專利名稱：一種采用序列脈沖編碼解碼的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)用新型涉及光纖溫度傳感器，特別是分布式光纖拉曼溫度傳感器。
背景技術(shù)：
分布光纖溫度傳感器系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場分布的傳感器系統(tǒng)，在 系統(tǒng)中光纖既是傳輸媒體也是傳感媒體。分布式光纖拉曼溫度傳感器利用光纖的喇曼光譜 效應(yīng)，光纖所處空間各點(diǎn)溫度場調(diào)制了光纖中傳輸?shù)墓廨d波，經(jīng)解調(diào)后，將空間溫度場的信 息實(shí)時(shí)顯示出來。它是一個(gè)特殊的光纖通信系統(tǒng)；利用光纖的光時(shí)域的反射(Optical time domain reflection簡稱OTDR)技術(shù)，由光纖中光的傳播速度和背向光回波的時(shí)間，對(duì)所測(cè) 溫度點(diǎn)定位，它又是一個(gè)典型的光纖激光溫度雷達(dá)系統(tǒng)。分布式光纖拉曼溫度傳感器可以 在線實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)現(xiàn)場的溫度和溫度變化的取向，在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)場溫度的變化，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，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。典型的分布式光纖拉曼溫度傳感器一般采用激光脈沖作為泵蒲信號(hào)，用反斯托克 斯拉曼散射光作為測(cè)量溫度信號(hào)通道，斯托克斯拉曼散射光作為測(cè)量溫度參考通道。由于 光纖上被則溫度點(diǎn)的空間定位分辨率由激光脈沖寬度決定，為了獲得更高的空間分辨率， 需要將激光脈沖寬度壓窄，但壓窄激光脈沖寬度帶來的后果是激光的有效光子數(shù)變少了， 使得斯托克斯和反欺托克斯散射光強(qiáng)度變小從而使溫度信號(hào)的信噪比降低，影響到測(cè)溫精 度。隨著系統(tǒng)測(cè)程增加，這一問題越發(fā)顯得嚴(yán)重。為了解決這一問題，傳統(tǒng)的辦法是增加激 光窄脈沖的發(fā)射功率，但增加發(fā)射功率到一定程度后拉曼散射光會(huì)出現(xiàn)非線性效應(yīng)，使溫 度解調(diào)變得極為困難。另一種辦法是增加信號(hào)采集次數(shù)，通過多次平均來提高信噪比，但這 樣卻增加了系統(tǒng)的工作時(shí)間，從而降低了測(cè)溫的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度 傳感器，以有效解決傳統(tǒng)光纖分布溫度傳感器“提高空間分辨率-降低信噪比，提高信噪 比_降低空間分辨率或增加測(cè)量時(shí)間”這一矛盾，提高測(cè)溫精度。本實(shí)用新型的采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括具有拉 曼頻移的光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊，摻鉺光纖放大器，帶通濾光片，具有四個(gè)端 口的集成型光纖波分復(fù)用器，兩個(gè)光電接收放大模塊，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器，光纖 溫度取樣環(huán)，本征型測(cè)溫光纖，數(shù)字式溫度探測(cè)器和PC機(jī)。光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā) 射模塊的輸出端與摻鉺光纖放大器的輸入端相連，摻鉺光纖放大器的輸出端與帶通濾光片 的一端相連，帶通濾光片的另一端與集成型光纖波分復(fù)用器的輸入端口相連，集成型光纖 波分復(fù)用器的第一輸出端口與光纖溫度取樣環(huán)的一端相連，光纖溫度取樣環(huán)的另一端與本 征型測(cè)溫光纖相連，集成型光纖波分復(fù)用器的第二和第三輸出端口分別與第一和第二光電 接收放大模塊的輸入端相連，第一和第二光電接收放大模塊的輸出端分別與編碼解碼解調(diào)
3數(shù)字信號(hào)處理器的兩個(gè)輸入端相連，數(shù)字式溫度探測(cè)器的輸出端與編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào) 處理器第三個(gè)輸入端相連，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器的輸出端與光纖耦合多脈沖半導(dǎo) 體激光發(fā)射模塊的輸入端相連，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器的通訊接口連接PC機(jī)。為了保證光纖溫度取樣環(huán)溫度定標(biāo)的準(zhǔn)確性，可將光纖溫度取樣環(huán)和數(shù)字式溫度 探測(cè)器緊挨置于同一個(gè)隔熱的容器內(nèi)。本征型測(cè)溫光纖鋪設(shè)在測(cè)溫現(xiàn)場，測(cè)溫光纖不帶電，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕， 光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)。工作時(shí)，光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊由編碼解 碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器送出的按255 X 255S矩陣轉(zhuǎn)換規(guī)則排列的序列255位編碼脈沖驅(qū)動(dòng) 并發(fā)出相應(yīng)的255位編碼脈沖光，該編碼脈沖光經(jīng)摻鉺光纖放大器放大，獲得足夠大的光 功率，經(jīng)帶通濾光片濾光后輸給集成型光纖波分復(fù)用器，并通過集成型光纖波分復(fù)用器射 入本征型測(cè)溫光纖。在本征型測(cè)溫光纖上產(chǎn)生的激光反斯托克斯拉曼、斯托克斯拉曼光子 波經(jīng)集成型光纖波分復(fù)用器分束，分別由第一、第二光電接收放大模塊轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào) 并放大輸給編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器將接收到的兩路 模擬電信號(hào)分別逐點(diǎn)采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼，恢復(fù)出反應(yīng)背向反斯托克斯拉曼光 和斯托克斯拉曼光強(qiáng)度的值，該兩值之比反應(yīng)出光纖各段的溫度信息，通過高速數(shù)據(jù)處理 器解調(diào)并結(jié)合數(shù)字溫度探測(cè)器測(cè)出的取樣環(huán)溫度值進(jìn)行溫度定標(biāo)，給出本征型溫光纖上各 點(diǎn)(小段)的溫度，并利用光時(shí)域反射對(duì)感溫光纖上拉曼光子感溫火災(zāi)探測(cè)點(diǎn)定位(光纖 雷達(dá)定位)，在40秒內(nèi)得到本征型測(cè)溫光纖上各段的溫度和溫度變化量，測(cè)溫精度士 1°C， 在0°C -300°C范圍內(nèi)進(jìn)行在線溫度監(jiān)測(cè)。編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器將數(shù)據(jù)結(jié)果通過通 訊接口、通訊協(xié)議傳輸給PC機(jī)，進(jìn)行圖形顯示、溫度報(bào)警控制。本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型的采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器，用激光序列 編碼脈沖作為發(fā)射源，大大提高了發(fā)射信號(hào)光子數(shù)，使得背向拉曼散射光強(qiáng)度大大提高，從 而大大提高了系統(tǒng)的信噪比。該傳感器的空間定位分辨率由單位的窄脈沖寬度決定，由于 采用序列編碼脈沖發(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防止了光纖非線性效應(yīng)；同時(shí)， 由于采用了編碼、解碼技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的提取、辨別能力，在花費(fèi)同樣測(cè)量時(shí) 間下能獲得更好的信噪比。該發(fā)明有效解決了傳統(tǒng)光纖分布溫度傳感器“提高空間分辨 率_降低信噪比，提高信噪比_降低空間分辨率或增加測(cè)量時(shí)間”這一予盾問題，可實(shí)現(xiàn)超 遠(yuǎn)程、高空間分辨率的分布光纖溫度傳感系統(tǒng)。

圖1是采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器的示意圖。圖2是序列脈沖編碼及對(duì)應(yīng)的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信號(hào)波形圖，其中 a)為三位序列單脈沖及對(duì)應(yīng)的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信號(hào)波形，b)為三位編碼序 列脈沖及對(duì)應(yīng)的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信號(hào)波形。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。[0013]參照?qǐng)D1，本實(shí)用新型的采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器，包 括具有拉曼頻移的光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊21，摻鉺光纖放大器19，帶通濾光 片20，具有四個(gè)端口的集成型光纖波分復(fù)用器11，兩個(gè)光電接收放大模塊12、13，編碼解碼 解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器14，光纖溫度取樣環(huán)17，本征型測(cè)溫光纖18，數(shù)字式溫度探測(cè)器16和 PC機(jī)15。光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊21的輸出端與摻鉺光纖放大器19的輸入 端相連，摻鉺光纖放大器19的輸出端與帶通濾光片20的一端相連，帶通濾光片20的另一 端與集成型光纖波分復(fù)用器11的輸入端口相連，集成型光纖波分復(fù)用器11的第一輸出端 口與光纖溫度取樣環(huán)17的一端相連，光纖溫度取樣環(huán)17的另一端與本征型測(cè)溫光纖18相 連，集成型光纖波分復(fù)用器11的第二和第三輸出端口分別與第一和第二光電接收放大模 塊12、13的輸入端相連，第一和第二光電接收放大模塊12、13的輸出端分別與編碼解碼解 調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器14的兩個(gè)輸入端相連，數(shù)字式溫度探測(cè)器16的輸出端與編碼解碼解調(diào) 數(shù)字信號(hào)處理器14第三個(gè)輸入端相連，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器14的輸出端與光纖 耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊21的輸入端相連，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器14的通 訊接口連接PC機(jī)15。本實(shí)用新型中的拉曼頻移的光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊21的中心波長 可以為1550nm，光譜寬度< 5nm，激光的單位脈沖寬度< 6ns ；帶通濾光片20光譜帶寬為 8nm，通帶波紋< 0. 3dB，插入損耗< 0. 3dB。本實(shí)用新型中的集成型光纖波分復(fù)用器11由光纖雙向耦合器、光纖平行光路、反 斯托克斯拉曼散射光寬帶濾光片和斯托克斯拉曼散射光寬帶濾光片集成，具有4個(gè)端口。 對(duì)應(yīng)1550nm中心波長的拉曼頻移的光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊，光纖波分復(fù)用 器的輸入端口的波長為1550nm，三個(gè)輸出端口的波長分別為1550nm、1450nm和1650nm。 其中，1450nm反斯托克斯拉曼散射光寬帶濾光片的中心波長為1450nm，光譜帶寬為36nm， 通帶波紋< 0. 3dB，插入損耗< 0. 3dB，對(duì)1550nm光的隔離度> 35dB。1650nm斯托克斯拉 曼散射光寬帶濾光片的中心波長為1650nm，光譜帶寬為38nm，通帶波紋< 0. 3dB，插入損耗 < 0. 3dB，對(duì) 1550nm 光的隔離度> 35dB。本實(shí)用新型中的拉曼頻移的光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊21也適用于其 它波段的波長，例如1060nm，1310nm等。本實(shí)用新型中的第一、第二光纖光電接收放大模塊13，14，分別由光纖耦合的低噪 音InGaAs光電雪崩二極管、低噪音AD8015前置放大器以及由AD8129和AD8361構(gòu)成的可 調(diào)增益主放大器構(gòu)成。本實(shí)用新型中的編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器可采用以德州儀器公司(Tl)生產(chǎn) 的ADS62P49采集芯片為核心的高速采集器和以美國模擬器件公司(AD)生產(chǎn)的ADSP-BF561 芯片為核心的高速數(shù)字處理器組成的編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器。本實(shí)用新型中的數(shù)字式溫度探測(cè)器采用18B20數(shù)字式溫度探測(cè)器。本實(shí)用新型中的本征型測(cè)溫光纖為光通伩用62. 5/125多模光纖，測(cè)溫光纖長度 為 IOOm 50km。本實(shí)用新型中的光纖溫度取樣環(huán)采用50米光通伩用62. 5/125多模光纖繞成多圈 小環(huán)形成。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[0023]本傳感器的序列脈沖編碼是通過S矩陣轉(zhuǎn)換來實(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單編碼。而解碼的過程是對(duì)應(yīng) 的逆S矩陣轉(zhuǎn)換。下面結(jié)合一個(gè)3位的編碼解碼過程來進(jìn)一步闡述原理。如圖2(a)所示，Pjt)、P2(t)、P3(t)分別代表脈寬和間距均為τ的激光脈沖，
分別代表對(duì)應(yīng)脈沖的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信號(hào)。三位的S矩陣為
權(quán)利要求一種采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特征是包括具有拉曼頻移的光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊(21)，摻鉺光纖放大器(19)，帶通濾光片(20)，具有四個(gè)端口的集成型光纖波分復(fù)用器(11)，兩個(gè)光電接收放大模塊(12)、(13)，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(14)，光纖溫度取樣環(huán)(17)，本征型測(cè)溫光纖(18)，數(shù)字式溫度探測(cè)器(16)和PC機(jī)(15)，光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊(21)的輸出端與摻鉺光纖放大器(19)的輸入端相連，摻鉺光纖放大器(19)的輸出端與帶通濾光片(20)的一端相連，帶通濾光片(20)的另一端與集成型光纖波分復(fù)用器(11)的輸入端口相連，集成型光纖波分復(fù)用器(11)的第一輸出端口與光纖溫度取樣環(huán)(17)的一端相連，光纖溫度取樣環(huán)(17)的另一端與本征型測(cè)溫光纖(18)相連，集成型光纖波分復(fù)用器(11)的第二和第三輸出端口分別與第一和第二光電接收放大模塊(12)、(13)的輸入端相連，第一和第二光電接收放大模塊(12)、(13)的輸出端分別與編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(14)的兩個(gè)輸入端相連，數(shù)字式溫度探測(cè)器(16)的輸出端與編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(14)第三個(gè)輸入端相連，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(14)的輸出端與光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊(21)的輸入端相連，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器(14)的通訊接口連接PC機(jī)(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特 征是光纖溫度取樣環(huán)(17)和數(shù)字式溫度探測(cè)器(16)緊挨置于同一個(gè)隔熱的容器內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器，其 特征是拉曼頻移的光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊(21)的中心波長為1550nm，光 譜寬度<5nm，激光的單位脈沖寬度< 6ns;帶通濾光片(20)光譜帶寬為8nm，通帶波紋 < 0. 3dB，插入損耗< 0. 3dB。
專利摘要本實(shí)用新型公開的采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括具有拉曼頻移的光纖耦合多脈沖半導(dǎo)體激光發(fā)射模塊，摻鉺光纖放大器，帶通濾光片，具有四個(gè)端口的集成型光纖波分復(fù)用器，兩個(gè)光電接收放大模塊，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號(hào)處理器，光纖溫度取樣環(huán)，本征型測(cè)溫光纖，數(shù)字式溫度探測(cè)器和PC機(jī)。用激光序列編碼脈沖作為發(fā)射源，大大提高了發(fā)射信號(hào)光子數(shù)，使得背向拉曼散射光強(qiáng)度大大提高，從而大大提高了系統(tǒng)的信噪比。該傳感器有效解決了傳統(tǒng)光纖分布溫度傳感器“提高空間分辨率-降低信噪比，提高信噪比-降低空間分辨率或增加測(cè)量時(shí)間”這一矛盾，提高了測(cè)溫精度。可應(yīng)用于超遠(yuǎn)程、高空間分辨率的分布光纖溫度傳感系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01K11/32GK201731956SQ201020187360
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者余向東, 張?jiān)谛? 張文生 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院