本發(fā)明屬于光纖測量領(lǐng)域，特別涉及一種分布式多通道光纖拉曼超低溫測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)70年代，隨著光纖技術(shù)的不斷成熟和光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也迅速發(fā)展起來，是一種新型的傳感技術(shù)。在光纖通訊系統(tǒng)中，光纖作為遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的媒介，人們發(fā)現(xiàn)光纖通信的質(zhì)量易受外部環(huán)境的干擾，其中一個原因是在光纖中傳輸?shù)墓獠▽ν饨缫蛩氐淖儞Q十分敏感，如壓力、溫度、氣體濃度等外界環(huán)境因素參量的變化將引起光纖中光波參量信息(如相位、頻率、光強(qiáng)、偏振態(tài)等)的變化。人們通過這一現(xiàn)象提出了光纖傳感的概念，即測出在光纖中傳播的光波參量信息的變化量，就能求出導(dǎo)致光波參量信息發(fā)生變化的外界環(huán)境的壓力、溫度、磁場、電場、氣體濃度等物理、化學(xué)參量的變化。
分布式光纖測量技術(shù)，是利用光纖本身作為傳感器來測量光纖沿線幾公里甚至幾十公里的連續(xù)空間位置的溫度場分布情況，為大范圍、復(fù)雜幾何空間的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)電磁場、高壓大電流、易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性和高溫、真空低溫等特殊環(huán)境的溫度場測量與控制，提供了良好的可行手段。在眾多的分布式光纖測溫技術(shù)中，基于背向拉曼散射原理的分布式光纖測溫技術(shù)，由于其拉曼散射信號只對溫度靈敏，不存在串?dāng)_問題，適合于只需監(jiān)測溫度分布的場合，并且通過對傳感系統(tǒng)進(jìn)行合理的布置，也可以作為其他類型傳感器的溫度補(bǔ)償，具有重要研究價(jià)值。
模擬太空環(huán)境的真空低溫罐設(shè)備是航天領(lǐng)域的重要試驗(yàn)設(shè)備，對其內(nèi)部溫度分布情況的測量很重要，傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)”式的測量，且系統(tǒng)組網(wǎng)困難，無法測出整個罐內(nèi)的溫度分布情況，急需一種實(shí)用的分布式測溫手段對罐內(nèi)的溫度分布情況進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。另外由于傳統(tǒng)電類傳感器系統(tǒng)不抗電磁干擾，在電磁干擾情況下(如衛(wèi)星天線開機(jī)工作)無法正常采集信息，而光纖傳感系統(tǒng)抗電磁干擾，能夠在電磁干擾的環(huán)境中正常采集信息。
現(xiàn)有的分布式光纖拉曼溫度傳感器如中國專利cn200910102201.1“拉曼相關(guān)雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器”只可以單通道測溫，測溫范圍小，且不可用于超低溫測量環(huán)境。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種分布式多通道光纖拉曼超低溫測量系統(tǒng)，具有安全可靠、耐候性好、適用范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種分布式多通道光纖拉曼超低溫測量系統(tǒng)，包括：激光脈沖光源1、光纖波分復(fù)用器2、1*4光開關(guān)3、多模光纖4、光電探測器模塊5、信號采集卡6和計(jì)算機(jī)7；其中光纖波分復(fù)用器2中的一個通道作為傳輸通道，傳輸光信號，另兩個通道分別作為斯托克斯通道與反斯托克斯通道，分別輸出背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光；激光脈沖光源1的輸出連接至光纖波分復(fù)用器2的傳輸通道輸入端口，即a端口；光纖波分復(fù)用器2的傳輸通道輸出端口，即b端口連接至1*4光開關(guān)3的輸入端，即e端口；光纖波分復(fù)用器2的斯托克斯通道與反斯托克斯通道，即c端口，d端口分別與光電探測器模塊5的兩個輸入端口相連，即j端口，k端口；1*4光開關(guān)3的四個輸出端口，即f端口，g端口，h端口，i端口，分別都連接上多模光纖4，從而構(gòu)成多通道輸出；光電探測器模塊5的兩個輸出端口，即l端口，m端口，分別與信號采集卡6相連，信號采集卡6輸出連接至計(jì)算機(jī)7；激光脈沖光源1發(fā)出的脈沖激光到達(dá)光纖波分復(fù)用器2，由光纖波分復(fù)用器2的一個通道傳輸光信號至1*4光開關(guān)3，1*4光開關(guān)3把光信號擴(kuò)展為4個通道經(jīng)多模光纖傳輸，由光纖波分復(fù)用器2的斯托克斯通道和反斯托克斯通道將背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光輸出，得到的斯托克斯和反斯托克斯光被光電探測器模塊5接收，光電探測器模塊5把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由信號采集卡6進(jìn)行采集得到的電信號，最后經(jīng)過運(yùn)算分析得到四個通道光纖上各點(diǎn)溫度信息，在計(jì)算機(jī)7上顯示。
進(jìn)一步的，所述1*4光開關(guān)3為多模機(jī)械式光開關(guān)。
進(jìn)一步的，所述激光脈沖光源1為hms高速脈沖光源，中心波長1550nm，3db帶寬0.3nm。
進(jìn)一步的，所述光纖波分復(fù)用器2中心波長為1450nm，1550nm，1660nm。
進(jìn)一步的，所述多模光纖4的涂層材料為丙烯酸鹽，保護(hù)層材料為聚四氟乙烯。
進(jìn)一步的，所述光電探測器模塊5為波長1550nm的銦砷化鎵ingaas-apd。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
(1)現(xiàn)有的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)大多受限于測量范圍，而本發(fā)明可以在原來的基礎(chǔ)上利用光開關(guān)擴(kuò)展輸出通道，從而使測量范圍擴(kuò)大，且無需增加光中繼放大器，本發(fā)明可用于同時測量多路輸配電系統(tǒng)、油井勘探、瓦斯管線系統(tǒng)等的溫度監(jiān)測，具有適用范圍廣、探測距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
(2)現(xiàn)有的分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)所使用的多模光纖的測溫范圍為-50～85℃，而在本發(fā)明中多模光纖的涂覆層材料選為丙烯酸鹽，保護(hù)層材料為聚四氟乙烯，測溫范圍擴(kuò)展為-196～260℃，從而使分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)可以應(yīng)用到更多的特殊環(huán)境中，如真空超低溫罐。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的分布式多通道光纖拉曼超低溫測量系統(tǒng)原理圖；
圖中：1為激光脈沖光源，2為光纖波分復(fù)用器，3為1*4光開關(guān)，4為多模光纖，5為光電探測器模塊，6為信號采集卡，7為計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明分布式多通道光纖拉曼超低溫測量系統(tǒng)，包括：激光脈沖光源1、光纖波分復(fù)用器2、1*4光開關(guān)3、多模光纖4、光電探測器模塊5、信號采集卡6和計(jì)算機(jī)7；其中光纖波分復(fù)用器2的a端口和b端口分別連接激光脈沖光源1和1*4光開關(guān)3的e端口，c端口和d端口連接光電探測器模塊5的j端口和k端口；1*4光開關(guān)3的f端口，g端口，h端口，i端口依次連接多模光纖4；光電探測器模塊5后還有信號采集卡6及計(jì)算機(jī)7依次連接。
激光脈沖光源1發(fā)出的脈沖激光經(jīng)過光纖波分復(fù)用器2傳輸光信號至1*4光開關(guān)3，1*4光開關(guān)3把光信號擴(kuò)展為4個通道經(jīng)多模光纖傳輸，由光纖波分復(fù)用器2的斯托克斯通道和反斯托克斯通道將背向斯托克斯散射光和背向反斯托克斯散射光輸出，得到的斯托克斯和反斯托克斯光被光電探測器模塊5接收，光電探測器模塊5把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由信號采集卡6進(jìn)行采集得到的電信號，最后經(jīng)過運(yùn)算分析得到四個通道光纖上各點(diǎn)溫度信息，在計(jì)算機(jī)7上顯示。
有拉曼散射原理可知，在距離傳感光纖入射端z(m)的位置發(fā)生拉曼散射現(xiàn)象，返回到傳感光纖入射端的背向反斯托克斯散射光強(qiáng)ias和斯托克斯散射光強(qiáng)is公式為：
式中i0為入射光的光強(qiáng)，kas和ks分別為anti-stokes拉曼散射光和stokes拉曼散射光的散射截面系數(shù)，s為光纖的背向散射因子，vas和vs分別為anti-stokes拉曼散射光和stokes拉曼散射光的頻率，a0(x)為入射光在光纖中傳播時的衰減系數(shù)，aas和as分別為anti-stokes拉曼散射光和stokes拉曼散射光在傳感光纖中傳播的衰減系數(shù)，ras(t)和rs(t)分別為anti-stokes拉曼散射光和stokes拉曼散射光光強(qiáng)比系數(shù)，與溫度t有關(guān)，其表達(dá)式如下：
式中溫度t的單位為開爾文k,取planck(普朗克)常量h＝6.63×10-34(j·s),boltzmann(玻爾茲曼)常量k＝1.38×10-23(j/k),拉曼散射光的頻率漂移量為：δv＝13.2×1012（hz)。
通過計(jì)算拉曼散射的反斯托克斯光與斯托克斯光強(qiáng)度之比來解調(diào)溫度，即將式(1)與式(2)取比值，并將式(3)和式(4)帶入結(jié)果中，可以得到下式：
兩邊取對數(shù)后得：
令
通過標(biāo)定得到式(7)中的c,,δa(x)和r三個參數(shù)的值便可解調(diào)出溫度值。
所述1*4光開關(guān)3為多模機(jī)械式光開關(guān)，其工作波長為1550nm；光纖類型為芯徑62.5/125um的多模光纖；接頭形式為fc/apc接頭；插入損耗≤1.0db；與計(jì)算機(jī)之間采用rs232接口進(jìn)行通信。
所述激光脈沖光源1為hms高速脈沖光源，其中激光脈沖中心波長的選取以提高系統(tǒng)的信噪比為目的，由于系統(tǒng)的光電探測器模塊選用的材料是ingaas，ingaas的敏感波長范圍是1000nm～1700nm，并且采用中心波長為1550nm的相關(guān)光學(xué)器件較多，性能較好，并且該波長的光在光線中的傳輸損耗低，傳輸距離遠(yuǎn)，所以選用中心波長1550nm，3db帶寬0.3nm。
所述光纖波分復(fù)用器2的分光功能是基于薄膜濾波技術(shù)，所選用的光纖波分復(fù)用器是ramanwdmmodule,其中心波長為1450nm，1550nm，1660nm；它的優(yōu)點(diǎn)有偏振相關(guān)損耗低、信道隔離度高(stokes/anti-stokes>40db)、可靠性高。
所述多模光纖4既是傳感器部分，又是傳輸信號的通道，它的參數(shù)選定極為重要；光纖是石英玻璃材料，在1000℃以下的傳光特性都比較穩(wěn)定，因此傳感光纖的測溫范圍主要由傳感光纖的光學(xué)涂層和保護(hù)層材料的耐溫性能決定；這里涂層材料為丙烯酸鹽，可工作范圍是-50～85℃；為了保證在超低溫環(huán)境中傳感光纖能夠正常傳輸檢測信號，并能夠準(zhǔn)確測出溫度信息，需要選用耐低溫、傳輸信號強(qiáng)的傳感光纖，鐵氟龍(聚四氟乙烯)材料長期工作溫度下限可以達(dá)到-196℃，高溫可達(dá)260℃，另外多模光纖內(nèi)的散射光信號強(qiáng)度比單模光纖強(qiáng)很多，其抗彎曲性能也比單模光纖好，因此選用鐵氟龍保護(hù)材料的多模光纖進(jìn)行試驗(yàn)。
所述光電探測器模塊5可以把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，是整個系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的組成部分，直接影響系統(tǒng)性能高低。本發(fā)明的傳感系統(tǒng)，光信號從激光脈沖光源射出經(jīng)過一系列器件到達(dá)光電探測器，光功率損耗比較大，入射到光電探測器的光功率通常及其微弱。本發(fā)明實(shí)例中用半導(dǎo)體ingaaspin雪崩光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小、光電轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好等。
盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。