專利名稱：融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠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脈沖編碼超遠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)組成的準分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，準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)。張在宣等提出的《一種融合光纖拉曼頻移器的超遠程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，CN201885733U》，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、遠程15-60km全分布式光纖傳感網(wǎng)的檢測范圍。但已不能滿足近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監(jiān)測，對超遠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、適用于80km全分布式光纖傳感網(wǎng)檢測范圍的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠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脈沖編碼超遠程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源，脈沖編碼光纖脈沖激光器、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、編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器和工控機，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器的一個信號輸出端與脈沖編碼激光器驅(qū)動電源相連，另一個信號輸出端與與工控機連接，由編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器產(chǎn)生的時間序列脈沖編碼信號控制脈沖編碼激光器驅(qū)動電源，驅(qū)動脈沖編碼光纖激光器產(chǎn)生時間序列編碼的1550nm激光脈沖，作為拉曼頻移器的泵浦源，單模光纖的輸入端與脈沖編碼光纖脈沖激光器的輸出端相連，由單模光纖和1660nm帶通濾光片組成的光纖拉曼頻移器，將1550nm時間序列編碼的激光脈沖頻移到1660nm，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編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器的兩個輸入端口相連。本發(fā)明中，所說的脈沖編碼光纖脈沖激光器由F-P半導(dǎo)體激光器和摻餌光纖放大器組成，中心波長為1550nm，光譜寬度為3nm，激光的單位脈沖寬度<6ns。本發(fā)明中，所說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、900 m或1200 m單模光纖。本發(fā)明中，所說的編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器采用嵌入式設(shè)計，由以ADS62P49 采集芯片為核心的高速采集器和以ADSP-BF561芯片為核心的高速數(shù)字處理器組成。本發(fā)明中，所說的傳感光纖為80km通信用G652單模光纖或色散位移光纖或碳涂復(fù)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涂料，致密碳膜可大大增強在惡劣環(huán)境下對裸光纖的保護，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)。 脈沖編碼光纖脈沖激光器發(fā)出時間序列編碼激光脈沖進入光纖拉曼頻移器，光纖拉曼頻移器將1550nm波段的時間序列編碼激光脈沖的頻率頻移13. 2THz到1660nm波段， 作為全分布式光纖傳感器的寬帶泵浦光源。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并進行放大，經(jīng)集成型光纖波分復(fù)用器分朿，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， 經(jīng)編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器和工控機解碼解調(diào)處理后，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(光纖雷達定位)。通過編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器與應(yīng)變、溫度解調(diào)軟件解碼解調(diào)，在60秒內(nèi)得到80km傳感光纖上各點應(yīng)變與溫度變化量，測溫精度士2°C，由工控機通訊接口、通訊協(xié)議進行遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)傳感光纖上檢測點達到設(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。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
本傳感器的序列脈沖編碼是通過S矩陣轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的，S矩陣轉(zhuǎn)換是標(biāo)準哈達馬得(Hadamard)轉(zhuǎn)換的一種變式，也可稱為哈達馬得轉(zhuǎn)換。S矩陣的元素均由“0”和“ 1 ”組成，這一特點很適用于激光序列脈沖編碼，在實際應(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。而解碼的過程是對應(yīng)的逆S矩陣轉(zhuǎn)換。由編碼原理推導(dǎo)得知，采用N位的序列脈沖編碼解碼可獲得的信噪比改善為
權(quán)利要求
1.融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是包括脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源(10)，脈沖編碼光纖脈沖激光器(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)、編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器(17)和工控機(18)，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器(17)的一個信號輸出端與脈沖編碼激光器驅(qū)動電源(10)相連，另一個信號輸出端與與工控機(18)連接，由編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器(17)產(chǎn)生的時間序列脈沖編碼信號控制脈沖編碼激光器驅(qū)動電源(10)，驅(qū)動脈沖編碼光纖激光器(11)產(chǎn)生時間序列編碼的1550nm激光脈沖，作為拉曼頻移器的泵浦源，單模光纖(12)的輸入端與脈沖編碼光纖脈沖激光器(11)的輸出端相連，由單模光纖(12)和1660nm帶通濾光片(13) 組成的光纖拉曼頻移器，將1550nm時間序列編碼的激光脈沖頻移到1660nm，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編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器(17)的兩個輸入端口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征脈沖編碼光纖脈沖激光器(11)由F-P半導(dǎo)體激光器和摻餌光纖放大器組成，中心波長為1550nm，光譜寬度為3nm，激光的單位脈沖寬度<6ns。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是1660nm帶通濾光片(13)的中心波長為1660nm，光譜帶寬 28nm,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脈沖編碼超遠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(12)為600m、900 m或1200 m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脈沖編碼超遠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(15)是80km通信用G652單模光纖或色散位移光纖或碳涂復(fù)單模光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器(17)由以ADS62P49采集芯片為核心的高速采集器和以ADSP-BF561芯片為核心的高速數(shù)字處理器組成。
全文摘要
本發(fā)明公開的融合光纖拉曼頻移器的脈沖編碼超遠程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源，脈沖編碼光纖脈沖激光器、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、編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器和工控機。該傳感器基于光纖拉曼頻移器原理、脈沖編碼原理、光纖瑞利與拉曼融合散射傳感原理，利用光時域反射原理對測點進行定位。本發(fā)明的傳感器成本低、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好，可靠性好，適用于遠程、超遠程80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G01K11/32GK102322886SQ20111022633
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者余向東, 康娟, 張在宣, 李晨霞, 王劍鋒, 金尚忠 申請人:中國計量學(xué)院