專利名稱：一種超遠(yuǎn)程100km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：
本實用新型涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其是分布式光纖瑞利與拉曼散射應(yīng)變、溫度傳感器。
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、橋梁、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)。張在宣提出的《全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器》(中國專利 ZL200910099463. 7)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)容本實用新型的目的是提供一種采用光纖拉曼放大技術(shù)的低成本、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好，可靠性好的超遠(yuǎn)程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器。本實用新型的超遠(yuǎn)程IOOkm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，集成型光纖波分復(fù)用器，光纖窄帶反射濾光片，光纖分路器，光纖拉曼激光器， IOOkm傳感光纖，光電接收模塊，數(shù)字信號處理器和工控機。集成型光纖波分復(fù)用器具有四個端口，其中1550nm輸入端口與光纖脈沖激光器相連，COM輸出端口通過光纖濾光片與光纖分路器的輸入端相連，1450nm輸出端口和1550nm輸出端口分別與光電接收模塊的兩個輸入端相連，光纖分路器的一個輸出端與光纖拉曼激光器相連，光纖分路器的另一個輸出端接傳感光纖，光電接收模塊的兩個輸出端分別與數(shù)字信號處理器兩個輸入端口相連，數(shù)字信號處理器將采集、累加的信號經(jīng)過工控機解調(diào)處理，獲得IOOkm傳感光纖所在現(xiàn)場的應(yīng)變、溫度信息并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)。
3[0007]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1-100W可調(diào)，重復(fù)頻率為500Hz-20KHz可調(diào)。上述的光纖拉曼激光器為連續(xù)激光器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為 0. Inm,功率0-1. 5W可調(diào)。光纖拉曼激光器與IOOkm傳感光纖構(gòu)成一個前向泵浦的C波段光纖拉曼放大器。上述的光纖濾光片的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. 3nm,對1465nm瑞利散射光的隔離度> 45dB。光纖窄帶反射濾光片抑制1465nm光纖拉曼激光器在傳感光纖中的背向瑞利散射，避免瑞利散射光干擾傳感光纖中1450nm波段的反斯托克斯拉曼散射的影響。上述的傳感光纖為100km G652通信單模光纖。光脈沖激光器發(fā)出激光脈沖進入傳感光纖，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，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)由光纖拉曼激光器與IOOkm傳感光纖構(gòu)成前向泵浦的C波段光纖拉曼放大器放大后，由集成型光纖波分復(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，由瑞利散射光的強度比得到應(yīng)變的信息，給出傳感光纖上各應(yīng)變探測點的應(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)變與溫度測進行定標(biāo)，在60秒內(nèi)得到IOOkm傳感光纖上各點應(yīng)變與溫度變化量，測溫精度士2°C，由計算機通訊接口、通訊協(xié)議進行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)傳感光纖上檢測點達(dá)到設(shè)定的應(yīng)變或溫度報警設(shè)定值時，向報警控制器發(fā)出報警信號。光纖拉曼頻移器的工作原理光纖拉曼頻移器有單模光纖和寬帶1660nm濾光器組成。當(dāng)激光入射到單模光纖，激光與光纖分子的非線性相互作用，入射光子被一個光纖分子散射成另一個斯托克斯光子或反斯托克斯光子，相應(yīng)的分子完成兩個振動態(tài)之間的躍遷，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。當(dāng)入射的1550nm激光功率達(dá)到一定閾值后，產(chǎn)生放大的斯托克斯拉曼散射光，光頻移了 13. 2THz，獲得了寬光譜帶1660nm光，經(jīng)1660nm濾光器后作為拉曼相關(guān)光源的主光源。分布式光纖拉曼放大器原理當(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. 2ΤΗζ0ν = ν0 ± Δ ν(1)放大器的開關(guān)增益為Ga = exp (gEP0Leff/Aeff)(2)其中Ptl = I0Aeff是放大器的泵浦光輸入功率，gE是拉曼增益系數(shù)Arff是光纖的有效截面，Leff為光纖的有效作用長度(考慮了光纖對泵浦的吸收損耗)，其表達(dá)式如下[0020]Leff = —Π - exP( ~apL)](3)
aP對于光纖拉曼放大器，泵浦功率只有超過某一閾值時，才有可能會對信號產(chǎn)生受激拉曼放大，在光纖里的斯托克斯波ν = ν(ΓΔν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)象用來增加全分布式光纖傳感器的工作距離。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，背向端利散射光強用下式表示IKay = I0 · v04exp (-2 α。L)(4)上式中Itl為入射到光纖處的光強，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，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，局域處的光強有一個跌落，光強由I(I)減少為I' (1)，形變造成的附加損耗通
過光強的改變進行測量。= (5)形變或裂紋大小與光纖損耗的關(guān)系采用仿真模型計算并在實驗室進行摸擬試驗測量獲得。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為 Ia = I0 · Va4Ra ⑴ exp [-(a0+aa) · L](6)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](7)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。在本實用新型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度的比值來檢測溫度= (^)4 ·exp[(Mv/kT)-1]"1 ·exp[-K-cc0)*L]
hiT) vo(8)由光纖拉曼光時域反射(OTDR)曲線在光纖檢測點的反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光強度比，扣除應(yīng)變的影響得到光纖各段的溫度信息。本實用新型的有益效果在于[0039]本實用新型的超遠(yuǎn)程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，采用分布式光纖拉曼放大器，將帶有應(yīng)變信息的探測激光在傳感光纖中產(chǎn)生背向瑞利散射信號放大，并放大了帶有溫度信息的背向反斯托克斯散射信號，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。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，本實用新型適用于超遠(yuǎn)程IOOkm全分布式光纖應(yīng)變、溫度傳感網(wǎng)?？捎糜诔h(yuǎn)程100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)報監(jiān)測。

圖1是超遠(yuǎn)程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器的示意圖。
具體實施方式
參照圖1，超遠(yuǎn)程IOOkm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10，集成型光纖波分復(fù)用器11，光纖窄帶反射濾光片12，光纖分路器13，光纖拉曼激光器 14，IOOkm傳感光纖15，光電接收模塊16，數(shù)字信號處理器17和工控機18。集成型光纖波分復(fù)用器11具有四個端口，其中1550nm輸入端口與光纖脈沖激光器10相連，COM輸出端口通過光纖濾光片12與光纖分路器13的輸入端相連，1450nm輸出端口和1550nm輸出端口分別與光電接收模塊16的兩個輸入端相連，光纖分路器13的一個輸出端與光纖拉曼激光器14相連，光纖分路器13的另一個輸出端接傳感光纖15，光電接收模塊16的兩個輸出端分別與數(shù)字信號處理器17兩個輸入端口相連，數(shù)字信號處理器17將采集、累加的信號經(jīng)過工控機18解調(diào)處理，獲得IOOkm傳感光纖15所在現(xiàn)場的應(yīng)變、溫度信息并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)。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1-100W可調(diào)，重復(fù)頻率為500Hz-20KHz可調(diào)。上述的光纖拉曼激光器為連續(xù)激光器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為 0. lnm，功率 0-1. 5W 可調(diào)。上述的光纖濾窄帶反射濾光片的中心波長為1465nm，光譜寬度為0.3nm，對 1465nm拉曼激光器在光纖中產(chǎn)生瑞利散射光的隔離度> 45dB。光纖窄帶反射濾光片抑制 1465·光纖拉曼激光器在傳感光纖中的背向瑞利散射，避免瑞利散射光干擾傳感光纖中 1450nm波段的反斯托克斯拉曼散射的影響。上述的光電接收模塊采用HZ0E-GDJM-2型光電接收模塊。上述的傳感光纖采用 100km G652通信單模光纖。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HZ0E-SP01型信號處理卡。
權(quán)利要求1.一種超遠(yuǎn)程IOOkm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(10)，集成型光纖波分復(fù)用器(11)，光纖窄帶反射濾光片(12)，光纖分路器(13)，光纖拉曼激光器(14)，IOOkm傳感光纖(15)，光電接收模塊(16)，數(shù)字信號處理器(17)和工控機(18)，集成型光纖波分復(fù)用器(11)具有四個端口，其中1550nm輸入端口與光纖脈沖激光器(10)相連，COM輸出端口通過光纖濾光片(12)與光纖分路器(13)的輸入端相連， 1450nm輸出端口和1550nm輸出端口分別與光電接收模塊(16)的兩個輸入端相連，光纖分路器(1 的一個輸出端與光纖拉曼激光器(14)相連，光纖分路器(1 的另一個輸出端接傳感光纖(15)，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)兩個輸入端口相連，數(shù)字信號處理器(17)將采集、累加的信號經(jīng)過工控機(18)解調(diào)處理，獲得IOOkm 傳感光纖(1 所在現(xiàn)場的應(yīng)變、溫度信息并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠(yuǎn)程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是脈沖激光器(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1-100W可調(diào)，重復(fù)頻率為500Hz-20KHz可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠(yuǎn)程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是光纖拉曼激光器(14)為連續(xù)激光器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. lnm，功率 0-1. 5W 可調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠(yuǎn)程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是光纖窄帶反射濾光片(12)的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. 3nm，對1465nm瑞利散射光的隔離度> 45dB。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠(yuǎn)程IOOkm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100km G652通信單模光纖。
專利摘要本實用新型公開的超遠(yuǎn)程100km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，集成型光纖波分復(fù)用器，光纖窄帶反射濾光片，光纖分路器，光纖拉曼激光器，100km傳感光纖，光電接收模塊，數(shù)字信號處理器和工控機。該傳感器采用分布式光纖拉曼放大器，將帶有應(yīng)變信息的探測激光在傳感光纖中產(chǎn)生背向瑞利散射信號放大，并放大了帶有溫度信息的背向反斯托克斯散射信號，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。具有成本低、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好等特點，適用于超遠(yuǎn)程100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)報監(jiān)測。
文檔編號G02F1/365GK201935670SQ201020634309
公開日2011年8月17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)明者張在宣, 王劍鋒, 金尚忠 申請人:中國計量學(xué)院