專利名稱：一種融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其是融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在工程領(lǐng)域，大型土木建筑、橋粱、隧道、石化管道、儲(chǔ)油罐和電力電纜主要使用電學(xué)應(yīng)變片和熱敏電組作為應(yīng)變和溫度傳感器，每個(gè)傳感器均需連電線， 組成大型檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，這類傳感器本身帶電，本質(zhì)上是不安全的，易受電磁干擾， 不耐腐蝕，也不能定位，不適合于惡劣環(huán)境中使用，更不適合于應(yīng)用地質(zhì)災(zāi)害和火災(zāi)的現(xiàn)場(chǎng)。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的光纖傳感器網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)大型土木工程、電力工程、石化工業(yè)，交通橋梁，隧道，地鐵站，大壩、大提和礦業(yè)工程等安全健康監(jiān)控和災(zāi)害的預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)。光纖傳感器有兩大類一類是以光纖光柵(FBG)和光纖法白(F-P)等點(diǎn)式傳感器“掛”(布設(shè))在光纖上，采用光時(shí)域技術(shù)組成的準(zhǔn)分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)分布式光纖傳感器網(wǎng)的主要問題是在點(diǎn)式傳感器之間的光纖僅是傳輸介質(zhì)，因而存在檢測(cè)“盲區(qū)”；另一類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)組成的全分布光纖傳感器網(wǎng)，測(cè)量應(yīng)變和溫度。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(cè)盲區(qū)。張?jiān)谛忍岢龅摹兑环N融合光纖拉曼頻移器的超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，CN201885733U》，提供了一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好，可靠性好的分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器，適用于中、遠(yuǎn)程15-60km全分布式光纖傳感網(wǎng)的檢測(cè)范圍。但已不能滿足近年來(lái)石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監(jiān)測(cè)，對(duì)超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利、拉曼和布里淵散射應(yīng)變、溫度傳感網(wǎng)的迫切需求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好、可靠性好、適用于 80km全分布式光纖傳感網(wǎng)檢測(cè)范圍的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器。本實(shí)用新型的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動(dòng)電源，脈沖編碼光纖脈沖激光器、由單模光纖和 1660nm帶通濾光片組成的光纖拉曼頻移器、集成型光纖波分復(fù)用器、傳感光纖、光電接收模塊、編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器和工控機(jī)，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器的一個(gè)信號(hào)輸出端與脈沖編碼激光器驅(qū)動(dòng)電源相連，另一個(gè)信號(hào)輸出端與與工控機(jī)連接，由編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生的時(shí)間序列脈沖編碼信號(hào)控制脈沖編碼激光器驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)脈沖編碼光纖激光器產(chǎn)生時(shí)間序列編碼的1550nm激光脈沖，作為拉曼頻移器的泵浦源，單模光纖的輸入端與脈沖編碼光纖脈沖激光器的輸出端相連，由單模光纖和1660nm帶通濾光片組成的光纖拉曼頻移器，將1550nm時(shí)間序列編碼的激光脈沖頻移到1660nm，集成型光纖波分復(fù)用器具有四個(gè)端口，其中1660nm輸入端口與1660nm帶通濾光片相連，COM輸出端口與傳感光纖相連，1550nm輸出端口與光電接收模塊的一個(gè)輸入端相連，1660nm輸出端口與光電接收模塊另一輸入端相連，光電接收模塊的兩個(gè)輸出端分別與編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器的兩個(gè)輸入端口相連。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的脈沖編碼光纖脈沖激光器由F-P半導(dǎo)體激光器和摻餌光纖放大器組成，中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜寬度為3nm，激光的單位脈沖寬度<6ns。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的帶通濾光片的中心波長(zhǎng)為1660nm，光譜帶寬^nm,透過率 98%，對(duì)1550nm激光的隔離度>45dB。單模光纖可以采用600m、900 m或1200 m單模光纖。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器采用嵌入式設(shè)計(jì)，由以 ADS62P49采集芯片為核心的高速采集器和以ADSP-BF561芯片為核心的高速數(shù)字處理器組成。本實(shí)用新型中，所說(shuō)的傳感光纖為80km通信用G652單模光纖或色散位移光纖或碳涂復(fù)單模光纖。碳涂覆單模光纖是一種在拉絲過程中，于裸光纖表面上沉積一層35 70nm厚的致密碳膜，然后再涂覆一層紫外固化有機(jī)涂料，致密碳膜可大大增強(qiáng)在惡劣環(huán)境下對(duì)裸光纖的保護(hù)，保障其耐久性，傳感光纖鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)，該光纖不帶電，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕，可靠性好，光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)。 脈沖編碼光纖脈沖激光器發(fā)出時(shí)間序列編碼激光脈沖進(jìn)入光纖拉曼頻移器，光纖拉曼頻移器將1550nm波段的時(shí)間序列編碼激光脈沖的頻率頻移13. 2THz到1660nm波段， 作為全分布式光纖傳感器的寬帶泵浦光源。寬帶光脈沖通過集成型光纖波分復(fù)用器射入傳感光纖，在傳感光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射，斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波并進(jìn)行放大，經(jīng)集成型光纖波分復(fù)用器分朿，帶有應(yīng)變信息的背向瑞利散射光和帶有溫度信息的反斯托克斯拉曼散射光子波分別經(jīng)光電接收模塊，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)并放大， 經(jīng)編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器和工控機(jī)解碼解調(diào)處理后，由瑞利散射光的強(qiáng)度比得到應(yīng)變的信息，給出傳感光纖上各應(yīng)變探測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，應(yīng)變變化速度和方向；由反斯托克斯拉曼散射光與瑞利散射光的強(qiáng)度比，扣除應(yīng)變的影響得到光纖各段的溫度信息，各感溫探測(cè)點(diǎn)的溫度，溫度變化速度和方向，應(yīng)變與溫度的檢測(cè)不存在交叉效應(yīng)，利用光時(shí)域反射對(duì)傳感光纖上的檢測(cè)點(diǎn)定位(光纖雷達(dá)定位)。通過編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器與應(yīng)變、溫度解調(diào)軟件解碼解調(diào)，在60秒內(nèi)得到80km傳感光纖上各點(diǎn)應(yīng)變與溫度變化量，測(cè)溫精度士2°C，由工控機(jī)通訊接口、通訊協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)傳感光纖上檢測(cè)點(diǎn)達(dá)到設(shè)定的應(yīng)變或溫度報(bào)警設(shè)定值時(shí)，向報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器的編碼解碼原理本傳感器的序列脈沖編碼是通過S矩陣轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)的，S矩陣轉(zhuǎn)換是標(biāo)準(zhǔn)哈達(dá)馬得(Hadamard)轉(zhuǎn)換的一種變式，也可稱為哈達(dá)馬得轉(zhuǎn)換。S矩陣的元素均由“0”和“1”組成，這一特點(diǎn)很適用于激光序列脈沖編碼，在實(shí)際應(yīng)用中可用“0”代表激光器關(guān)閉，用“ 1，， 代表激光器開啟。這種采用“0”、“1”的編碼方式又可稱為簡(jiǎn)單編碼。而解碼的過程是對(duì)應(yīng)的逆S矩陣轉(zhuǎn)換。[0014]由編碼原理推導(dǎo)得知，采用N位的序列脈沖編碼解碼可獲得的信噪比改善為
mr N+\SNRn = -J=(1)
2^ N由⑴式可知，信噪比改善隨著編碼位數(shù)的提高而提高。
255 ι 1當(dāng)N 取 255 時(shí)SNR255 = j rn 8.02
2λ/255光纖傳感器的空間定位分辨率由單位的窄脈沖寬度決定，由于采用多脈沖發(fā)射， 在提高發(fā)射光子數(shù)的同時(shí)又可通過壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率，并且不必提高單個(gè)激光脈沖的峰值功率從而又有效地防止了光纖非線性效應(yīng)造成OTDR曲線的變形。光纖拉曼頻移器原理當(dāng)入射激光Vtl與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個(gè)聲子稱為斯托克斯拉曼散射光子ν = νο-Δ ν，吸收一個(gè)聲子，稱為反斯托克斯拉曼散射光子ν = ν。+Δ V， 光纖分子的聲子頻率Δ ν為13. 2ΤΗζ。ν = Λ ν(2)叫做光纖拉曼頻移，可制作成光纖拉曼頻移器。如果入射激光超過一定的閾值，在光纖里的斯托克斯波V = Vtl-A ν在光纖介質(zhì)內(nèi)快速增加，大部分泵浦光的功率都可以轉(zhuǎn)換成斯托克斯光，并有拉曼放大作用，增益可以抑制光纖的傳輸損耗，提高全分布式光纖應(yīng)變、溫度傳感器的工作距離，這種受激拉曼散射現(xiàn)象成為光纖拉曼頻移器的工作原理。分布式光纖瑞利散射光子傳感器測(cè)量形變的原理脈沖編碼光纖脈沖激光器發(fā)出時(shí)間序列激光脈沖通過集成型光纖波分復(fù)用器射入傳感光纖，激光與光纖分子的相互作用，產(chǎn)生與入射光子同頻率的瑞利散射光，瑞利散射光在光纖中傳輸存在損耗，隨光纖長(zhǎng)度而指數(shù)式衰減，背向端利散射光強(qiáng)用下式表示= /0 · Vq exp (- 2c%￡)(3)上式中為入射到光纖處的光強(qiáng)，Z為光纖長(zhǎng)度，/為背向瑞利散射光在光纖長(zhǎng)度 L處的光強(qiáng)，珥為入射光頻率處的光纖傳輸損耗。由于光纖將傳感光纖鋪設(shè)在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生形變或裂紋時(shí)，造成鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的光纖發(fā)生彎曲，光纖產(chǎn)生局部損耗，形成光纖的附加損耗Δα·，則總損耗
^= +Δα,局域處的光強(qiáng)有一個(gè)跌落，光強(qiáng)由/(/)減少為/'(i),形變?cè)斐傻母郊訐p耗通過光強(qiáng)的改變進(jìn)行測(cè)量。
、 ι , 4!)Δω. = —log -ii(4)
22i fj' B形變或裂紋大小與光纖損耗的關(guān)系采用仿真模型計(jì)算并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行摸擬試驗(yàn)測(cè)量獲得。分布式光纖拉曼散射光子傳感器測(cè)量溫度的原理當(dāng)入射激光與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個(gè)聲子稱為斯托克斯拉曼散射光子，吸收一個(gè)聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子，光纖分子的聲子頻率為 13. 2THz。光纖分子能級(jí)上的粒子數(shù)熱分布服從波爾茲曼(Boltzmarm)定律，在光纖里反斯托克斯背向拉曼散射光強(qiáng)為
權(quán)利要求1.一種融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器， 其特征是包括脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動(dòng)電源(10)，脈沖編碼光纖脈沖激光器(11 )、由單模光纖(12)和1660nm帶通濾光片(13)組成的光纖拉曼頻移器、集成型光纖波分復(fù)用器(14)、 傳感光纖(15)、光電接收模塊(16)、編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(17)和工控機(jī)(18)，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(17)的一個(gè)信號(hào)輸出端與脈沖編碼激光器驅(qū)動(dòng)電源(10)相連，另一個(gè)信號(hào)輸出端與與工控機(jī)(18)連接，由編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(17)產(chǎn)生的時(shí)間序列脈沖編碼信號(hào)控制脈沖編碼激光器驅(qū)動(dòng)電源(10)，驅(qū)動(dòng)脈沖編碼光纖激光器 (11)產(chǎn)生時(shí)間序列編碼的1550nm激光脈沖，作為拉曼頻移器的泵浦源，單模光纖(12)的輸入端與脈沖編碼光纖脈沖激光器(11)的輸出端相連，由單模光纖(1 和1660nm帶通濾光片(13)組成的光纖拉曼頻移器，將1550nm時(shí)間序列編碼的激光脈沖頻移到1660nm，集成型光纖波分復(fù)用器(14)具有四個(gè)端口，其中1660nm輸入端口與1660nm帶通濾光片(13)相連，COM輸出端口與傳感光纖(15)相連，1550nm輸出端口與光電接收模塊(16)的一個(gè)輸入端相連，1660nm輸出端口與光電接收模塊(16)另一輸入端相連，光電接收模塊(16)的兩個(gè)輸出端分別與編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(17)的兩個(gè)輸入端口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征脈沖編碼光纖脈沖激光器(11)由F-P半導(dǎo)體激光器和摻餌光纖放大器組成，中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜寬度為3nm，激光的單位脈沖寬度<6ns。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是1660nm帶通濾光片(13)的中心波長(zhǎng)為1660nm，光譜帶寬 28nm,透過率98%，對(duì)1550nm激光的隔離度>45dB。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是單模光纖(12)為600m、900 m或1200 m單模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是傳感光纖(15)是80km通信用G652單模光纖或色散位移光纖或碳涂復(fù)單模光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(17)由以ADS62P49采集芯片為核心的高速采集器和以ADSP-BF561芯片為核心的高速數(shù)字處理器組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動(dòng)電源，脈沖編碼光纖脈沖激光器、由單模光纖和1660nm帶通濾光片組成的光纖拉曼頻移器、集成型光纖波分復(fù)用器、傳感光纖、光電接收模塊、編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器和工控機(jī)。該傳感器基于光纖拉曼頻移器原理、脈沖編碼原理、光纖瑞利與拉曼融合散射傳感原理，利用光時(shí)域反射原理對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位。本實(shí)用新型的傳感器成本低、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好，可靠性好，適用于遠(yuǎn)程、超遠(yuǎn)程80公里范圍內(nèi)石化管道，隧道，大型土木工程監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01K11/32GK202182726SQ20112028649
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者余向東, 康娟, 張?jiān)谛? 李晨霞, 王劍鋒, 金尚忠 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院