專(zhuān)利名稱(chēng)：波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)及傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種實(shí)用的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布 式光纖溫度傳感系統(tǒng)及傳感方法。
背景技術(shù)：
光纖傳感器的概念不是新的，早在60年代中期就出現(xiàn)了第一個(gè)專(zhuān)利，它包 括采用傳光束的Fotonic機(jī)械位移傳感器和采用相位調(diào)制的超聲波傳感器。但 是，在更為廣闊的領(lǐng)域，即光纖傳感技術(shù)，取得系列研究卻是在10年以后，從 那時(shí)起光纖技術(shù)就突破了那種徘徊不前的狀態(tài)，進(jìn)入了一日千里的時(shí)代。
光纖傳感器的基本原理是由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)，在被測(cè)對(duì) 象的作用下，光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，使 它成為被調(diào)制了的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器和電信號(hào)處理裝置，最終獲得 待測(cè)對(duì)象的信息。
目前，分布式光纖傳感技術(shù)是光傳感技術(shù)領(lǐng)域中最有應(yīng)用前景的，其中高性 能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)通過(guò)一次測(cè)量，既可獲得光纖所經(jīng)區(qū)域溫度場(chǎng)的完整 信息。然而高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)域4艮大，測(cè)量光纜越長(zhǎng)越好， 一般大于10Km,空間分辨率lm，所以系統(tǒng)的接收光信號(hào)很弱(小于-60dBm)，實(shí) 時(shí)處理數(shù)據(jù)很龐大，對(duì)光電信號(hào)處理系統(tǒng)要求極高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度 傳感系統(tǒng)及傳感方法。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，包括激光器，耦合器，第 一APD光接收模塊，第一APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，第二APD光接收模塊，第二 APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，雙通道AD釆集卡，主機(jī)所述激光器用以產(chǎn)生光脈
6沖；所述耦合器包括一個(gè)輸入端， 一個(gè)反饋端和兩個(gè)輸出端；所述耦合器的輸入 端通過(guò)光纖與激光器的輸出端相連接，所述耦合器的反饋端與傳感光纖相連；第 一 APD光接收模塊，與所述耦合器的一個(gè)輸出端相連，用以輸出Anti-stokes 光信號(hào)；第一 APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，與所述第一 APD光接收模塊相連，用以 獲得第一APD光接收模塊硅APD的恒增益電壓控制；第二APD光接收模塊，與所 述耦合器的另一個(gè)輸出端相連，用以輸出stokes光信號(hào)；第二APD增益溫度自 補(bǔ)償模塊，與所述第二 APD光接收模塊相連，用以獲得第二 APD光接收模塊硅 APD的恒增益電壓控制；雙通道AD采集卡，用以將所述第一 APD光接收模塊和 所述第二 APD光接收模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲得預(yù)處理結(jié) 果；主機(jī)，與所述雙通道AD采集卡相連，用以對(duì)所述預(yù)處理結(jié)杲進(jìn)行信號(hào)處理、 分析計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度場(chǎng)信息。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述耦合器為光纖Raman-WDM耦合器，包括光 纖環(huán)形器，Anti-stokes濾波片，Stokes濾波片，光收集器；光纖環(huán)形器與所述 傳感光纖相連；Anti-stokes濾波片用以分離出Anti-stokes光信號(hào)；所述 Anti-stokes濾波片的光輸入端與所述光纖環(huán)形器的輸出端相連，Anti-stokes 濾波片的透射光輸出端與所述第一 APD光接收模塊相連；Stokes濾波片用以分 離出Stokes光信號(hào)；所述Stokes濾波片的輸入端與所述Anti-stokes濾波片的 反射光輸出端相連，Stokes濾波片的透射光輸出端與所述第二 APD光接收模塊 相連；光收集器與所述Stokes濾波片的反射光輸出端相連。
作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述第一 APD光接收模塊包括第一光電探測(cè) 器，第一前級(jí)放大電路；第一光電探測(cè)器用以將所述Anti-stokes濾波片的透射 光輸出端輸出的Anti-stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Anti-stokes電信號(hào)；第一前級(jí)放大 電3各用以放大所述Anti-stokes電信號(hào)。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述第二 APD光接收模塊包括第二光電探測(cè) 器，第二前級(jí)放大電路；第二光電探測(cè)器用以將所述Stokes濾波片的透射光輸 出端輸出的Stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Stokes電信號(hào)；第二前級(jí)放大電路用以放大所 述Stokes電信號(hào)。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述傳感系統(tǒng)還包括顯示系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)，主控器系統(tǒng)；顯示系統(tǒng)與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度的實(shí)時(shí) 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；報(bào)警系統(tǒng)與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度的報(bào)警控制；存儲(chǔ)系 統(tǒng)與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度的信息存儲(chǔ)；主控器系統(tǒng)與主才M目連， 用以實(shí)現(xiàn)信息共享。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述傳感光纖與所述耦合器的反饋端之間還 設(shè)有參考光纖環(huán)和與參考光纖環(huán)集成的溫度傳感器，所述溫度傳感器用以提供所
述傳感系統(tǒng)定標(biāo)需要的溫度測(cè)量參考值。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述激光器還包括同步信號(hào)輸出端，用以輸 出同步信號(hào)通知所述雙通道AD采集卡開(kāi)始AD信號(hào)采集，所述激光器為大功率窄 線(xiàn)寬脈沖光纖激光器。
一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感方法，包括以下步驟
步驟一，激光器產(chǎn)生光脈沖和同步信號(hào)；
步驟二，所述光脈沖經(jīng)過(guò)耦合器進(jìn)入傳感光纖生成后向散射光；
步驟三，所述后向散射光經(jīng)參考光纖環(huán)和溫度傳感器進(jìn)入耦合器，所述耦合 器輸出一個(gè)第一光信號(hào)， 一個(gè)第二光信號(hào)和一個(gè)反饋信號(hào)；
步驟四，所述第一光信號(hào)進(jìn)入第一APD光接收模塊轉(zhuǎn)換成第一電信號(hào)，最后 進(jìn)入雙通道AD采集卡；
步驟五，與步驟四同時(shí)進(jìn)行，所述第二光信號(hào)進(jìn)入第二APD光接收模塊轉(zhuǎn)換 成第二電信號(hào)，最后進(jìn)入雙通道AD采集卡；
步驟六，所述同步信號(hào)控制雙通道AD采集卡對(duì)AD信號(hào)的采集；
步驟七，主機(jī)接收所述雙通道AD采集卡采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù) 處理、數(shù)據(jù)定標(biāo)、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述光脈沖的中心波長(zhǎng)為1060 士2nm，所述第 一光信號(hào)為Anti-stokes光信號(hào)，第一電信號(hào)為Anti-stokes電信號(hào)，所述第二 光信號(hào)為Stokes光信號(hào)，第二電信號(hào)為Stokes電信號(hào)。
作為本發(fā)明的另 一種優(yōu)選方案，所述耦合器為光纖Raman-TOM耦合器，包括 光纖環(huán)形器，Anti-stokes濾波片，Stokes濾波片，光收集器；光纖環(huán)形器與所 述傳感光纖相連；Anti-stokes濾波片用以分離出Anti-stokes光信號(hào)；所述Anti-stokes濾波片的光孝翕入端與所述光纖環(huán)形器的牟lT出端相連，Anti-stokes 濾波片的透射光輸出端與所述第一 APD光接收才莫塊相連；Stokes濾波片用以分 離出Stokes光信號(hào)；所述Stokes濾波片的輸入端與所述Anti-stokes濾波片的 反射光輸出端相連，Stokes濾波片的透射光輸出端與所述第二 APD光接收模塊 相連；光收集器與所述Stokes濾波片的反射光輸出端相連。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述第一 APD光接收模塊包括第一光電探測(cè) 器，第一前級(jí)放大電路；第一光電探測(cè)器用以將所述Anti-stokes濾波片的透射 光輸出端輸出的Anti-stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Anti-stokes電信號(hào)；第一前^li文大 電3各用以;故大所述Anti-stokes電信號(hào)。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述第二 APD光接收模塊包括第二光電探測(cè) 器，第二前級(jí)放大電路；第二光電探測(cè)器用以將所述Stokes濾波片的透射光輸 出端輸出的Stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Stokes電信號(hào)；第二前Mjt丈大電路用以放大所 述Stokes電信號(hào)。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明優(yōu)化了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，具有更佳的穩(wěn) 定性和準(zhǔn)確性，滿(mǎn)足了測(cè)量距離15km,空間分辨率為lm的測(cè)量要求。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 圖1是實(shí)施例中波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示 意圖2是光纖Raman-WDM耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖3是高精度APD增益溫度自補(bǔ)償電路示意圖4是波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的軟件流程圖。
主要組件符號(hào)說(shuō)明
1、 窄線(xiàn)寬脈沖光纖激光器； 32、第一APD增益溫度自補(bǔ)償模塊；
2、 光纖Raman-WDM耦合器； 41、第二 APD光接收模塊；
21、光纖環(huán)形器； 42、第二APD增益溫度自補(bǔ)償模塊；
922、 AnU-stokes濾波片；
2 3、 Stokes濾波片； 24、光收集器； 31、第一APD光接收^^莫塊
5、 傳感光纖；
51、參考溫度測(cè)量模塊;
6、 參考光纖環(huán)；
7、 同步信號(hào)輸出端。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，包括激光器，耦合器，第 一APD光接收模塊，第一APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，第二APD光接收模塊，第二 APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，雙通道AD采集卡，主機(jī)所述激光器用以產(chǎn)生中心 波長(zhǎng)為1060mn的光》永沖；所述耦合器包括一個(gè)輸入端， 一個(gè)反饋端和兩個(gè)輸出 端；所述耦合器的輸入端通過(guò)光纖與激光器的輸出端相連接，所述耦合器的反饋 端與傳感光纖相連；第一APD光接收模塊，與所述耦合器的一個(gè)輸出端相連，用 以輸出Anti-stokes光信號(hào)；第一 APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，與所迷第一 APD 光接收模塊相連，用以獲得第一APD光接收模塊硅APD的恒增益電壓控制；第二 APD光接收模塊，與所述耦合器的另一個(gè)輸出端相連，用以輸出stokes光信號(hào)； 第二API)增益溫度自補(bǔ)償模塊，與所述第二APD光接收模塊相連，用以獲得第二 APD光接收模塊硅APD的恒增益電壓控制；雙通道AD采集卡，用以將所述第一 APD光接收模塊和所述第二 APD光接收模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)預(yù)處 理，獲得預(yù)處理結(jié)果；主#幾，與所述雙通道AD采集卡相連，用以對(duì)所述預(yù)處理 結(jié)果進(jìn)行信號(hào)處理、分析計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度場(chǎng)信息。
所述耦合器為光纖Raman-WDM耦合器，包括光纖環(huán)形器，Anti-stokes濾波 片，Stokes濾波片，光收集器；光纖環(huán)形器與所述傳感光纖相連；Anti-stokes 濾波片用以分離出Anti-stokes光信號(hào)；所述Anti-stokes濾波片的光4命入端與 所述光纖環(huán)形器的輸出端相連，Ariti-stokes濾波片的透射光輸出端與所述第一 APD光接收模塊相連；Stokes濾波片用以分離出Stokes光信號(hào)；所述Stokes濾波片的輸入端與所述AnU-stokes濾波片的>^射光|敘出端相連，Stokes濾波 片的透射光輸出端與所述第二 APD光接收模塊相連；光收集器與所迷Stokes濾 波片的反射光輸出端相連。
所述第一APD光接收模塊包括第一光電探測(cè)器，第一前級(jí)放大電路；第一光 電探測(cè)器用以將所述Anti-stokes濾波片的透射光l命出端輸出的Anti-stokes 光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Anti-stokes電信號(hào)；第 一 前級(jí)訪(fǎng)文大電^各用以放大所述 Anti-stokes電信號(hào)。
所述第二APD光接收模塊包括第二光電探測(cè)器，第二前級(jí)放大電路；第二光 電探測(cè)器用以將所述Stokes濾波片的透射光輸出端輸出的Stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為 Stokes電信號(hào)；第二前級(jí)放大電路用以放大所述Stokes電信號(hào)。
所述傳感系統(tǒng)還包括顯示系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)，主控器系統(tǒng)；顯示系 統(tǒng)與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；報(bào)警系統(tǒng)與主機(jī)相連， 用以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度的報(bào)警控制；存儲(chǔ)系統(tǒng)與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn) 的溫度的信息存儲(chǔ)；主控器系統(tǒng)與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)信息共享。
所述傳感光纖與所述耦合器的反饋端之間還設(shè)有參考光纖環(huán)和與參考光纖 環(huán)集成的溫度傳感器，所述溫度傳感器用以提供所述傳感系統(tǒng)定標(biāo)需要的溫度測(cè) 量參考值。
所述激光器還包括同步信號(hào)輸出端，用以輸出同步信號(hào)通知所述雙通道AD 采集卡開(kāi)始AD信號(hào)采集，所述激光器為大功率窄線(xiàn)寬脈沖光纖激光器。 一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感方法，包括以下步驟 步驟一，激光器產(chǎn)生光脈沖和同步信號(hào)；
步驟三，所迷后向散射光經(jīng)參考光纖環(huán)和溫度傳感器進(jìn)入耦合器，所述耦合 器輸出一個(gè)第一光信號(hào)， 一個(gè)第二光信號(hào)和一個(gè)反饋信號(hào)；
步驟四，所述第一光信號(hào)進(jìn)入第一APD光接收模塊轉(zhuǎn)換成第一電信號(hào)，最后 進(jìn)入雙通道AD采集卡；
步驟五，與步驟四同時(shí)進(jìn)行，所述第二光信號(hào)進(jìn)入第二APD光接收模塊轉(zhuǎn)換 成第二電信號(hào)，最后進(jìn)入雙通道AD采集卡；步驟六，所述同步信號(hào)控制雙通道AD采集卡對(duì)AD信號(hào)的采集；
步驟七，主機(jī)接收所述雙通道AD采集卡采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù) 處理、數(shù)據(jù)定標(biāo)、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正。
所述光脈沖的中心波長(zhǎng)為1060 土2nm，所述第一光信號(hào)為Anti-stokes光信 號(hào)，第一電信號(hào)為Anti-stokes電信號(hào)，所述第二光信號(hào)為Stokes光信號(hào)，第 二電信號(hào)為Stokes電信號(hào)。
所述耦合器為光纖Raman-WDM耦合器，包括光纖環(huán)形器，Anti-stokes濾波 片，Stokes濾波片，光收集器；光纖環(huán)形器與所述傳感光纖相連；Anti-stokes 濾波片用以分離出Anti-stokes光信號(hào)；所述Anti-stokes濾波片的光輸入端與 所述光纖環(huán)形器的輸出端相連，Anti-stokes濾波片的透射光輸出端與所述第一 APD光接收才莫塊相連；Stokes濾波片用以分離出Stokes光信號(hào)；所述Stokes 濾波片的輸入端與所述Anti-stokes濾波片的反射光輸出端相連，Stokes濾波 片的透射光輸出端與所述第二 APD光4矣收^i塊相連；光收集器與所述Stokes濾 波片的反射光輸出端相連。
所述第一 APD光接收模塊包括第一光電探測(cè)器，第一前級(jí)放大電路；第一光 電探測(cè)器用以將所述Anti-stokes濾波片的透射光輸出端輸出的Anti-stokes 光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Anti-stokes電信號(hào)；第 一 前級(jí)放大電路用以放大所述 Anti-stokes電信號(hào)。
所述第二 APD光接收模塊包括第二光電探測(cè)器，第二前級(jí)放大電路；第二光 電探測(cè)器用以將所述Stokes濾波片的透射光輸出端輸出的Stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為 Stokes電信號(hào)；第二前級(jí)放大電路用以放大所述Stokes電信號(hào)。
實(shí)施例二
本實(shí)施例提供一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu) 示意圖如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)與調(diào)制頻率光纖長(zhǎng)度50km,光脈沖重復(fù)頻率1. 2k， 光脈沖寬度10ns,雙通道高速高精度分布式測(cè)溫專(zhuān)用AD采集卡采樣率100MHz, AD采樣精度14位。
系統(tǒng)的最大測(cè)量距離達(dá)50Km，光纖直線(xiàn)布放空間分辨率為lra。溫度信號(hào)在頂層處理，可在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)桌面進(jìn)行報(bào)警閾值的測(cè)試和設(shè)定。
本發(fā)明揭示了 一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本 發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括窄
線(xiàn)寬脈沖光纖激光器(光源)的設(shè)計(jì)、光纖Raman-WDM耦合器的設(shè)計(jì)、APD光電 接收模塊的設(shè)計(jì)、APD增益溫度自補(bǔ)償模塊的設(shè)計(jì)、雙通道分布式測(cè)溫專(zhuān)用AD 采集器及溫度補(bǔ)償解調(diào)算法的設(shè)計(jì)，使超大長(zhǎng)度分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)具有更 佳的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
本發(fā)明的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，利用光纖自發(fā)拉曼散 射效應(yīng)和光時(shí)域反射原理，巧妙地將后向散射反斯托克斯(Anti-stokes)光、 斯托克斯(Stokes)光融合在一起，設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的光纖Raman-WDM耦合器， 增強(qiáng)了光纖中攜帶的溫度信息的拉曼散射光的強(qiáng)度；設(shè)計(jì)了 一種先進(jìn)的APD增益 溫度自補(bǔ)償模塊，增強(qiáng)了 APD光電接收模塊的溫度穩(wěn)定性，同時(shí)監(jiān)測(cè)參考光纖溫 度作為參考信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高了傳感器系統(tǒng)的信噪比。經(jīng)此項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)的 分布式光纖溫度傳感器的傳輸距離達(dá)50km,溫度的測(cè)量精度rC，空間分辨率 lm。
本實(shí)施例中，波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖 如圖l所示，其包括激光器l,光纖Raman-TOM耦合器2、第一APD光接收才莫 塊31、第二 APD光接收模塊41;
所述光纖Raman-WDM耦合器2包括一個(gè)輸入端， 一個(gè)反饋端和兩個(gè)輸出端， 所述激光器1的輸出端與光纖Raman-WDM耦合器2的輸入端通過(guò)光纖相連接，所 述光纖Raman-WDM耦合器2的反饋端與傳感光纖5相連，傳感光纖5經(jīng)由傳感光 纖輸入口接入；光纖Raman-WDM耦合器2的兩個(gè)輸出端分別與第一 APD光接收模 塊31和第二 APD光接收模塊41相連，用于輸出Anti-stokes光信號(hào)和Stokes 光信號(hào)；第一 APD光接收模塊31用于獲得Anti-stokes電信號(hào)并將該信號(hào)放大 輸出；第二硅APD光接收模塊41用于獲得Stokes電信號(hào)并將該信號(hào)放大輸出。 第一硅APD光接收模塊31與第一 APD增益溫度自補(bǔ)償模塊32相連，用于獲得第 一硅APD光接收模塊硅APD的恒增益電壓控制；第二光接收模塊41與第二 APD 增益溫度自補(bǔ)償模塊42相連，用于獲得第二硅APD光接收模塊APD的恒增益電壓控制。
進(jìn)一步地，所述激光器為大功率窄線(xiàn)寬脈沖光纖激光器，用于產(chǎn)生線(xiàn)寬小于
500KHz;脈沖寬度10ns,脈沖頻率2KHz，峰值功率大于15W的光脈沖。
進(jìn)一步地，所述光纖Raman-WDM耦合器2包括光纖環(huán)形器21、 Anti-stokes 濾波片22及Stokes濾波片23,如圖2所示；
所述光纖環(huán)形器21包括一個(gè)輸入端、 一個(gè)輸出端和一個(gè)反饋端，其輸入端 與激光器1的輸出端相連，用于接收激光器1發(fā)射的光脈沖，其反饋端與傳感光 纖5相連，用于向傳感光纖5注入所述光脈沖，并接收在傳感光纖5中產(chǎn)生的后 向散射光，其輸出端將接收到的后向散射光輸出；
所述Anti-stokes濾波片22及Stokes濾波片23均包括光輸入端、透射光 輸出端與反射光輸出端；所述Anti-stokes濾波片22的光輸入端與光纖環(huán)形器 21的輸出端相連，其透射光輸出端與第一光接收^f莫塊31相連，用于分離得到 Ariti-stokes光信號(hào)，其反射光輸出端與所述Stokes濾波片23的光輸入端相連； 所述Stokes濾波片23的透射光輸出端與第二光接收模塊41相連，用于分離得 到Stokes光信號(hào)。
進(jìn)一步地，所述光纖Raman-WDM耦合器2還包括光收集器24,其與所述 Stokes濾波片23的反射光輸出端相連。
進(jìn)一步地，所述第一光接收模塊31包括第一光電探測(cè)器和與之相連的第一 前級(jí)放大電路，用于將光纖Raman-WDM耦合器2分離得到的Anti-stokes光信號(hào) 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即Anti-stokes電信號(hào)，并放大；所述第二光接收模塊41包括 第二光電探測(cè)器和與之相連的第二前級(jí)放大電路，用于將光纖Raman-TOM耦合器 2分離得到的Stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即Stokes電信號(hào)，并放大。
進(jìn)一步地，所述第一硅APD光電接收模塊和第二硅APD光電接收模塊的輸出 接入雙通道分布式測(cè)溫專(zhuān)用AD采集器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而得到數(shù) 據(jù)預(yù)處理結(jié)果，再由主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行信號(hào)處理、分析計(jì)算，便最終得 到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度場(chǎng)信息，主機(jī)將各個(gè)模塊有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí) 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和報(bào)警控制輸出，并與遠(yuǎn)端主控器系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)信息共享。
進(jìn)一步地，所述激光器1還包括同步信號(hào)輸出端7，將同步信號(hào)經(jīng)由裝置外
14殼的同步信號(hào)輸出口輸出。所述同步信號(hào)是與激光器輸出的光脈沖同步輸出的電
脈沖信號(hào)，它可通知雙通道分布式測(cè)溫專(zhuān)用AD采集器開(kāi)始AM)信號(hào)采集。觸發(fā)
模式可分為外同步、內(nèi)觸發(fā)兩種模式。
所述的APD增益溫度自補(bǔ)償模塊是一種高精度APD偏壓控制溫度補(bǔ)償電路， 其包高精度溫度傳感模塊、高壓模塊和APD偏壓控制單元。高精度溫度傳感模塊 用高精度溫度傳感器(精度±0. rc )以把APD光探測(cè)模塊的管芯溫度轉(zhuǎn)換成模擬 電壓信號(hào)VT; VT、高壓電源模塊輸出V。c分別與APD偏壓控制單元的對(duì)應(yīng)輸入端 口相連接，APD偏壓控制單元的高壓輸出Ve分別連接到APD光探測(cè)器的偏置電 壓輸入腳，這樣就形成了對(duì)APD光探測(cè)器的閉環(huán)溫度補(bǔ)償控制。
進(jìn)一步地，所述傳感光纖5與所述光纖Raman-WDM耦合器2的反4貴端之間還 設(shè)有參考光纖環(huán)6及與之集成的高精度溫度傳感器，用于提供分布式光纖溫度傳 感系統(tǒng)溫度補(bǔ)償需要的溫度測(cè)量參考值，能為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行取樣校正。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體實(shí)施時(shí)
采用后向散射探測(cè)方法，由光纖激光器產(chǎn)生很窄的光脈沖，即光探測(cè)脈沖。 光探測(cè)脈沖的寬度確定了分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的空間分辨率，光探測(cè)器在某 個(gè)時(shí)刻探測(cè)到的光能量是與光脈沖寬度對(duì)應(yīng)的一段光纖的后向散射光能量的貢 獻(xiàn)總和，因此由光脈沖寬度就決定了一個(gè)空間分辨率。大功率窄線(xiàn)寬脈沖光纖激 光器的主要技術(shù)指標(biāo)-. >線(xiàn)寬小于500KHz; >脈沖寬度10ns; >脈沖頻率2KHz; >峰值功率大于15W。
光脈沖經(jīng)光纖傳輸至光纖Raman-WDM耦合器的入射端，再進(jìn)入傳感光纖，在 傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光再經(jīng)光纖Raman-WDM耦合器分離(光纖Raman-WDM 耦合器內(nèi)含Anti - stokes濾波片、Stokes濾波片)，分離后得到攜帶溫度信 號(hào)的后向反斯托克斯拉曼散射光和作為參考信號(hào)的后向斯托克斯拉曼散射光，自 此便完成了光信號(hào)的接收工作。其中，Anti-stokes散射光和stokes散射光的 波長(zhǎng)由激光器的中心波長(zhǎng)決定。從Anti - stokes濾波片分離出來(lái)的后向反斯托克斯4i曼散射光和Stokes 濾波片分離出來(lái)的斯托克斯拉曼散射光再分別進(jìn)入第 一光電探測(cè)器和第二光電 探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)前級(jí)放大電路放大，從而完成信號(hào)的光電探測(cè)工作。 此時(shí)信號(hào)已由光功率形式轉(zhuǎn)換成電平形式，拉曼散射信號(hào)Anti - stokes和 Stokes的輸出電壓值與雙通道分布式測(cè)溫專(zhuān)用AD釆集器的^^莫擬輸入相匹配。
所述光纖Raman-TOM耦合器，它接收光脈沖，經(jīng)光纖環(huán)形器注入到傳感光纖 中，在傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光再經(jīng)光纖Raman-WDM耦合器進(jìn)行光濾波和分 離。與傳統(tǒng)的普通耦合器+光濾波器的拉曼光信號(hào)的提取方式相比，這種方式有 用光提取效率更高。
所述雙通道分布式測(cè)溫專(zhuān)用AD采集器的主要組成部分包括AD前置放大器、 AD轉(zhuǎn)換器以及FPGA。它主要完成以FPGA為核心的高速數(shù)據(jù)采集、信號(hào)預(yù)處理等 功能。雙通道分布式測(cè)溫專(zhuān)用AD采集器的采集方法，包括以下步驟
步驟一，高速A/D轉(zhuǎn)換模塊將所述分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的散射光電信號(hào)數(shù)字 化，輸出數(shù)字信號(hào)；
步驟二，參考溫度A/D轉(zhuǎn)換4莫塊將所述分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的參考溫度模擬 信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)字信號(hào)；
步驟三，F(xiàn)PGA采集控制及處理單元緩存并處理所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出 的數(shù)字信號(hào)和所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考溫度數(shù)字信號(hào)。
步驟二中，參考溫度測(cè)量模塊51通過(guò)測(cè)量參考光纖環(huán)溫度，輸出參考溫度 模擬信號(hào)；所述參考溫度模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣成為參考溫度數(shù)字信號(hào)， 再經(jīng)溫度補(bǔ)償算法進(jìn)行預(yù)處理，處理結(jié)果由通信傳輸模塊通過(guò)總線(xiàn)送入PC處理 器中顯示出來(lái)。
系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)定標(biāo)、 數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的整形和分析；定標(biāo)算 法用于生成解調(diào)算法需要的各種參數(shù)等，解調(diào)算法就可以根據(jù)這些參數(shù)和預(yù)處理 后的數(shù)據(jù)解調(diào)出溫度信息；數(shù)據(jù)修正則用于在必要時(shí)對(duì)溫度解調(diào)的修正。系統(tǒng)處 理軟件將各個(gè)模塊有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和報(bào)警控制輸 出。所述系統(tǒng)軟件中的溫度解調(diào)算法采用Anti - stokes散射光的光強(qiáng)所攜帶 的溫度信息來(lái)進(jìn)行測(cè)溫，同時(shí)為了消除光源大小的不穩(wěn)定性、光纖彎曲和受壓等 環(huán)境干擾對(duì)Anti- stokes光的影響，可以把Stokes光作為參考信道，故將兩路 光信號(hào)兩式相比，計(jì)算分析可知Anti - stokes和Stokes散射光光強(qiáng)之比只與 環(huán)境的絕對(duì)溫度有關(guān)，而與光源輸入光脈沖的功率大小、光注入條件及光纖應(yīng)力 條件、幾何尺寸及組成成分無(wú)關(guān)。這種解調(diào)方法利用斯托克斯拉曼散射光作為參 考信道，通過(guò)反斯托克斯拉曼散射信號(hào)光與其作比較，從而有效地消防光源的不 穩(wěn)定性以及光纖傳輸過(guò)程中的耦合損耗、光纖接頭損、光纖彎曲損耗和光纖傳輸 損耗等所帶來(lái)的影響，因此溫度解調(diào)精度和穩(wěn)定性4艮高。本發(fā)明揭示了 一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本 發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括窄 線(xiàn)寬脈沖光纖激光器(光源)的設(shè)計(jì)、光纖Raman-WDM耦合器的設(shè)計(jì)、APD光電 接收模塊的設(shè)計(jì)、APD增益溫度自補(bǔ)償模塊的設(shè)計(jì)、雙通道分布式測(cè)溫專(zhuān)用AD 采集器及溫度解調(diào)算法的設(shè)計(jì)，使超大長(zhǎng)度分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)具有更佳的 穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。本發(fā)明的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，利用光纖自發(fā)拉曼散 射效應(yīng)和光時(shí)域反射原理，巧妙地將后向散射反斯托克斯(Anti-stokes)光、 斯托克斯(Stokes)光融合在一起，設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的光纖Raman-WDM耦合器， 增強(qiáng)了光纖中攜帶的溫度信息的拉曼散射光的強(qiáng)度；設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的APD增益 溫度自補(bǔ)償模塊，增強(qiáng)了 APD光電接收模塊的溫度穩(wěn)定性，同時(shí)監(jiān)測(cè)參考光纖溫 度作為參考信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高了傳感器系統(tǒng)的信噪比。經(jīng)此項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)的 分布式光纖溫度傳感器的傳輸距離達(dá)50km，溫度的測(cè)量精度rC，空間分辨率 lm。這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說(shuō)明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí) 施例中。這里所4皮露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚 的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié) 構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器，用以產(chǎn)生光脈沖；耦合器，包括一個(gè)輸入端，一個(gè)反饋端和兩個(gè)輸出端；所述耦合器的輸入端通過(guò)光纖與激光器的輸出端相連接，所述耦合器的反饋端與傳感光纖相連；第一APD光接收模塊，與所述耦合器的一個(gè)輸出端相連，用以輸出Anti-stokes光信號(hào)；第一APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，與所述第一APD光接收模塊相連，用以獲得第一APD光接收模塊硅APD的恒增益電壓控制；第二APD光接收模塊，與所述耦合器的另一個(gè)輸出端相連，用以輸出stokes光信號(hào)；第二APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，與所述第二APD光接收模塊相連，用以獲得第二APD光接收模塊硅APD的恒增益電壓控制；雙通道AD采集卡，用以將所述第一APD光接收模塊和所述第二APD光接收模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲得預(yù)處理結(jié)果；主機(jī)，與所述雙通道AD采集卡相連，用以對(duì)所述預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行信號(hào)處理、分析計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度場(chǎng)信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，其特征 在于，所迷耦合器為光纖Raman-WDM耦合器，包括光纖環(huán)形器，與所述傳感光纖相連；Anti-stokcs濾波片，用以分離出 Anti-stokes光信號(hào)；所述 Anti-stokes濾波片的光輸入端與所述光纖環(huán)形器的輸出端相連， Anti-stokes濾波片的透射光輸出端與所述第一 APD光接收^t塊相連；Stokes濾波片，用以分離出Stokes光信號(hào)；所述Stokes濾波片的輸 入端與所述Anti-stokes濾波片的反射光輸出端相連，Stokes濾波片的透 射光輸出端與所述第二 APD光接收^^塊相連；光收集器，與所述Stokes濾波片的反射光輸出端相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，其特征 在于，所述第一 APD光接收模塊包括第一光電4果測(cè)器，用以將所述Anti-stokes濾波片的透射光輸出端輸出 的Anti-stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Anti-stokes電信號(hào)；第一前級(jí)放大電路，用以放大所述Anti-stokes電信號(hào)。 所述第二 APD光接收模塊包括第二光電探測(cè)器，用以將所述Stokes濾波片的透射光輸出端輸出的 Stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Stokes電信號(hào)；第二前效j故大電if各，用以放大所述Stokes電信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，其特征 在于，所述傳感系統(tǒng)還包括顯示系統(tǒng)，與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)； 報(bào)警系統(tǒng)，與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度的報(bào)警控制； 存儲(chǔ)系統(tǒng)，與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度的信息存儲(chǔ)； 主控器系統(tǒng)，與主機(jī)相連，用以實(shí)現(xiàn)信息共享。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，其特征 在于所述傳感光纖與所述耦合器的反饋端之間還設(shè)有參考光纖環(huán)和與參考 光纖環(huán)集成的溫度傳感器，所述溫度傳感器用以提供所述傳感系統(tǒng)定標(biāo)需要 的溫度測(cè)量參考值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，其特征 在于所述激光器還包括同步信號(hào)輸出端，用以輸出同步信號(hào)通知所述雙通 道AD采集卡開(kāi)始AD信號(hào)采集，所述激光器為大功率窄線(xiàn)寬脈沖光纖激光器。
7. —種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，激光器產(chǎn)生光脈沖和同步信號(hào)；步驟二，所述光脈沖經(jīng)過(guò)耦合器進(jìn)入傳感光纖生成后向散射光；步驟三，所述后向散射光經(jīng)參考光纖環(huán)和溫度傳感器進(jìn)入耦合器，所述 耦合器輸出一個(gè)第一光信號(hào)， 一個(gè)第二光信號(hào)和一個(gè)反々貴信號(hào)；步驟四，所述第一光信號(hào)進(jìn)入第一 APD光4妄收沖莫塊轉(zhuǎn)換成第一電信號(hào)， 最后進(jìn)入雙通道AD采集卡；步驟五，與步驟四同時(shí)進(jìn)行，所述第二光信號(hào)進(jìn)入第二APD光接收模塊 轉(zhuǎn)換成第二電信號(hào)，最后進(jìn)入雙通道AD采集卡；步驟六，所述同步信號(hào)控制雙通道AD采集卡對(duì)AD信號(hào)的采集；步驟七，主機(jī)接收所述雙通道AD采集卡采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù) 據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)定標(biāo)、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)修正。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感方法，其特征 在于，所述光脈沖的中心波長(zhǎng)為1060nm，所述第一光信號(hào)為Anti-stokes 光信號(hào)，第一電信號(hào)為Anti-stokes電信號(hào)，所述第二光信號(hào)為Stokes光 信號(hào)，第二電信號(hào)為Stokes電信號(hào)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感方法，其特征 在于，所述耦合器為光纖Raman-W畫(huà)耦合器，包括光纖環(huán)形器，與所述傳感光纖相連；Anti-stokes濾波片,用以分離出Anti-stokes光信號(hào)；Anti-stokes 濾波片的光輸入端與所述光纖環(huán)形器的輸出端相連，透射光輸出端與所述第 一APD光接收模塊相連；Stokes濾波片，用以分離出Stokes光信號(hào)；Stokes濾波片的輸入端與 所述Anti-stokes濾波片的反射光輸出端相連，Stokes濾波片的透射光輸 出端與所述第二 APD光接收模塊相連；光收集器，與所述Stokes濾波片的反射光輸出端相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感方法，其特征 在于，所述第一APD光接收模塊包括第一光電探測(cè)器，用以將所述Anti-stokes濾波片的透射光輸出端輸出 的Anti-stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Anti-stokes電信號(hào)；第一前級(jí)j改大電路，用以放大所述Anti-stokes電信號(hào)。 所述第二 APD光接收沖莫塊包括第二光電探測(cè)器，用以將所述Stokes濾波片的透射光輸出端輸出的 Stokes光信號(hào)轉(zhuǎn)換為Stokes電信號(hào)；第二前級(jí)》文大電5各，用以放大所述Stokes電信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種波長(zhǎng)優(yōu)化型高性能分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)及傳感方法，該系統(tǒng)包括激光器；耦合器的輸入端通過(guò)光纖與激光器的輸出端相連接，反饋端與傳感光纖相連；第一APD光接收模塊，與耦合器的一個(gè)輸出端相連；第一APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，與第一APD光接收模塊相連；第二APD光接收模塊，與耦合器的另一個(gè)輸出端相連；第二APD增益溫度自補(bǔ)償模塊，與所述第二APD光接收模塊相連；雙通道AD采集卡，用以將所述第一APD光接收模塊和所述第二APD光接收模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲得預(yù)處理結(jié)果；主機(jī)，與雙通道AD采集卡相連。本發(fā)明優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性更佳，滿(mǎn)足了測(cè)量距離為15km空間分辨率為1m的要求。
文檔編號(hào)G01K11/32GK101666689SQ200910196610
公開(kāi)日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月27日
發(fā)明者仝芳軒, 周正仙, 剛 席, 斌 楊, 魏 皋 申請(qǐng)人:上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司