專利名稱：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的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其是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。
背景技術(shù)：
長期以來，國內(nèi)外在工程領(lǐng)域，大型土木建筑、橋粱、隧道、石化管道、儲油罐和電 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，每個傳感器均需連電線， 組成大型檢測網(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。近年來發(fā)展起來的光纖傳感器網(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。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“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)，采用光時域(OTDR)技術(shù)組成的全分布光纖傳 感器網(wǎng)，測量應(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 在檢測盲區(qū)。張?jiān)谛岢龅摹度植际焦饫w瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器》(中國發(fā)明 專利，專利號200910099463. 7，2010年授權(quán))提供了一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、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、短程0-15km全分 布式光纖傳感網(wǎng)的檢測范圍。但已不能完全滿足近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健 康監(jiān)測，對遠(yuǎn)程、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，可靠性好的融合光纖拉曼 頻移器的超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器。本發(fā)明的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，包 括光纖脈沖激光器、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、數(shù)字信號處理器和計(jì)算機(jī)。單模光纖的輸入端與光 纖脈沖激光器相連，集成型光纖波分復(fù)用器具有四個端口，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 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輸出 端分別與數(shù)字信號處理器的兩個輸入端口相連，數(shù)字信號處理器信號輸出端連接計(jì)算機(jī)。
本發(fā)明中，所說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-IkW可調(diào)，重復(fù)頻率為500Hz-20KHz可調(diào)。本發(fā)明中，所說的光纖拉曼頻移器中的帶通濾光片的中心波長為1660nm，光譜帶 寬^nm,透過率98%，對1550nm激光的隔離度> 45dB。單模光纖可以采用600m、900m或 1200m單模光纖。本發(fā)明中，所說的傳感光纖長度為15-60km，可以采用G652通信單模光纖，也可以
采用碳涂覆單模光纖。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)境下對裸光 纖的保護(hù)，保障其耐久性，傳感光纖鋪設(shè)在現(xiàn)場，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)。光纖脈沖激光器發(fā)出激光脈沖進(jìn)入光纖拉曼頻移器，光纖拉曼頻移器將1550nm 波段的光脈沖激光器的頻率頻移13. 2THz到1660nm波段，作為全分布式光纖傳感器的寬帶 探測光源。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，經(jīng)集成型光纖波分復(fù)用器分束，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，將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號并放大，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，各感溫探測點(diǎn)的溫度，溫度變 化速度和方向，應(yīng)變與溫度的檢測不存在交叉效應(yīng)，利用光時域反射對傳感光纖上的檢測 點(diǎn)定位(光纖雷達(dá)定位)。通過數(shù)字信號處理器與應(yīng)變、溫度解調(diào)軟件解調(diào)并對應(yīng)變與溫度 測進(jìn)行定標(biāo)，在60秒內(nèi)得到15-60km傳感光纖上各點(diǎn)應(yīng)變與溫度變化量，測溫精度士2°C， 由計(jì)算機(jī)通訊接口、通訊協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)傳感光纖上檢測點(diǎn)達(dá)到設(shè)定的應(yīng)變或 溫度報(bào)警設(shè)定值時，向報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警信號。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，放出一個聲子稱為斯托克 斯拉曼散射光子，吸收一個聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子Δν，光纖分子的聲子頻率為 13. 2ΤΗζ，入射激光Vtl，產(chǎn)生了頻移。ν = V0 士 Δ ν (1)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量形變的原理光纖脈沖激光器發(fā)出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 損耗，隨光纖長度而指數(shù)式衰減，背向端利散射光強(qiáng)用下式表示IKay = I0 · v04exp (-2 α 0L)(2)上式中Itl為入射到光纖處的光強(qiáng)，L為光纖長度，I為背向瑞利散射光在光纖長度L處的光強(qiáng)，C^為入射光波長處的光纖傳輸損耗。由于光纖將傳感光纖鋪設(shè)在檢測現(xiàn)場，當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境產(chǎn)生形變或裂紋時，造成鋪設(shè) 在現(xiàn)場的光纖發(fā)生彎曲，光纖產(chǎn)生局部損耗，形成光纖的附加損耗Δ α，則總損耗α = α0+Δ α，局域處的光強(qiáng)有一個跌落，光強(qiáng)由I(I)減少為I' (1)，形變造成的附加損耗通 過光強(qiáng)的改變進(jìn)行測量。Δα = ^-log(3)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) 測量獲得。分布式光纖拉曼散射光子傳感器測量溫度的原理當(dāng)入射激光與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個聲子稱為斯托克 斯拉曼散射光子，吸收一個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Ia = I0 · Va4Ra ⑴ exp [-(a0+aa) · L](4)它受到光纖溫度的調(diào)制，溫度調(diào)制函數(shù)RaRa(T) = [exp (h Δ v/kT)-1](5)h是波朗克(Planck)常數(shù)，Δ ν是一光纖分子的聲子頻率，為13. 2THz，k是波爾茲 曼常數(shù)，T是凱爾文(Kelvin)絕對溫度。在本發(fā)明中采用光纖瑞利通道做參考信號，用反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光 利光強(qiáng)度的比值來檢測溫度T^: = (―)4 ·exp[(MVlkT)-1]-1 ·exp[-(a0-α0)·Σ]
1R(T) v0(6)由光纖拉曼光時域反射(OTDR)曲線在光纖檢測點(diǎn)的反斯托克斯拉曼散射光和瑞 散射光利光強(qiáng)度比，扣除應(yīng)變的影響得到光纖各段的溫度信息。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的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，采 用光纖拉曼頻移器，將探測激光移到1660nm波段并得到了放大，提高了傳感器系統(tǒng)的信噪 比，增加了傳感器的測量長度，提高了傳感器的可靠性和空間分辨率，在測量現(xiàn)場溫度的同 時能測量現(xiàn)場的形變、裂縫和溫度并且互不交叉。采用集成型波分復(fù)用器，降低了成本；在 性價比上優(yōu)于分布式光纖布里淵溫度、應(yīng)變傳感器。鋪設(shè)在防災(zāi)現(xiàn)場的傳感光纖是絕緣的， 不帶電的，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕的，是本質(zhì)安全型的，光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介 質(zhì)，是本征型的傳感光纖，且壽命長，本發(fā)明適用于遠(yuǎn)程、超遠(yuǎn)程15-60km全分布式光纖應(yīng) 變、溫度傳感網(wǎng)，可用于石化管道，隧道，大型土木工程監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)報(bào)監(jiān)測。


圖1是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的示 意圖。
具體實(shí)施例方式參照圖1，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，包 括光纖脈沖激光器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、數(shù)字信號處理器17和計(jì)算機(jī)18。 單模光纖12的輸入端與光纖脈沖激光器11相連，集成型光纖波分復(fù)用器14具有四個端 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的兩個輸出端分別與數(shù)字信號處理器17的兩個輸入 端口相連，數(shù)字信號處理器17信號輸出端連接計(jì)算機(jī)18。其中，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 IOns,峰值功率為I-IkW可調(diào)，重復(fù)頻率為500Hz-20KHz可調(diào)。鋪設(shè)在現(xiàn)場的60km，空間分 辨率為1米，具有60，000個檢測點(diǎn)。數(shù)字信號處理器采用通用的信號處理卡，插在工業(yè)控 制計(jì)算機(jī)內(nèi)。光纖拉曼頻移器由600m單模光纖和1660nm帶通濾光片組成，帶通濾光片中心波 長為1660nm，光譜帶寬觀 !，透過率98%，對1550nm激光的隔離度>45dB。當(dāng)1550nm光纖 脈沖激光通過600m單模光纖時，光脈沖的頻率產(chǎn)生13. 2THz移動，得到中心波長在1660nm， 寬光譜^nm的探測光脈沖，當(dāng)光纖拉曼頻移器將1550nm波段的高功率激光器頻移13. 2THz 到1660nm波段，作為全分布式光纖傳感器的寬帶探測光源，如果入射激光超過一定的閾 值，在光纖里的斯托克斯波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。信號處理器采用杭州歐憶光電科技有限公司的IOOMHz帶寬，250MS/s采集率的 HZOE-SPO1型信號處理卡。集成型光纖波分復(fù)用器采用SZMX-WDM-2型光纖波分復(fù)用器。光 電接收模塊采用HZ0E-GDJM-2型光電接收模塊。
權(quán)利要求
1.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，其特征是包括 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)、數(shù)字信號處理器(17) 和計(jì)算機(jī)(18)。單模光纖(1 的輸入端與光纖脈沖激光器(11)相連，集成型光纖波分復(fù)用 器(14)具有四個端口，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(1 相連，1550nm輸出端口與光電接收模塊(16)的一個輸入端相連，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)的兩個輸出端分別與 數(shù)字信號處理器(17)的兩個輸入端口相連，數(shù)字信號處理器(17)信號輸出端連接計(jì)算機(jī) (18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的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，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-IkW可調(diào)，重復(fù)頻率為500Ηζ-20ΚΗζ可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的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，其特征是帶通濾光片(13)的中心波長為1660nm，光譜帶寬觀 ，透過率98%，對 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(1 為600m、900m或1200m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(1 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，基于光纖拉曼頻移原理，光纖瑞利與拉曼融合散射傳感原理，采用光纖拉曼頻移器，集成型光纖波分復(fù)用技術(shù)和利用光時域反射原理對測點(diǎn)進(jìn)行定位。包括光纖脈沖激光器、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、數(shù)字信號處理器和計(jì)算機(jī)。該傳感器成本低、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好，可靠性好，適用于遠(yuǎn)程、超遠(yuǎn)程15-60公里范圍內(nèi)石化管道，隧道，大型土木工程監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)報(bào)監(jiān)測。
文檔編號G02F1/35GK102080953SQ20101056650
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者康娟, 張?jiān)谛? 李晨霞, 王劍鋒, 金尚忠 申請人:中國計(jì)量學(xué)院