專利名稱：一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，屬于光纖測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
溫度傳感是光纖傳感技術(shù)中較為活躍的開發(fā)領(lǐng)域之一。傳統(tǒng)的單點移動式或由多個單點組成的準分布式測量方式存在難于安裝、難于布線、難于維護等缺點，這種監(jiān)測方法只檢測探頭接觸點，測溫范圍較??；傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)的傳感器易受電磁干擾，系統(tǒng)可靠性較低，易受外界環(huán)境如傳輸通道等的影響。而完全分布式溫度傳感器是有效的方法，光纖既可 以傳輸信號，其本身也是傳感器，實現(xiàn)在線實時監(jiān)測和預(yù)報，可大大降低獲取信息的成本，分布式測溫檢測范圍較大，不受電磁干擾，系統(tǒng)簡單安全。分布式光纖溫度傳感器已成了目前世界上最先進、最有效的連續(xù)分布溫度監(jiān)測系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電カ裝置的溫度監(jiān)測、水利工程的滲漏和溫度監(jiān)控、石油化工領(lǐng)域的泄露和溫度監(jiān)控、空間場所的溫度監(jiān)控和火情監(jiān)測、地下探測等等?，F(xiàn)有的拉曼測溫系統(tǒng)進行狀態(tài)檢測，測量精度不高。例如在對電纜實時監(jiān)測時，電纜某點出現(xiàn)故障局部溫度升高，不能快速準確定位溫度和位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，可以有效監(jiān)測，快速準確地定位和測量溫度。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，包括寬帶光源I、雙向四通道光纖I禹合器2、單模光纖3、第一分光器4、第二分光器5、第一光電探測電路6、第二光電探測電路7、第三光電探測電路8、信號采集卡9和計算機10 ;其中雙向四通道光纖耦合器2的一個通道作為傳輸通道，傳輸光信號，另三個通道分別作為斯托克斯通道、反斯托克斯通道和瑞利通道，分別耦合回背向斯托克斯散射光、背向反斯托克斯散射光和背向瑞利散射光；寬帶光源I的輸出連接至雙向四通道光纖耦合器2的耦合輸入端ロ，即A端ロ ；雙向四通道光纖耦合器2的傳輸端ロ，即C端ロ接至單模光纖3，雙向四通道光纖I禹合器2的I禹合輸出端ロ，即B端ロ連接第一分光器4 ;第一分光器4的兩個輸出分別接至第一光電探測電路6和第二分光器5 ;第二分光器5分出的兩束光分別被第二光電探測電路7和第三光電探測電路8接收；第一光電探測電路6、第二光電探測電路7和第三光電探測電路8均與信號采集卡9相連，由信號采集卡9采集電信號，最終數(shù)據(jù)傳入計算機10解調(diào)得出溫度、位置信息并顯示；寬帶光源I發(fā)出的寬帶光到達雙向四通道光纖耦合器2，由雙向四通道光纖耦合器2的ー個通道傳輸光信號經(jīng)過單模光纖3并在其中傳播，另外三個通道，即斯托克斯通道、反斯托克斯通道和瑞利通道分別背向斯托克斯散射光、背向反斯托克斯散射光以及背向瑞利散射光I禹合回雙向四通道光纖I禹合器2后由B端ロ輸出，輸出的光經(jīng)過第一分光器4分成兩束光，其中一束光經(jīng)濾波濾掉斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光后留下瑞利散射光，然后瑞利散射光由第一光電探測電路6接收；另外一束光通過第二分光器5再次被分為兩束，經(jīng)濾波濾掉瑞利散射光后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光分別由第二光電探測電路7和第三光電探測電路8接收，上述三路光經(jīng)三個光電探測電路后轉(zhuǎn)化為電信號，由信號采集卡9采集，之后由計算機10處理，解調(diào)出溫度和位置信息并顯示。所述第一分光器4的分光比為50 :50。背向拉曼散射光到達第一分光器4后分出強度相等的兩束光，一束濾掉斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光，留下瑞利散射光用于位置的解調(diào)；另一束光濾掉瑞利散射光，留下斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光用于溫度的解調(diào)。 所述第二分光器5的分光比為80 :20。由于反斯托克斯散射光承載著主要的溫度信息，所以第二分光器5分出80%的反斯托克斯散射光，剩下20%的斯托克斯散射光用來作對比以消除系統(tǒng)的不良影響。所述第一光電探測電路6、第二光電探測電路7和第三光電探測電路8采用半導(dǎo)體InGaAs PIN型光電ニ極管電路。所述寬帶光源I為ASE寬帶光源，中心波長1550nm，3dB帶寬30nm。所述單模光纖3的線路損失系數(shù)為O. 20。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于(I)本發(fā)明采用了雙向四通道光纖耦合器和單模光纖，利用斯托克斯通道和反斯托克斯通道解調(diào)溫度信息，利用瑞利通道解調(diào)位置信息，兩者結(jié)合可以有效監(jiān)測，快速準確的將故障點鎖定在較小的范圍內(nèi)，實時溫度，工作人員及時解決問題，具有較強的實用性。(2)本發(fā)明的溫度分辨率可達O. 8°C，空間分辨率為Im甚至Im以下，提高了系統(tǒng)的效率，可用于電カ電纜、隧道、油管、易燃易爆等場所的實時溫度監(jiān)測，采用弾性散射的瑞利散射解調(diào)位置信息，可以達到靈敏度高；采用高速信號采集卡使其響應(yīng)速度快；采用低損耗的單模光纖傳輸信號使其傳輸距離更遠，抗電磁干擾能力強是光纖傳感器優(yōu)勢于普通電傳感器的自身屬性。


圖I為本發(fā)明的雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)的原理圖；圖中1、寬帶光源,2、雙向四通道光纖稱合器,3、單模光纖,4、第一分光器,5、第二分光器，6、第一光電探測電路,7、第二光電探測電路,8、第三光電探測電路,9、信號米集卡，10、計算機。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行描述，以便更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當采用已知功能和設(shè)計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時,這些描述在這里將被忽略。如圖I所示，本發(fā)明所述的雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)包括寬帶光源I、雙向四通道光纖I禹合器2、單模光纖3、第一分光器4、第二分光器5,第一光電探測電路6、第ニ光電探測電路7、第三光電探測電路8、信號采集卡9和計算機10 ;其中，第一光纖耦合器2的A端口和C端ロ分別連接寬帶光源I和單模光纖3，B端ロ連接第一分光器4 ;第一光電探測電路6、第二光電探測電路7、第三光電探測電路8分別接收第一分光器4和第二分光器5分出的三束光，并于信號采集卡9、計算機10依次相連。
寬帶光源I發(fā)出的寬帶光經(jīng)過雙向四通道光纖耦合器2到達單模光纖3并在其中傳播，背向斯托克斯散射、背向反斯托克斯散射以及背向瑞利散射被耦合回光纖耦合器2后，由第一分光器4分成兩束光。其中一束光經(jīng)濾波后留下瑞利散射光由第一光電探測電路6接收，另外一束光通過第二分光器5再次被分為兩束，經(jīng)濾波后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，分別由第二光電探測電路7和第三光電探測電路8接收。三路光經(jīng)光電探測電路后轉(zhuǎn)化為電信號，由信號采集卡9采集，之后由計算機10處理并顯示出溫度和距離信息。其中，反斯托克斯光承載了大量溫度信息，所以可以用斯托克斯通道作為參考，通過反斯托克斯光解調(diào)出溫度信息。根據(jù)OTDR (光時域反射)原理知接收光功率為時間的函數(shù)，而光的傳播速度已知，所以可以由時間乘以速度得出距離；瑞利散射為彈性散射，傳播中沒有波長、頻率、能量的改變，所以利用瑞利散射光解調(diào)出位置信息效果最佳。假設(shè)光纖均勻，傳感光線中背向瑞利散射光強公式為
權(quán)利要求
1.一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，其特征在于所述測溫系統(tǒng)包括寬帶光源(I)、雙向四通道光纖I禹合器(2)、單模光纖(3)、第一分光器(4)、第二分光器(5)、第一光電探測電路(6)、第二光電探測電路(7)、第三光電探測電路(8)、信號采集卡(9)和計算機(10);其中雙向四通道光纖耦合器(2)的一個通道作為傳輸通道，傳輸光信號，另三個通道分別作為斯托克斯通道、反斯托克斯通道和瑞利通道，分別耦合回背向斯托克斯散射光、背向反斯托克斯散射光和背向瑞利散射光；寬帶光源(I)的輸出連接至雙向四通道光纖I禹合器(2)的f禹合輸入端口，即A端口 ；雙向四通道光纖I禹合器(2)的傳輸端口，即C端口接至單模光纖(3)，雙向四通道光纖耦合器(2)的耦合輸出端口，即B端口連接第一分光器(4);第一分光器(4)的兩個輸出分別接至第一光電探測電路(6)和第二分光器(5);第二分光器(5 )分出的兩束光分別被第二光電探測電路(7 )和第三光電探測電路(8 )接收；第一光電探測電路(6)、第二光電探測電路(7)和第三光電探測電路(8)均與信號采集卡(9)相連，由信號采集卡(9)采集電信號，最終數(shù)據(jù)傳入計算機(10)解調(diào)得出溫度、位置信息并顯示；寬帶光源(I)發(fā)出的寬帶光到達雙向四通道光纖耦合器(2)，由雙向四通道光纖耦合器(2)的一個通道傳輸光信號經(jīng)過單模光纖(3)并在其中傳播，另外三個通道，即斯托克斯通道、反斯托克斯通道和瑞利通道分別將背向斯托克斯散射光、背向反斯托克斯散射光以及背向瑞利散射光I禹合回雙向四通道光纖I禹合器(2)后由B端口輸出，輸出的光經(jīng)過第一分光器(4)分成兩束光,其中一束光經(jīng)濾波濾掉斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光后留下瑞利散射光，瑞利散射光由第一光電探測電路(6)接收；另外一束光通過第二分光器(5)再次被分為兩束，經(jīng)濾波濾掉瑞利散射光后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光和反斯托克斯光分別由第二光電探測電路(7)和第三光電探測電路(8)接收，上述三路光經(jīng)三個光電探測電路后轉(zhuǎn)化為電信號，由信號采集卡(9)采集，之后由計算機(10)處理，解調(diào)出溫度和位置信息并顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，其特征在于所述第一分光器(4)的分光比為50 50o
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，其特征在于所述第二分光器(5)的分光比為80 20ο
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，其特征在于所述第一光電探測電路(6)、第二光電探測電路(7)和第三光電探測電路(8)采用半導(dǎo)體InGaAs PIN型光電二極管電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，其特征在于所述寬帶光源(I)為ASE寬帶光源，中心波長1550nm，3dB帶寬30nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)，其特征在于所述單模光纖(3)的線路損失系數(shù)為O. 20。
全文摘要
一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)包括寬帶光源，雙向四通道光纖耦合器，單模光纖，第一、第二分光器，第一、第二、第三光電探測電路，信號采集卡，計算機；本發(fā)明主要用于電力電纜、隧道、油管、易燃易爆等場所的實時溫度監(jiān)測，靈敏度高，響應(yīng)速度快，傳輸距離遠，抗電磁干擾能力強。利用斯托克斯通道和反斯托克斯通道解調(diào)溫度信息，利用瑞利通道解調(diào)位置信息；本發(fā)明的溫度分辨率為0.8℃，空間分辨率為1m甚至1m以下，具有較強的實用性。
文檔編號G01K11/32GK102680138SQ20121018758
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者周亞光, 李成貴, 王偉, 王釗, 鞠明江, 魏鵬 申請人:北京航空航天大學(xué), 濰坊五洲浩特電氣有限公司