專利名稱：一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)，屬于光纖測(cè)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(diǎn)移動(dòng)式或由多個(gè)單點(diǎn)組成的準(zhǔn)分布式測(cè)量方式存在難于安裝、難于布線、難于維護(hù)等缺點(diǎn)，這種監(jiān)測(cè)方法只檢測(cè)探頭接觸點(diǎn)，測(cè)溫范圍較小；傳統(tǒng)的檢測(cè)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(hào)，其本身也是傳感器，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，可大大降低獲取信息的成本，分布式測(cè)溫檢測(cè)范圍較大，不受電磁干擾，系統(tǒng)簡(jiǎn)單安全。分布式光纖溫度傳感器已成了目前世界上最先進(jìn)、最有效的連續(xù)分布溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電力裝置的溫度監(jiān)測(cè)、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(chǎng)所的溫度監(jiān)控和火情監(jiān)測(cè)、地下探測(cè)等等。現(xiàn)有的拉曼測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，測(cè)量精度不高。例如在對(duì)電纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，電纜某點(diǎn)出現(xiàn)故障局部溫度升高，不能快速準(zhǔn)確定位溫度和位置。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)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(cè)溫系統(tǒng)，可以有效監(jiān)測(cè)，快速準(zhǔn)確地定位和測(cè)量溫度。本實(shí)用新型技術(shù)解決方案一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測(cè)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(cè)電路6、第二光電探測(cè)電路7、第三光電探測(cè)電路8、信號(hào)采集卡9和計(jì)算機(jī)10 ;其中雙向四通道光纖耦合器2的一個(gè)通道作為傳輸通道，傳輸光信號(hào)，另三個(gè)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的耦合輸入端口，即A端口 ；雙向四通道光纖耦合器2的傳輸端口，即C端口接至單模光纖3，雙向四通道光纖I禹合器2的I禹合輸出端口，即B端口連接第一分光器4 ;第一分光器4的兩個(gè)輸出分別接至第一光電探測(cè)電路6和第二分光器5 ;第二分光器5的輸出分別接至第二光電探測(cè)電路7和第三光電探測(cè)電路8 ;第一光電探測(cè)電路6、第二光電探測(cè)電路7和第三光電探測(cè)電路8均與信號(hào)采集卡9相連，信號(hào)采集卡9輸出連接至計(jì)算機(jī)10。寬帶光源I發(fā)出的寬帶光到達(dá)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(gè)通道傳輸光信號(hào)經(jīng)過(guò)單模光纖3并在其中傳播，另外三個(gè)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端口輸出，輸出的光經(jīng)過(guò)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(cè)電路6接收；另外一束光通過(guò)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(cè)電路7和第三光電探測(cè)電路8接收，上述三路光經(jīng)三個(gè)光電探測(cè)電路后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由信號(hào)采集卡9采集，之后由計(jì)算機(jī)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 50o背向拉曼散射光到達(dá)第一分光器4后分出強(qiáng)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(lái)作對(duì)比以消除系統(tǒng)的不良影響。所述第一光電探測(cè)電路6、第二光電探測(cè)電路7和第三光電探測(cè)電路8采用半導(dǎo)體InGaAs PIN型光電二極管電路。所述寬帶光源I為ASE寬帶光源，中心波長(zhǎng)1550nm，3dB帶寬30nm。所述單模光纖3的線路損失系數(shù)為O. 20。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于(I)本實(shí)用新型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(cè)，快速準(zhǔn)確的將故障點(diǎn)鎖定在較小的范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)溫度，工作人員及時(shí)解決問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。(2)本實(shí)用新型的溫度分辨率可達(dá)O. 8°C，空間分辨率為Im甚至Im以下，提高了系統(tǒng)的效率，可用于電力電纜、隧道、油管、易燃易爆等場(chǎng)所的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，采用彈性散射的瑞利散射解調(diào)位置信息，可以達(dá)到靈敏度高；采用高速信號(hào)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(hào)使其傳輸距離更遠(yuǎn)，抗電磁干擾能力強(qiáng)是光纖傳感器優(yōu)勢(shì)于普通電傳感器的自身屬性。

圖I為本實(shí)用新型的雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)的原理圖；圖中1、寬帶光源,2、雙向四通道光纖f禹合器,3、單模光纖,4、第一分光器,5、第二分光器，6、第一光電探測(cè)電路,7、第二光電探測(cè)電路,8、第三光電探測(cè)電路,9、信號(hào)米集卡，10、計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行描述，以便更好地理解本實(shí)用新型。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)采用已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本實(shí)用新型的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。如圖I所示，本實(shí)用新型所述的雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測(cè)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(cè)電路6、第二光電探測(cè)電路7、第三光電探測(cè)電路8、信號(hào)采集卡9和計(jì)算機(jī)10 ;其中，第一光纖耦合器2的A端口和C端口分別連接寬帶光源I和單模光纖3，B端口連接第一分光器4;第一光電探測(cè)電路6、第二光電探測(cè)電路7、第三光電探測(cè)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(hào)采集卡9、計(jì)算機(jī)10依次相連。寬帶光源I發(fā)出的寬帶光經(jīng)過(guò)雙向四通道光纖耦合器2到達(dá)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(cè)電路6接收，另外一束光通過(guò)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(cè)電路7和第三光電探測(cè)電路8接收。三路光經(jīng)光電探測(cè)電路后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由信號(hào)采集卡9采集，之后由計(jì)算機(jī)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(guò)反斯托克斯光解調(diào)出溫度信息。根據(jù)OTDR (光時(shí)域反射)原理知接收光功率為時(shí)間的函數(shù)，而光的傳播速度已知，所以可以由時(shí)間乘以速度得出距離；瑞利散射為彈性散射，傳播中沒(méi)有波長(zhǎng)、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(qiáng)公式為
p(t) = (f·) W P [- (I)式(I)中C'為光纖中的相對(duì)光速，Ev為注入光脈沖能量，s(t)為背向散射因子，a (t)為瑞利散射系數(shù)。由公式(I)可知瑞利散射光強(qiáng)P為時(shí)間t的函數(shù)，而光的傳播速度C1已知,所以容易得出距離L = C' Xt0由拉曼散射原理可知，斯托克斯散射光強(qiáng)和反斯托克斯散射光強(qiáng)公式為
^ = ^^[1 + —|φρ](2)
= (i)(2)、(3)兩式中Atl為常量，入s和λ μ分別是斯托克斯光和反斯托克斯光的波長(zhǎng)，Λ V為頻移，h為普朗克常量，k為玻爾茲曼常量，c為光速。(2)、(3)兩式相比可得
嗎一 Hf)(句R(T)為反斯托克斯光光強(qiáng)與斯托克斯光光強(qiáng)之比。由(4)式可以看出通過(guò)測(cè)定R(T)可以計(jì)算出沿傳感光纖的溫度信息。寬帶光源I出射光到達(dá)雙向四通道光纖耦合器2并且由一個(gè)通道傳播光信息；另外三個(gè)通道分別耦合回背向瑞利散射光、背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光。第一分光器4分光比為50 :50，將背向散射光分成強(qiáng)度相等的兩束光。其中一束濾掉斯托克斯和反斯托克斯光后得到瑞利散射光；另一束光濾掉瑞利散射光后射入第二分光器5，其分光比為80 20,80%的光經(jīng)濾波后得到反斯托克斯光，20%的光經(jīng)濾波后得到斯托克斯光。[0035]第一光電探測(cè)電路6、第二光電探測(cè)電路7、第三光電探測(cè)電路8將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)性能高低起了關(guān)鍵作用。本實(shí)用新型實(shí)施例所述的傳感系統(tǒng)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列傳輸后到達(dá)光電探測(cè)電路后損耗較大，所以要求高精度的光電轉(zhuǎn)化。本實(shí)用新型實(shí)施例中用半導(dǎo)體InGaAs PIN光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，它具有偏置電壓低、頻率響應(yīng)高、光譜響應(yīng)寬、光電轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型實(shí)例中用到的三個(gè)光電轉(zhuǎn)化電路完全一樣。盡管上面對(duì)本實(shí)用新型說(shuō)明性的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本實(shí)用新型，但應(yīng)該清楚，本實(shí)用新型不限于具體實(shí)施方式
的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本實(shí)用新型構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求1.一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)，其特征在于所述測(cè)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(cè)電路(6)、第二光電探測(cè)電路(7)、第三光電探測(cè)電路(8)、信號(hào)采集卡(9)和計(jì)算機(jī)(10);其中雙向四通道光纖耦合器(2)的一個(gè)通道作為傳輸通道，傳輸光信號(hào)，另三個(gè)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I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(gè)輸出分別接至第一光電探測(cè)電路(6)和第二分光器(5);第二分光器(5)的輸出分別接至第二光電探測(cè)電路(7)和第三光電探測(cè)電路(8);第一光電探測(cè)電路(6)、第二光電探測(cè)電路(7)和第三光電探測(cè)電路(8)均與信號(hào)采集卡(9)相連，信號(hào)采集卡(9)輸出連接至計(jì)算機(jī)(10)。
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(cè)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(cè)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(cè)溫系統(tǒng)，其特征在于所述第一光電探測(cè)電路(6)、第二光電探測(cè)電路(7)和第三光電探測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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。
專利摘要一種雙向四通道耦合的分布式光纖拉曼測(cè)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(cè)電路，信號(hào)采集卡，計(jì)算機(jī)；本實(shí)用新型主要用于電力電纜、隧道、油管、易燃易爆等場(chǎng)所的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，靈敏度高，響應(yīng)速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，抗電磁干擾能力強(qiáng)。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；本實(shí)用新型的溫度分辨率為0.8℃，空間分辨率為1m甚至1m以下，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
文檔編號(hào)G01K11/32GK202631155SQ20122026890
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者魏鵬, 鞠明江, 王偉, 周亞光, 王釗, 李成貴 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué), 濰坊五洲浩特電氣有限公司