專(zhuān)利名稱(chēng)：混沌激光相關(guān)全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種混沌激光相關(guān)高空間分辨率全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)：
近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的光纖傳感器網(wǎng)能實(shí)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(bào)和監(jiān)測(cè)。光纖傳感器有兩大類(lèi)一類(lèi)是以光纖光柵(FBG)和光纖法白(F-P)等點(diǎn)式傳感器“掛”(布設(shè))在光纖上，采用光時(shí)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(wèn)題是在點(diǎn)式傳感器之間的光纖僅是傳輸介質(zhì)，因而存在檢測(cè)“盲區(qū)”；另一類(lèi)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(shí)域(OTDR)技術(shù)組成的全分布光纖傳感器網(wǎng)，測(cè)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(cè)盲區(qū)。張?jiān)谛淌谔岢龅摹度植际焦饫w瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器》(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利200910099463. 7，2010年9月授權(quán))提供了一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。但難以提高傳感系統(tǒng)的空間分辨率，王云才教授研究團(tuán)隊(duì)提出將混沌激光相關(guān)法用于0TDR，空間分辨率達(dá)到了 6cm (王安幫，王云才，混沌激光相關(guān)法光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)，中國(guó)科學(xué)，信息科學(xué)，2010年，第40 卷，第3期，1-7頁(yè))但無(wú)法測(cè)量傳感光纖上各點(diǎn)溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種混沌激光相關(guān)全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器，本發(fā)明具有高空間分辨率、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好、可靠性高等特點(diǎn)ο本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種混沌激光相關(guān)全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括半導(dǎo)LD激光器，第一偏振控制器，光纖環(huán)行器，第一光纖分路器，可調(diào)光衰減器第二偏振控制器，單向器，摻餌光纖放大器EDFA，第二光纖分路器，光纖波分復(fù)用器，傳感光纖，光纖延遲線(xiàn)，第一光電接收模塊，第二光電接收模塊數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)。半導(dǎo)體LD激光器經(jīng)第一偏振控制器與光纖環(huán)行器的一個(gè)輸入端口相接，光纖環(huán)行器的一個(gè)輸出端與第一光纖分路器輸入端相連，第一光纖分路器的一個(gè)輸出端與可調(diào)光衰減器的輸入端相連，可調(diào)光衰減器的輸出端通過(guò)第二偏振控制器與光纖環(huán)行器一個(gè)輸入端相連，再經(jīng)第一偏振控制器反饋給半導(dǎo)體LD激光器；第一光纖分路器的另一個(gè)輸出端經(jīng)單向器與摻餌光纖放大器EDFA相連，摻餌光纖放大器EDFA的輸出端與第二光纖分路器輸入端相連，第二光纖分路器的一個(gè)輸出端與光纖波分復(fù)用器的輸入端相連，光纖波分復(fù)用器的一個(gè)輸出端與傳感光纖相連，第二光纖分路器的另一個(gè)輸出端經(jīng)光纖延遲線(xiàn)與第一光電接收模塊相連，第一光電接收模塊輸出端與數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)相連；光纖波分復(fù)用器的1550nm輸出端口與數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)相連，光纖波分復(fù)用器的1450nm輸出端口與數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)相連。進(jìn)一步地，所述的混沌激光相關(guān)全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器，混沌激光器是由半導(dǎo)體LD激光器經(jīng)第一偏振控制器與光纖環(huán)行器的一個(gè)輸入端口相接，光纖環(huán)行器的一個(gè)輸出端與第一光纖分路器輸入端相連，第一光纖分路器的一個(gè)輸出端與可調(diào)光衰減器的輸入端相連，可調(diào)光衰減器的輸出端通過(guò)第二偏振控制器與光纖環(huán)行器一個(gè)輸入端相連，再經(jīng)第一偏振控制器反饋給半導(dǎo)體LD激光器組成。半導(dǎo)體LD激光器是半導(dǎo)體DFB 激光器，工作波長(zhǎng)為1550nm，輸出功率為lOcffim。第一光纖分路器的分支比為20:80。進(jìn)一步地，所述的傳感光纖是通信用30km G652光纖或DSF色散位移光纖或碳涂復(fù)單模光纖。進(jìn)一步地，所述的光纖延遲線(xiàn)是由一段單模光纖組成，用于標(biāo)定傳感系統(tǒng)的零點(diǎn)。 第二光纖分路器的另一個(gè)輸出端經(jīng)光纖延遲線(xiàn)與第一光電接收模塊(22)相連，構(gòu)成參考光路，第二光纖分路器的分支比為5:95，當(dāng)傳感系統(tǒng)不接入傳感光纖時(shí)(相當(dāng)于傳感光纖的零點(diǎn))，測(cè)量探測(cè)光與參考光相關(guān)曲線(xiàn)，選擇光纖延遲線(xiàn)的長(zhǎng)度，使相關(guān)曲線(xiàn)峰值處于零點(diǎn)。進(jìn)一步地，所述的第一光電接收模塊是由寬帶低噪音的InGaAs光電雪崩二極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片和三級(jí)主放大器組成，第二光電接收放大模塊采用兩路寬帶低噪音的^GaAs光電雪崩二極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片和三級(jí)主放大器組成。進(jìn)一步地，所述的數(shù)字信號(hào)處理器是一個(gè)相關(guān)處理器，將本地參考信號(hào)與傳感光纖回波的1550nm瑞利信號(hào)和1450nm反斯托克斯拉曼信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，由計(jì)算機(jī)處理后顯示溫度和應(yīng)變的信息?；煦缂す獍l(fā)出時(shí)間序列激光脈沖進(jìn)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、反斯托克斯拉曼散射光子波， 由光纖波分復(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探測(cè)光分別經(jīng)光電接收放大模塊，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)并放大，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器采集、累加與混沌激光的本地參考光作相關(guān)處理后，由瑞利散射光的強(qiáng)度比得到應(yīng)變的信息，給出傳感光纖上各應(yīng)變探測(cè)點(diǎn)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(qiáng)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(cè)點(diǎn)的溫度，溫度變化速度和方向，應(yīng)變與溫度的檢測(cè)不存在交叉效應(yīng)，利用光時(shí)域反射對(duì)傳感光纖上的檢測(cè)點(diǎn)定位(光纖雷達(dá)定位)。在60秒內(nèi)得到30km傳感光纖上各點(diǎn)應(yīng)變與溫度變化量，測(cè)溫精度士 2°C，空間分辨率小于15cm，由計(jì)算機(jī)通訊接口、通訊協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)傳感光纖上檢測(cè)點(diǎn)達(dá)到設(shè)定的應(yīng)變或溫度報(bào)警設(shè)定值時(shí)，向報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。混沌激光相關(guān)全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器的相關(guān)原理
半導(dǎo)體激光器在受到光反饋時(shí)持續(xù)地產(chǎn)生隨機(jī)起伏的寬帶，低相關(guān)噪聲的混沌激光， 其相關(guān)曲線(xiàn)具有S函數(shù)形狀，半導(dǎo)體激光器的非線(xiàn)性混沌振蕩的帶寬可大于15GHz，實(shí)現(xiàn)與測(cè)量長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的高分辨率、高精度的測(cè)量。設(shè)參考光為f (t)，探測(cè)光為g (t) =Kf (t-τ )； 互相關(guān)函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種混沌激光相關(guān)全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器，其特征在于，它包括半導(dǎo)體LD激光器(10)、第一偏振控制器(11)、光纖環(huán)行器(12)、第一光纖分路器(13)、可調(diào)光衰減器(14)、第二偏振控制器(15)、單向器(16)、摻餌光纖放大器EDFA(17)、第二光纖分路器(18)、光纖波分復(fù)用器(19)、傳感光纖(20)、光纖延遲線(xiàn)(21)、第一光電接收模塊(22)、 第二光電接收模塊(23)、數(shù)字信號(hào)處理器(24)和計(jì)算機(jī)(25)等；其中，所述半導(dǎo)體LD激光器(10)經(jīng)第一偏振控制器(11)與光纖環(huán)行器(12)的一個(gè)輸入端口相接，光纖環(huán)行器(12) 的輸出端與第一光纖分路器(13)輸入端相連，第一光纖分路器(13)的一個(gè)輸出端與可調(diào)光衰減器(14)的輸入端相連，可調(diào)光衰減器(14)的輸出端通過(guò)第二偏振控制器(15)與光纖環(huán)行器(12)的另一個(gè)輸入端相連，再經(jīng)第一偏振控制器(11)反饋給半導(dǎo)體LD激光器 (10);第一光纖分路器(13)的另一個(gè)輸出端經(jīng)單向器(16)與摻餌光纖放大器EDFA (17)相連，摻餌光纖放大器EDFA (17)的輸出端與第二光纖分路器(18)輸入端相連，第二光纖分路器(18)的一個(gè)輸出端與光纖波分復(fù)用器(19)的輸入端相連，光纖波分復(fù)用器(19)的一個(gè)輸出端與傳感光纖(20)相連，第二光纖分路器(18)的另一個(gè)輸出端經(jīng)光纖延遲線(xiàn)(21)與第一光電接收模塊(22)相連，第一光電接收模塊(22)輸出端與數(shù)字信號(hào)處理器(24)相連； 光纖波分復(fù)用器(19)的1550nm輸出端口和1450nm輸出端口均與數(shù)字信號(hào)處理器(24)相連，數(shù)字信號(hào)處理器(24)和計(jì)算機(jī)(25)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混沌激光相關(guān)全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體LD激光器(10)、第一偏振控制器(11)、光纖環(huán)行器(12)、第一光纖分路器 (13)、可調(diào)光衰減器(14)和第二偏振控制器(15)組成混沌激光器；所述半導(dǎo)體LD激光器 (10)是半導(dǎo)體DFB激光器，其工作波長(zhǎng)為1550nm，輸出功率為IOdBm ；第一光纖分路器(13) 的分支比為20:80。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感光纖(20)是通信用30kmG652光纖或DSF色散位移光纖或碳涂復(fù)單模光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混沌激光相關(guān)全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器，其特征在于，所述光纖延遲線(xiàn)(21)是由一段單模光纖組成，用于標(biāo)定傳感系統(tǒng)的零點(diǎn)；第二光纖分路器(18)的另一個(gè)輸出端經(jīng)光纖延遲線(xiàn)(21)與第一光電接收模塊(22)相連，構(gòu)成參考光路，第二光纖分路器(18)的分支比為5:95。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混沌激光相關(guān)全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器，其特征在于，所述第一光電接收模塊(22)是由寬帶低噪音的InGaAs光電雪崩二極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片和三級(jí)主放大器組成，第二光電接收放大模塊(23 )采用兩路寬帶低噪音的MGaAs光電雪崩二極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片和三級(jí)主放大器組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混沌激光相關(guān)全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器，其特征在于，所述數(shù)字信號(hào)處理器(24)是一個(gè)相關(guān)處理器，將本地參考信號(hào)與傳感光纖回波的 1550nm瑞利信號(hào)和1450nm反斯托克斯拉曼信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，由計(jì)算機(jī)(25)處理后顯示溫度和應(yīng)變的信息。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種混沌激光相關(guān)全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器，它是根據(jù)混沌激光相關(guān)原理、光纖瑞利與拉曼融合散射傳感原理、利用光時(shí)域反射原理對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位制成的；該傳感器采用混沌激光器，在時(shí)域上隨機(jī)起伏的光脈沖序列，通過(guò)傳感光纖的反向探測(cè)光與本地參考光的相關(guān)處理，提高了傳感器系統(tǒng)的空間分辨率；有效地增加了入射光纖的光子數(shù)，提高了傳感器系統(tǒng)的信噪比，提高了傳感器的測(cè)量長(zhǎng)度與測(cè)量精度，在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度的同時(shí)能測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的形變、裂縫，與測(cè)量溫度互不交叉。具有成本低、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高空間分辨率和信噪比好等特點(diǎn)，適用于30公里范圍內(nèi)高空間分辨率15cm石化管道、隧道、大型土木工程監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102322811SQ201110227239
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者余向東, 張?jiān)谛? 王劍鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院