專利名稱：融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(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、大堤和礦業(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一類是以光纖光柵(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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)明專利，專利號(hào)200910099463. 7，2010年9月29日授權(quán))提供了一種結(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，適用于中、短程0-15km全分布式光纖傳感網(wǎng)的檢測(cè)范圍。但已不能完全滿足近年來(lái)石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監(jiān)測(cè)，對(duì)遠(yuǎn)程、超遠(yuǎn)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)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，本發(fā)明為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好、可靠性好的超遠(yuǎn)程IOOkm分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)變、溫度傳感器。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，包括光纖脈沖激光器，光纖拉曼頻移器由單模光纖和1660nm 激光片組成，光纖波分復(fù)用器，光纖耦合器，光纖拉曼激光器，傳感光纖，光纖窄帶反射濾光器，光電接收模塊，數(shù)字信號(hào)處理器和工控機(jī)。光纖脈沖激光器發(fā)出激光進(jìn)入光纖拉曼頻移器，經(jīng)頻移13. 2THz到1660nm波段,作為寬光譜光源激光進(jìn)入光纖波分復(fù)用器,光纖波分復(fù)用器具有四個(gè)端口，它的輸入端口與光纖拉曼頻移器輸出端口相連，COM輸出端口經(jīng)光纖窄帶反射濾光器和光纖耦合器與傳感光纖相連；光纖拉曼激光器，光纖耦合器與傳感光纖組成C波段光纖拉曼放大器,在傳感光纖中產(chǎn)生的1660nm波段寬光譜反向瑞利散射光經(jīng) 1450nm光纖窄帶反射濾光器和光纖波分復(fù)用器的一個(gè)輸出端口與光電接收模塊的一個(gè)輸入端口相連，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換放大后輸入數(shù)字信號(hào)處理器的一個(gè)端口 ；在傳感光纖中產(chǎn)生的， 經(jīng)拉曼放大器放大的1550nm波段寬光譜反向反斯托克斯拉曼散射光經(jīng)1450nm光纖窄帶反射濾光器和光纖波分復(fù)用器的另一個(gè)輸出端口與光電接收模塊的另一個(gè)輸入端口相連，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換放大后輸入數(shù)字信號(hào)處理器的另一個(gè)端口，數(shù)字信號(hào)處理器與工控機(jī)相連。經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器與工控機(jī)解調(diào)，利用光纖瑞利散射強(qiáng)度受光纖應(yīng)變調(diào)制的原理，檢測(cè)光纖的形變和斷裂，基于光纖反斯托克斯拉曼光強(qiáng)度受光纖溫度調(diào)制的原理，采用光纖反斯托克斯拉曼光強(qiáng)度與光纖瑞利散射光強(qiáng)度比檢測(cè)光纖溫度，并扣除應(yīng)變的影響，相互間不存在交叉效應(yīng)。所述的融合光纖拉曼頻移器的超遠(yuǎn)程全分布式光纖傳感器，其特征是高功率脈沖激光器的中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜寬度為O. lnm，激光脈沖寬度為10_30ns可調(diào)，峰值功率為I-IkW可調(diào)，重復(fù)頻率為500Ηζ_800Ηζ可調(diào)。所述的融合光纖拉曼頻移器的超遠(yuǎn)程全分布式光纖傳感器，其特征是采用光纖拉曼頻移器，它由Ikm單模光纖和1660nm帶通濾光片組成,濾光片中心波長(zhǎng)為1660nm,光譜帶寬28nm，透過(guò)率98%，對(duì)1550nm激光的隔離度>45dB。光纖拉曼頻移器將1550nm波段光纖激光器頻移13. 2THz到1660nm波段，并拓寬了激光的光譜帶寬，作為全分布式光纖傳感器的寬光譜光源。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是光纖波分復(fù)用器，它具有1660nm激光輸入端口，COM輸出端口，1550nm輸出端口和1660nm輸出端口等四個(gè)端口。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是光纖耦合器的一端與光纖拉曼激光器相連，另外兩端分別與傳感光纖和光纖窄帶反射濾光器相連。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是光纖拉曼激光器的中心波長(zhǎng)為1450. Onm，光譜帶寬O. lnm，輸出功率100_1200mW可調(diào)，由光纖耦合器，光纖拉曼激光器和傳感光纖構(gòu)成C波段光纖拉曼放大器。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是傳感光纖采用IOOkm通信用G652單模光纖或LEAF光纖，特殊場(chǎng)合采用碳涂覆單模光纖。碳涂覆單模光纖是一種在拉絲過(guò)程中，于裸光纖表面上沉積一層無(wú)定形碳的特殊光纖。這種碳密封涂覆的技術(shù)解決了光纖由于靜態(tài)疲勞引起的機(jī)械強(qiáng)度下降，以及由于氫氣擴(kuò)散進(jìn)石英玻璃體內(nèi)引起的傳輸損耗增加等長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題。這種碳涂覆光纖可以在苛刻惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期可靠的工作。碳涂覆光纖是在光纖的包層表面加一層35 70nm厚的致密碳膜，然后再涂覆一層紫外固化有機(jī)涂料，致密碳膜可大大增強(qiáng)在惡劣環(huán)境下對(duì)裸光纖的保護(hù)，保障其耐久性，傳感光纖鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)，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)。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器其特征是光纖窄帶反射濾光器的中心波長(zhǎng)為1450. Onm，光譜帶寬O. 5nm,反射率99%。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是光電接收模塊采用兩路低噪音的InGaAs光電雪崩二極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片 MAX4107和三級(jí)主放大器組成。光纖拉曼頻移器工作原理
當(dāng)入射激光％與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個(gè)聲子稱為斯托克斯拉曼散射光子，吸收一個(gè)聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子△ V，光纖分子的聲子頻率為13.2THZ，入射激光V。，產(chǎn)生了頻移
ν = ν0±Δν；(I)
叫做光纖拉曼頻移，可制作成光纖拉曼頻移器。如果入射激光超過(guò)一定的閾值，在光纖里的斯托克斯波V = Vtl-A V在光纖介質(zhì)內(nèi)快速增加，大部分泵浦光的功率都可以轉(zhuǎn)換成斯托克斯光，這種受激拉曼散射現(xiàn)象成為光纖拉曼頻移器的工作原理。光纖拉曼頻移器由 Ikm單模光纖它可以將1550nm光纖脈沖激光器和1660nm帶通濾光片組成,將1550nm光纖脈沖激光轉(zhuǎn)換為1660nm波段寬光譜拉曼激光。分布式光纖拉曼放大器工作原理放大器的開關(guān)增益為
權(quán)利要求
1.一種融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征在于，它包括光纖脈沖激光器(11)、、單模光纖(12)、1660nm激光片(13)、光纖波分復(fù)用器(14)、光纖率禹合器(15)、光纖拉曼激光器(16)、傳感光纖(17)、光纖窄帶反射濾光器(18)、光電接收模塊(19)、數(shù)字信號(hào)處理器(20)和工控機(jī)(21)等；其中，單模光纖(12)和1660nm激光片(13)組成光纖拉曼頻移器，光纖拉曼激光器(16)、光纖耦合器(15)與傳感光纖(17)組成C波段光纖拉曼放大器；光纖脈沖激光器(11)發(fā)出激光進(jìn)入光纖拉曼頻移器，經(jīng)頻移 13. 2THz到1660nm波段,作為寬光譜光源激光進(jìn)入光纖波分復(fù)用器(14),光纖波分復(fù)用器(14)具有四個(gè)端口，它的1660nm激光輸入端口與光纖拉曼頻移器輸出端口相連，COM輸出端口經(jīng)光纖窄帶反射濾光器(18)和光纖稱合器(15)與傳感光纖(17)相連；在傳感光纖 (17)中產(chǎn)生的1660nm波段寬光譜反向瑞利散射光經(jīng)光纖窄帶反射濾光器(18)和光纖波分復(fù)用器(14)的1660nm輸出端口與光電接收模塊(19)的一個(gè)輸入端口相連,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換放大后輸入數(shù)字信號(hào)處理器(20)的一個(gè)端口 ；在傳感光纖(17)中產(chǎn)生的經(jīng)拉曼放大器放大的1550nm波段寬光譜反向反斯托克斯拉曼散射光經(jīng)光纖窄帶反射濾光器(18)和光纖波分復(fù)用器(14)的1550nm輸出端口與光電接收模塊(19)的另一個(gè)輸入端口相連,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換放大后輸入數(shù)字信號(hào)處理器(20 )的另一個(gè)端口，數(shù)字信號(hào)處理器(20 )與工控機(jī)(21)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器， 其特征在于，所述光纖脈沖激光器(11)的中心波長(zhǎng)為1550nm，光譜寬度為O. 2nm，激光脈沖寬度為10-30ns可調(diào)，峰值功率為100W可調(diào)，重復(fù)頻率為500Ηζ_800ΚΗζ可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器， 其特征在于，所述光纖拉曼頻移器由Ikm單模光纖(12)和1660nm激光片(13)組成,濾光片中心波長(zhǎng)為1660nm，光譜帶寬28nm，透過(guò)率98%，對(duì)1550nm激光的隔離度>45dB。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征在于，所述光纖波分復(fù)用器(14),它具有1660nm激光輸入端口，COM輸出端口， 1550nm輸出端口和1660nm輸出端口等四個(gè)端口。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器， 其特征在于，所述光纖拉曼激光器(16)的中心波長(zhǎng)為1450. Onm，光譜帶寬O. lnm，輸出功率 100-1200mW 可調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器， 其特征在于，所述傳感光纖(17)采用IOOkm通信用G652單模光纖、LEAF光纖或碳涂覆單模光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器， 其特征在于，所述光纖窄帶反射濾光器(18)的中心波長(zhǎng)為1450. Onm,光譜帶寬O. 5nm,反射率 99%ο
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器， 其特征在于，所述光電接收模塊(19)采用兩路低噪音的InGaAs光電雪崩二極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片MAX4107和三級(jí)主放大器組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器；光纖脈沖激光器經(jīng)光纖拉曼頻移器頻移13.2THz，產(chǎn)生1660nm波段寬光譜拉曼激光作為全分布式光纖傳感器的寬光譜光源，入射傳感光纖，由傳感光纖反向瑞利散射強(qiáng)度比檢測(cè)光纖的形變和斷裂，傳感光纖中產(chǎn)生的1550nm波段反斯托克斯拉曼散射經(jīng)光纖拉曼放大器放大，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,應(yīng)變與溫度的檢測(cè)不存在交叉效應(yīng)，利用光時(shí)域反射技術(shù)對(duì)傳感光纖上的檢測(cè)點(diǎn)定位；適用于超遠(yuǎn)程100公里范圍內(nèi)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)G01B11/16GK102589459SQ201210038828
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者余向東, 康娟, 張?jiān)谛? 張文平, 張文生, 李晨霞, 王劍鋒, 金尚忠 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院