，其中1550nm輸入端口與光纖脈沖激光器(11) 相連，COM輸出端口與雙芯光纜(13)的任意一端相連，1450nm輸出端口與光電接收模塊 (14)的輸入端相連，光電接收模塊(14)的輸出端與數(shù)字信號(hào)處理器(15)輸入端口相連，數(shù) 字信號(hào)處理器(15)信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可自校正的全分布式光纖拉曼散射傳感器，其特征是光纖脈 沖激光器(11)的中心波長為1550nm，光譜寬度為0. lnm，激光脈沖寬度為10ns，峰值功率為 I-IOOw可調(diào)，重復(fù)頻率為500Hz-20KHz可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可自校正的全分布式光纖拉曼散射傳感器，其特征是傳感光 纖(13)為雙芯光纜，末端相連，其中的光纖為G652通信單模光纖或碳涂覆單模光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開的可自校正的全分布式光纖拉曼散射傳感器，采用雙芯光纜作為傳感光纖，通過雙芯光纜末端焊接在一起的方式使泵浦光在傳輸時(shí)分成正反兩束，得到兩束反斯托克斯拉曼散射光，通過測量反斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)測溫。通過對(duì)兩束反斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)進(jìn)行相乘運(yùn)算，可以達(dá)到彎曲、損耗、應(yīng)變等自校正的目的。本發(fā)明包括光纖脈沖激光器、光纖波分復(fù)用器、雙芯光纜、光電接收模塊、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于僅通過測量反斯托克斯拉曼散射光譜強(qiáng)度就可以實(shí)現(xiàn)溫度測量的同時(shí)進(jìn)行自校正。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，避免了傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)由于中心波長不同帶來的傳輸損耗誤差和需要多個(gè)光電接收器的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102116684SQ20111002477
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月21日
發(fā)明者康娟, 張?jiān)谛? 李晨霞, 王劍峰, 董新永, 趙春柳, 金尚忠 申請人:中國計(jì)量學(xué)院