專(zhuān)利名稱(chēng)：一種色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，屬于光纖傳 感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，利用光纖拉曼散射光強(qiáng)度受溫度調(diào)制的效應(yīng)和光時(shí)域反射(OTDR)原理 研制成分布式光纖拉曼溫度傳感器，它可以在線實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)的溫度和溫度變化的取向， 在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度的變化，在一定的溫度范圍設(shè)置報(bào)警溫度，是一種本質(zhì)安全型的線型感 溫探測(cè)器，組成光纖傳感網(wǎng)，已在電力工業(yè)、石化企業(yè)、大型土木工程和在線災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng) 域成功地應(yīng)用。光纖拉曼散射的頻移為13. 2THz,因此光纖的反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯 拉曼散射光的波長(zhǎng)差較大，由于光纖的色散，光纖的背向反斯托克斯拉曼散射光與斯托克 斯拉曼散射光在光纖中傳播速度不同，因此造成光纖反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉 曼散射光的時(shí)域反射曲線的“差步”或“走散”現(xiàn)象，通常在分布式光纖拉曼溫度傳感器中用 光纖的背向斯托克斯拉曼散射光的時(shí)域反射信號(hào)來(lái)解調(diào)反斯托克斯拉曼散射光的時(shí)域反 射信號(hào)，獲得光纖各段的溫度信息，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光時(shí)域反射信號(hào)的“差步”或“走散”現(xiàn) 象，降低了系統(tǒng)的空間分辨率和測(cè)溫精度，甚至造成測(cè)量錯(cuò)誤。由于各個(gè)波段的光纖損耗是 不同的，即光纖損耗存在光譜效應(yīng)，在分布式光纖拉曼溫度傳感器中用反斯托克斯拉曼散 射光作為測(cè)量溫度信號(hào)通道，用斯托克斯拉曼散射光作為測(cè)量溫度參考通道，由于兩個(gè)通 道在不同波段，測(cè)溫光纖的損耗不同，在測(cè)溫系統(tǒng)中用斯托克斯拉曼參考通道解調(diào)反斯托 克斯拉曼信號(hào)時(shí)，溫度解調(diào)曲線出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，而造成的測(cè)溫誤差，降低了測(cè)溫精度。另 一方面在現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)溫光纖、光纜，容易引起彎曲和受壓拉伸造成的由于光纖的非線性現(xiàn) 象造成各個(gè)波段的損耗不同，而且光纖、光纜產(chǎn)生的彎曲和受壓拉伸大小和位置均有隨機(jī) 性，難以人為校正，需要采用自校正的辦法。2007年，Chung E. Lee等提出了一個(gè)解決方案，"Methods and Apparatus forDual Source Calibration for Distributed Temperature Systems” 獲得 了美國(guó)專(zhuān)禾丨J (No. US2007/0223556A1)，專(zhuān)利中采用了雙光源，通過(guò)光纖開(kāi)關(guān)時(shí)分交替的輸出同一波段的主激 光器的光纖背向反斯托克斯拉曼散射波與副激光器的光纖斯托克斯拉曼散射波，通過(guò)副激 光器的光纖斯托克斯拉曼散射波解調(diào)主激光器的光纖背向反斯托克斯拉曼散射波，得到光 纖各段的溫度信息。這種雙程的拉曼散射光時(shí)域反射信號(hào)，雖然回波處于同一波段，但入射 波處于主激光器波長(zhǎng)和副激光器波長(zhǎng)兩個(gè)相隔雙拉曼位移的波長(zhǎng)，還無(wú)法完全校正光纖色 散和光纖損耗光譜的影響。
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、可靠的色散與損耗光譜自校正 分布式光纖拉曼溫度傳感器，可以自校正光纖的色散與損耗光譜以及由于在現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)溫光纖光纜的彎曲和受壓拉伸而造成的非線性損耗。本實(shí)用新型的色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特征是包括 由驅(qū)動(dòng)電源，電子開(kāi)關(guān)、主激光器和副激光器組成的雙拉曼位移波長(zhǎng)的雙光纖脈沖激光器 模塊，主激光器和副激光器的輸出端分別與第一合波器的輸入端相連，第一合波器的輸出 端與雙向耦合器的輸入端相連，雙向耦合器的輸出端與多模光纖的輸入端相連，多模光纖 的背向瑞利散射和拉曼散射回波通過(guò)雙向耦合器進(jìn)入集成型光纖波分復(fù)用器的輸入端，集 成型光纖波分復(fù)用器有三個(gè)輸出端口，第一個(gè)輸出端口為拉曼散射峰的中心波長(zhǎng)輸出端 口，第二個(gè)輸出端口為主激光器波長(zhǎng)的光纖背向瑞利散射波輸出端口，第三個(gè)輸出端口為 副激光器波長(zhǎng)的光纖背向瑞利散射波輸出端口，集成型光纖波分復(fù)用器的第一個(gè)輸出端口 與直接檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)輸入端相連，集成型光纖波分復(fù)用器的第二個(gè)輸出端口和第三個(gè)輸 出端口分別與第二合波器的兩個(gè)輸入端相連，第二合波器的輸出端與直接檢測(cè)系統(tǒng)的另一 個(gè)輸入端相連，直接檢測(cè)系統(tǒng)的輸出端與信號(hào)采集處理系統(tǒng)的輸入端相連，信號(hào)采集處理 系統(tǒng)給出光纖各段的溫度值由顯示器顯示。上述的雙拉曼位移波長(zhǎng)的雙光纖脈沖激光器模塊中的主激光器可采用中心波長(zhǎng) 為980nm、光譜寬度為lnm、激光脈沖寬度為18ns、峰值功率為7W的光纖脈沖激光器；副激 光器可采用中心波長(zhǎng)為905nm、光譜寬度為lnm、激光脈沖寬度為18ns、峰值功率為8W的光 纖脈沖激光器，主激光器和副激光器由電子開(kāi)關(guān)按設(shè)定時(shí)間間隔切換輪流工作。雙拉曼位移波長(zhǎng)的雙光纖脈沖激光器模塊中的主激光器和副激光器也適用于各 波段的拉曼頻移相關(guān)的雙波長(zhǎng)，例如1660nm與1450nm，1064nm與980nm等滿足拉曼雙位 移條件。兩個(gè)激光器的波長(zhǎng)差為雙拉曼位移波長(zhǎng)差，由重復(fù)頻率為8kHz的驅(qū)動(dòng)電源同步 驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)按一定時(shí)間間隔(例如10秒)進(jìn)行切換，由電子開(kāi)關(guān)切換的時(shí)分雙波 長(zhǎng)光纖脈沖激光通過(guò)第一合波器，雙向耦合器進(jìn)入測(cè)溫用多模光纖，光纖的背向瑞利散射 和拉曼散射回波，通過(guò)雙向耦合器進(jìn)入集成型光纖波分復(fù)用器，在集成型光纖波分復(fù)用器 的第一個(gè)輸出端口與直接檢測(cè)系統(tǒng)得到的是時(shí)分的同一主波長(zhǎng)波段的主激光器的光纖背 向反斯托克斯拉曼散射波與副激光器的光纖斯托克斯拉曼散射波光時(shí)域反射信號(hào)，這種雙 程的光時(shí)域反射信號(hào)，雖然回波處于同一波段，但入射波處于主激光器波長(zhǎng)和副激光器波 長(zhǎng)兩個(gè)相隔雙拉曼位移的波長(zhǎng)，無(wú)法克服處于不同波段的光纖折射率與損耗光譜的影響， 因此需要通過(guò)信號(hào)采集處理系統(tǒng)扣除單程主激光器波長(zhǎng)和副激光器波長(zhǎng)的光纖瑞利波光 時(shí)域反射信號(hào)。采用的方法是通過(guò)光纖波分復(fù)用器的第二個(gè)輸出端口與第三個(gè)輸出端口通過(guò)第 二合波器與直接檢測(cè)系統(tǒng)的另一端相連，得到的是時(shí)分的雙程的主激光器的光纖背向瑞利 波光時(shí)域反射信號(hào)和副激光器的光纖背向瑞利波光時(shí)域反射信號(hào)，通過(guò)信號(hào)采集處理系統(tǒng) 分別得到兩個(gè)不同波段的單程的主激光器和副激光器波長(zhǎng)的光纖背向瑞利波光時(shí)域反射 信號(hào)。再用信號(hào)采集處理系統(tǒng)分別扣除主激光器的光纖背向反斯托克斯拉曼散射波光時(shí)域 反射信號(hào)中的單程的主激光器波長(zhǎng)光纖背向瑞利波光時(shí)域反射信號(hào)和副激光器波長(zhǎng)的光 纖背向反斯托克斯拉曼散射波光時(shí)域反射信號(hào)中的單程的副激光器波長(zhǎng)光纖背向瑞利波 光時(shí)域反射信號(hào)得到單程的同一波段主激光器的光纖背向反斯托克斯拉曼散射波與副激 光器的光纖斯托克斯拉曼散射波光時(shí)域反射信號(hào)的強(qiáng)度比，基于光纖拉曼測(cè)溫原理得到光纖各段的溫度信息，實(shí)現(xiàn)了色散與損耗光譜的自校正。色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器的測(cè)量原理激光與光纖分子的非線性相互作用，入射光子被一個(gè)分子散射成另一個(gè)低頻斯托 克斯光子或高頻反斯托克斯光子，相應(yīng)的分子完成兩個(gè)振動(dòng)態(tài)之間的躍遷，放出一個(gè)聲子 稱(chēng)為斯托克斯拉曼散射光子，吸收一個(gè)聲子稱(chēng)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，反斯 托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度比R(T，1) 其中vas，Vs分別是反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的頻率，h是 波朗克(Planck)常數(shù)，h = 6.626 068 76. 52xl(T34J. s (1998年基本物理常數(shù)數(shù)據(jù))， c是光速，Δν是一光纖分子的聲子頻率為13.2ΤΗΖ，k是波爾茲曼常數(shù)，k = 1.380 eSOSZ^lOWjIT1，!1是凱爾文(Kelvin)絕對(duì)溫度，α as、α s分別是反斯托克斯拉曼散射光與 斯托克斯拉曼散射光的光纖損耗系數(shù)。主激光器的單程背向反斯托克斯拉曼光與副激光器的單程背向斯托克斯拉曼光 強(qiáng)度比為 其中，主激光器的單程背向反斯托克斯拉曼光與副激光器的單程背向斯托克斯拉 曼光處于同一波段，即Vl,AS =(2)式簡(jiǎn)化為 若已知測(cè)溫光纖前面一段光纖的溫度T = Ttl，則由已知拉曼光強(qiáng)度比通過(guò)(3)式 得到測(cè)溫光纖上各段光纖的溫度。 本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型提供的色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器采用了價(jià) 格低廉，可靠性好的電子開(kāi)關(guān)，取代光纖開(kāi)關(guān)，其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好，可靠性好。由 于主激光器的單程背向反斯托克斯拉曼光與副激光器的單程背向斯托克斯拉曼光處于同 一波段，可以自校正光纖的色散與損耗光譜，以及光纖、光纜產(chǎn)生的彎曲和受壓拉伸而造成 的隨機(jī)損耗，克服了測(cè)溫系統(tǒng)中用斯托克斯拉曼參考通道解調(diào)反斯托克斯拉曼信號(hào)通道時(shí) 偏離線性而造成的測(cè)溫誤差。本實(shí)用新型采用由電子開(kāi)關(guān)控制雙拉曼位移波長(zhǎng)兩個(gè)光源， 集成型波分復(fù)用器和直接檢測(cè)系統(tǒng)，提高了分布式光纖拉曼光子溫度傳感器系統(tǒng)的信噪 比、可靠性和空間分辨率；鋪設(shè)在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)溫光纖是絕緣的，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)，是本征型的測(cè)溫光纖， 并具有30年以上的長(zhǎng)壽命。
圖1是色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器的示意圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器包括由驅(qū)動(dòng)電源 11，電子開(kāi)關(guān)12、主激光器13和副激光器14組成的雙拉曼位移波長(zhǎng)的雙光纖脈沖激光器 模塊，主激光器13和副激光器14的輸出端分別與第一合波器15的輸入端相連，第一合波 器15的輸出端與雙向耦合器16的輸入端相連，雙向耦合器16的輸出端與多模光纖17的 輸入端相連，多模光纖的背向瑞利散射和拉曼散射回波通過(guò)雙向耦合器16進(jìn)入集成型光 纖波分復(fù)用器18的輸入端，集成型光纖波分復(fù)用器18有三個(gè)輸出端口，第一個(gè)輸出端口為 拉曼散射峰的中心波長(zhǎng)輸出端口，第二個(gè)輸出端口為主激光器波長(zhǎng)的光纖背向瑞利散射波 輸出端口，第三個(gè)輸出端口為副激光器波長(zhǎng)的光纖背向瑞利散射波輸出端口，集成型光纖 波分復(fù)用器18的第一個(gè)輸出端口與直接檢測(cè)系統(tǒng)20的一個(gè)輸入端相連，集成型光纖波分 復(fù)用器18的第二個(gè)輸出端口和第三個(gè)輸出端口分別與第二合波器19的兩個(gè)輸入端相連， 第二合波器19的輸出端與直接檢測(cè)系統(tǒng)20的另一個(gè)輸入端相連，直接檢測(cè)系統(tǒng)20的輸出 端與信號(hào)采集處理系統(tǒng)21的輸入端相連，通過(guò)信號(hào)采集處理系統(tǒng)21處理后單程的主激光 器的光纖背向反斯托克斯拉曼散射波與副激光器的光纖斯托克斯拉曼散射波(處于同一 個(gè)波長(zhǎng)段)的強(qiáng)度比，得到光纖各段的溫度信息，由顯示器22顯示。上述的集成型光纖波分復(fù)用器18的第一輸出端口由光纖平行光路和中心波長(zhǎng)為 940nm、帶寬為15nm、損耗< 0. 5dB的濾光片組成，分時(shí)輸出同一波段的980nm主激光器反 斯托克斯拉曼散射光(940nm)和905nm副激光器斯托克斯拉曼散射光(940nm)信號(hào)。第二 輸出端口由光纖平行光路和中心波長(zhǎng)為980nm、帶寬為3nm、損耗< 0. 5dB的濾光片組成，第 三輸出端口由光纖平行光路和中心波長(zhǎng)為905nm、帶寬為3nm、損耗< 0. 5dB的濾光片組成。 它的第二輸出端口與第三輸出端口通過(guò)第二合波器19，分時(shí)輸出主激器和副激光器的光纖 瑞利散射光時(shí)域反射信號(hào)。直接檢測(cè)系統(tǒng)20由兩個(gè)光纖光電接收放大模塊構(gòu)成，它是由帶光纖的低噪音硅 光電雪崩二極管和低噪音MAX4107前置放大器和主放大器組成。信號(hào)采集處理系統(tǒng)21可采用美國(guó)NI公司的雙通道IOOMHz帶寬，100MS/s采集率 的NI5911型信號(hào)處理卡，或采用加拿大GaGe公司雙通道500MS/s采集率的CS21GB_lGHz 型信號(hào)處理卡。
權(quán)利要求一種色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特征是包括由驅(qū)動(dòng)電源(11)，電子開(kāi)關(guān)(12)、主激光器(13)和副激光器(14)組成的雙拉曼位移波長(zhǎng)的雙光纖脈沖激光器模塊。主激光器(13)和副激光器(14)的輸出端分別與第一合波器(15)的輸入端相連，第一合波器(15)的輸出端與雙向耦合器(16)的輸入端相連，雙向耦合器(16)的輸出端與多模光纖(17)的輸入端相連，多模光纖的背向瑞利散射和拉曼散射回波通過(guò)雙向耦合器(16)進(jìn)入集成型光纖波分復(fù)用器(18)的輸入端，集成型光纖波分復(fù)用器(18)有三個(gè)輸出端口，第一個(gè)輸出端口為拉曼散射峰的中心波長(zhǎng)輸出端口，第二個(gè)輸出端口為主激光器波長(zhǎng)的光纖背向瑞利散射波輸出端口，第三個(gè)輸出端口為副激光器波長(zhǎng)的光纖背向瑞利散射波輸出端口，集成型光纖波分復(fù)用器(18)的第一個(gè)輸出端口與直接檢測(cè)系統(tǒng)(20)的一個(gè)輸入端相連，集成型光纖波分復(fù)用器(18)的第二個(gè)輸出端口和第三個(gè)輸出端口分別與第二合波器(19)的兩個(gè)輸入端相連，第二合波器(19)的輸出端與直接檢測(cè)系統(tǒng)(20)的另一個(gè)輸入端相連，直接檢測(cè)系統(tǒng)(20)的輸出端與信號(hào)采集處理系統(tǒng)(21)的輸入端相連，信號(hào)采集處理系統(tǒng)(21)給出光纖各段的溫度值由顯示器(22)顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特征 在于主激光器(13)是中心波長(zhǎng)為980nm、光譜寬度為lnm、激光脈沖寬度為18ns、峰值功率 為7W的光纖脈沖激光器；副激光器(14)是中心波長(zhǎng)為905nm、光譜寬度為lnm、激光脈沖寬 度為18ns、峰值功率為8W的光纖脈沖激光器，主激光器(13)和副激光器(14)由電子開(kāi)關(guān)(12)按設(shè)定時(shí)間間隔切換輪流工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特 征在于集成型光纖波分復(fù)用器(18)的第一輸出端口由光纖平行光路和中心波長(zhǎng)為940nm、 帶寬為15nm、損耗<0. 5dB的濾光片組成，第二輸出端口由光纖平行光路和中心波長(zhǎng)為 980nm、帶寬為3nm、損耗< 0. 5dB的濾光片組成，第三輸出端口由光纖平行光路和中心波長(zhǎng) 為905nm、帶寬為3nm、損耗< 0. 5dB的濾光片組成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)的色散與損耗光譜自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括用電子開(kāi)關(guān)來(lái)切換的雙拉曼位移波長(zhǎng)的雙光纖脈沖激光器、測(cè)溫光纖、集成型光纖波分復(fù)用器、直接檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)采集處理系統(tǒng)和顯示器。它是基于光纖拉曼散射測(cè)溫原理、色散與損耗光譜自校正方法和光時(shí)域反射原理，采用雙拉曼位移波長(zhǎng)的雙光源，它的主光源的光纖背向反斯托克斯拉曼散射峰的中心波長(zhǎng)與副光源的光纖背向斯托克斯拉曼散射峰中心波長(zhǎng)相重合并扣除單程光纖瑞利散射光時(shí)域反射信號(hào)，對(duì)光纖色散與損耗光譜進(jìn)行自校正，也可以自校正在現(xiàn)場(chǎng)使用的測(cè)溫光纖、光纜由于彎曲和受壓拉伸而造成的隨機(jī)損耗。該傳感器成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好，運(yùn)行可靠。
文檔編號(hào)G01K11/32GK201637507SQ20102015746
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者余向東, 張?jiān)谛? 張文平, 張文生, 牛曉輝, 王劍鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院