| WO/2009/144341 | OPTICAL SENSOR FOR STRUCTURAL MONITORING |
| WO/2010/002783 | DISTRIBUTED OPTICAL PRESSURE AND TEMPERATURE SENSORS |
| WO/2004/044530 | FIBER OPTIC SENSING SYSTEM |
张在宣 (中国浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街, Zhejiang 8, 310018, CN)
LI, Chenxia (Road Xiashagaojiaoyuanqu Xueyuan, JiangganHangzhou, Zhejiang 8, 310018, CN)
李晨霞 (中国浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街, Zhejiang 8, 310018, CN)
WANG, Jianfeng (Road Xiashagaojiaoyuanqu Xueyuan, JiangganHangzhou, Zhejiang 8, 310018, CN)
王剑锋 (中国浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街, Zhejiang 8, 310018, CN)
YU, Xiangdong (Road Xiashagaojiaoyuanqu Xueyuan, JiangganHangzhou, Zhejiang 8, 310018, CN)
中国计量学院 (中国浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街, Zhejiang 8, 310018, CN)
ZHANG, Zaixuan (Road Xiashagaojiaoyuanqu Xueyuan, JiangganHangzhou, Zhejiang 8, 310018, CN)
张在宣 (中国浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街, Zhejiang 8, 310018, CN)
LI, Chenxia (Road Xiashagaojiaoyuanqu Xueyuan, JiangganHangzhou, Zhejiang 8, 310018, CN)
李晨霞 (中国浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街, Zhejiang 8, 310018, CN)
WANG, Jianfeng (Road Xiashagaojiaoyuanqu Xueyuan, JiangganHangzhou, Zhejiang 8, 310018, CN)
王剑锋 (中国浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街, Zhejiang 8, 310018, CN)
| 权 利 要 求 书 1.一种色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器， 其特征在于， 它包括由驱动电源 （11 )、 电子开关 （12)、 主激光器 （13 ) 和副激光器 （14 ) 组成的双拉曼位移波长的双光纤脉冲激光器模块、 第一合波器（15 )、 双向耦合 器 （16)、 多模光纤 （17)、 集成型光纤波分复用器 （18)、 第二合波器 （19)、 直接检测系统 （20)、 信号采集处理系统 （21 ) 和显示器 （22) ; 其中， 所述主 激光器 （13 ) 和副激光器 （14 ) 的输出端分别与第一合波器 （15 ) 的输入端相 连， 第一合波器 （15 ) 的输出端与双向耦合器 （16) 的输入端相连， 双向耦合 器 （16) 的输出端与多模光纤 （17 ) 的输入端相连， 多模光纤的背向瑞利散射 和拉曼散射回波通过双向耦合器 （16) 进入集成型光纤波分复用器 （18 ) 的输 入端， 集成型光纤波分复用器 （18 ) 有三个输出端口， 第一个输出端口为拉曼 散射峰的中心波长输出端口， 第二个输出端口为主激光器波长的光纤背向瑞利 散射波输出端口， 第三个输出端口为副激光器波长的光纤背向瑞利散射波输出 端口， 集成型光纤波分复用器 （18 ) 的第一个输出端口与直接检测系统 （20 ) 的一个输入端相连， 集成型光纤波分复用器 （18 ) 的第二个输出端口和第三个 输出端口分别与第二合波器 （19) 的两个输入端相连， 第二合波器 （19) 的输 出端与直接检测系统 （20 ) 的另一个输入端相连， 直接检测系统 （20 ) 的输出 端与信号采集处理系统 （21 ) 的输入端相连， 信号采集处理系统 （21 ) 的输出 端与显示器 （22)相连。 2. 根据权利要求 1所述的色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感 器， 其特征在于， 所述主激光器（13 ) 是中心波长为 980nm、 光谱宽度为 lnm、 激光脉冲宽度为 18ns、 峰值功率为 7W的光纤脉冲激光器； 副激光器（14) 是 中心波长为 905nm、 光谱宽度为 lnm、 激光脉冲宽度为 18ns、 峰值功率为 8W 的光纤脉冲激光器， 主激光器（13 ) 和副激光器（14)通过电子开关 （12) 与 驱动电源 ( 11 )相连。 3. 根据权利要求 1所述的色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器， 其特征在于， 所述集成型光纤波分复用器 （18 ) 的第一输出端口由光纤平行光 路和中心波长为 940nm、 带宽为 15nm、损耗 <0.5dB的滤光片组成， 第二输出端 口由光纤平行光路和中心波长为 980nm、 带宽为 3nm、 损耗<0.5(©的滤光片组 成，第三输出端口由光纤平行光路和中心波长为 905nm、带宽为 3nm、损耗 <0.5dB 的滤光片组成。 1 |
色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传 感器 技术领域
本发明属于光纤传感技术领域， 尤其涉及一种色散与损耗光谱自校正分布 式光纤拉曼温度传感器。
背景技术
近年来，利用光纤拉曼散射光強度受温度调制 的效应和光时域反射（OTDR) 原理研制成分布式光纤拉曼温度传感器， 它可以在线实时预报现场的温度和温 度变化的取向， 在线监测现场温度的变化， 在一定的温度范围设置报警温度， 是一种本质安全型的线型感温探测器， 组成光纤传感网， 已在电力工业、 石化 企业、 大型土木工程和在线灾害监测等领域成功地应 用。
光纤拉曼散射的频移为 13.2THz，因此光纤的反斯托克斯拉曼散射光与 托 克斯拉曼散射光的波长差较大， 由于光纤的色散， 光纤的背向反斯托克斯拉曼 散射光与斯托克斯拉曼散射光在光纤中传播速 度不同， 因此造成光纤反斯托克 斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的时域反 射曲线的 "差步 "或"走散"现象，通 常在分布式光纤拉曼温度传感器中用光纤的背 向斯托克斯拉曼散射光的时域反 射信号来解调反斯托克斯拉曼散射光的时域反 射信号， 获得光纤各段的温度信 息，两个不同波长的光时域反射信号的 "差歩 "或"走散"现象， 降低了系统的空间 分辨率和测温精度， 甚至造成测量错误。 由于各个波段的光纤损耗是不同的， 即光纤损耗存在光谱效应， 在分布式光纤拉曼温度传感器中用反斯托克斯 拉曼 散射光作为测量温度信号通道， 用斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考通道 ， 由于两个通道在不同波段， 测温光纤的损耗不同， 在测温系统中用斯托克斯拉 曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号时， 温度解调曲线出现非线性现象， 而造 成的测温误差， 降低了测温精度。 另一方面在现场使用测温光纤、 光缆， 容易 引起弯曲和受压拉伸造成的由于光纤的非线性 现象造成各个波段的损耗不同， 而且光纤、 光缆产生的弯曲和受压拉伸大小和位置均有随 机性， 难以人为校正， 需要采用自校正的办法。
2007年， Chung E. Lee等提出了一个解决方案， "Methods and Apparatus for Dual Source Calibration for Distributed Temperature Systems"获得了美国专禾 (J (No. US2007/0223556A1 ) , 专利中采用了双光源，通过光纤开关时分交替 的输出同一 波段的主激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散 射波与副激光器的光纤斯托克斯 拉曼散射波， 通过副激光器的光纤斯托克斯拉曼散射波解调 主激光器的光纤背 向反斯托克斯拉曼散射波， 得到光纤各段的温度信息。 这种双程的拉曼散射光 时域反射信号， 虽然回波处于同一波段， 但入射波处于主激光器波长和副激光 器波长两个相隔双拉曼位移的波长， 还无法完全校正光纤色散和光纤损耗光谱 的影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足， 提供一种色散与损耗光谱自校正分 布式光纤拉曼温度传感器， 本发明成本低， 结构简单可靠， 可以自校正光纤的 色散与损耗光谱以及由于在现场使用测温光纤 光缆的弯曲和受压拉伸而造成的 非线性损耗。
本发明的色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉 曼温度传感器， 包括： 由驱 动电源、 电子开关、 主激光器和副激光器组成的双拉曼位移波长的 双光纤脉冲 激光器模块， 第一合波器、 双向耦合器、 多模光纤、 集成型光纤波分复用器、 第二合波器、 直接检测系统、 信号采集处理系统和显示器； 主激光器和副激光 器的输出端分别与第一合波器的输入端相连， 第一合波器的输出端与双向耦合 器的输入端相连， 双向耦合器的输出端与多模光纤的输入端相连 ， 多模光纤的 背向瑞利散射和拉曼散射回波通过双向耦合器 进入集成型光纤波分复用器的输 入端， 集成型光纤波分复用器有三个输出端口， 第一个输出端口为拉曼散射峰 的中心波长输出端口， 第二个输出端口为主激光器波长的光纤背向瑞 利散射波 输出端口， 第三个输出端口为副激光器波长的光纤背向瑞 利散射波输出端口， 集成型光纤波分复用器的第一个输出端口与直 接检测系统的一个输入端相连， 集成型光纤波分复用器的第二个输出端口和第 三个输出端口分别与第二合波器 的两个输入端相连， 第二合波器的输出端与直接检测系统的另一个 输入端相连， 直接检测系统的输出端与信号采集处理系统的 输入端相连， 信号采集处理系统 给出光纤各段的温度值由显示器显示。
上述的双拉曼位移波长的双光纤脉冲激光器模 块中的主激光器可采用中心 波长为 980nm、 光谱宽度为 lnm、 激光脉冲宽度为 18ns、 峰值功率为 7W的光 纤脉冲激光器； 副激光器可采用中心波长为 905nm、 光谱宽度为 lnm、 激光脉 冲宽度为 18ns、 峰值功率为 8W的光纤脉冲激光器， 主激光器和副激光器由电 子开关按设定时间间隔切换轮流工作。
双拉曼位移波长的双光纤脉冲激光器模块中的 主激光器和副激光器也适用 于各波段的拉曼频移相关的双波长，例如： 1660nm与 1450nm， 1064nm与 980nm 等满足拉曼双位移条件。
两个激光器的波长差为双拉曼位移波长差， 由重复频率为 8kHz的驱动电源 同步驱动， 通过电子开关按一定时间间隔 （例如： 10秒）进行切换， 由电子开 关切换的时分双波长光纤脉冲激光通过第一合 波器， 双向耦合器进入测温用多 模光纤， 光纤的背向瑞利散射和拉曼散射回波， 通过双向耦合器进入集成型光 纤波分复用器， 在集成型光纤波分复用器的第一个输出端口与 直接检测系统得 到的是时分的同一主波长波段的主激光器的光 纤背向反斯托克斯拉曼散射波与 副激光器的光纤斯托克斯拉曼散射波光时域反 射信号， 这种双程的光时域反射 信号， 虽然回波处于同一波段， 但入射波处于主激光器波长和副激光器波长两 个相隔双拉曼位移的波长， 无法克服处于不同波段的光纤折射率与损耗光 谱的 影响， 因此需要通过信号采集处理系统扣除单程主激 光器波长和副激光器波长 的光纤瑞利波光时域反射信号。
采用的方法是通过光纤波分复用器的第二个输 出端口与第三个输出端口通 过第二合波器与直接检测系统的另一端相连， 得到的是时分的双程的主激光器 的光纤背向瑞利波光时域反射信号和副激光器 的光纤背向瑞利波光时域反射信 号， 通过信号采集处理系统分别得到两个不同波段 的单程的主激光器和副激光 器波长的光纤背向瑞利波光时域反射信号。 再用信号采集处理系统分别扣除主 激光器的光纤背向反斯托克斯拉曼散射波光时 域反射信号中的单程的主激光器 波长光纤背向瑞利波光时域反射信号和副激光 器波长的光纤背向反斯托克斯拉 曼散射波光时域反射信号中的单程的副激光器 波长光纤背向瑞利波光时域反射 信号得到单程的同一波段主激光器的光纤背向 反斯托克斯拉曼散射波与副激光 器的光纤斯托克斯拉曼散射波光时域反射信号 的强度比， 基于光纤拉曼测温原 理得到光纤各段的温度信息， 实现了色散与损耗光谱的自校正。
色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传 感器的测量原理：
激光与光纤分子的非线性相互作用， 入射光子被一个分子散射成另一个低 频斯托克斯光子或高频反斯托克斯光子， 相应的分子完成两个振动态之间的跃 迁， 放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子， 吸收一个声子称为反斯托克斯 拉曼散射光子， 光纤分子的声子频率为 13.2THz。光纤分子能级上的粒子数热分 布服从波尔兹曼 （Boltzmami) 定律， 反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散 射光的强度比
hcAv
R(TJ ) = exp ( 1 ) kT
其中 ν αΛ ， v,分别是反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉 散射光的频率， h是波朗克 （Planck) 常数， h=6.626 068 76.52 xlO" 34 J.s ( 1998年基本物理常数 数据）， c是光速， Δν是一光纤分子的声子频率为 13.2THz， k是波尔兹曼常数， k=1.380 650324xl0" 2 J " 1 , T是凱尔文（Kelvin)绝对温度， a as 、 ^分别是反斯 托
克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的光 纤损耗系数。
主激光器的单程背向反斯托克斯拉曼光与副激 光器的单程背向斯托克斯拉 曼光强度比为
l 2,S exp- a 2 S ·
其中， 主激光器的单程背向反斯托克斯拉曼光与副激 光器的单程背向斯托 克斯拉曼光处于同一波段， 即 v MS = 2 , s a AS = α 1β ，
( 2 ) 式简化为
若己知测温光纤前面一段光纤的温度 Τ=Τ。，则由已知拉曼光强度比通过 ( 3 ) 式得到测温光
本发明的有益效果在于：
本发明提供的色散与损耗光谱自校正分布式光 纤拉曼温度传感器采用了价 格低廉， 可靠性好的电子开关， 取代光纤开关， 其成本低、 结构简单、 信噪比 好， 可靠性好。 由于主激光器的单程背向反斯托克斯拉曼光与 副激光器的单程 背向斯托克斯拉曼光处于同一波段， 可以自校正光纤的色散与损耗光谱， 以及 光纤、 光缆产生的弯曲和受压拉伸而造成的随机损耗 ， 克服了测温系统中用斯 托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号 通道时偏离线性而造成的测温误 差。 本发明采用由电子开关控制双拉曼位移波长两 个光源， 集成型波分复用器 和直接检测系统， 提高了分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的 信噪比、 可靠 性和空间分辨率;铺设在监测现场的测温光纤 绝缘的，不带电的，抗电磁干扰， 耐辐射， 耐腐蚀的， 是本质安全型的， 光纤既是传输介质又是传感介质， 是本 征型的测温光纤， 并具有 30年以上的長寿命。
附图说明
图 1是色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温 传感器的示意图； 图中， 驱动电源 11、 电子开关 12、 主激光器 13和副激光器 14、 第一合波 器 15、 双向耦合器 16、 多模光纤 17、 集成型光纤波分复用器 18、 第二合波器
19、 直接检测系统 20、 信号采集处理系统 21、 显示器 22。
具体实施方式 参照图 1，色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温 传感器包括由驱动电 源 11、 电子开关 12、 主激光器 13和副激光器 14组成的双拉曼位移波长的双光 纤脉冲激光器模块、第一合波器 15、 双向耦合器 16、 多模光纤 17、集成型光纤 波分复用器 18、 第二合波器 19、 直接检测系统 20、 信号釆集处理系统 21和显 示器 22。主激光器 13和副激光器 14的输出端分别与第一合波器 15的输入端相 连， 第一合波器 15的输出端与双向耦合器 16的输入端相连， 双向耦合器 16的 输出端与多模光纤 17的输入端相连， 多模光纤的背向瑞利散射和拉曼散射回波 通过双向耦合器 16进入集成型光纤波分复用器 18的输入端， 集成型光纤波分 复用器 18有三个输出端口，第一个输出端口为拉曼散 峰的中心波长输出端口， 第二个输出端口为主激光器波长的光纤背向瑞 利散射波输出端口， 第三个输出 端口为副激光器波长的光纤背向瑞利散射波输 出端口， 集成型光纤波分复用器 18的第一个输出端口与直接检测系统 20的一个输入端相连，集成型光纤波分复 用器 18的第二个输出端口和第三个输出端口分别与 二合波器 19的两个输入 端相连， 第二合波器 19的输出端与直接检测系统 20的另一个输入端相连， 直 接检测系统 20的输出端与信号采集处理系统 21的输入端相连， 通过信号采集 处理系统 21处理后单程的主激光器的光纤背向反斯托克 拉曼散射波与副激光 器的光纤斯托克斯拉曼散射波 （处于同一个波长段） 的强度比， 得到光纤各段 的温度信息， 由显示器 22显示。
上述的集成型光纤波分复用器 18的第一输出端口由光纤平行光路和中心波 长为 940nm、 带宽为 15nm、 损耗 <0.5dB 的滤光片组成， 分时输出同一波段的 980nm主激光器反斯托克斯拉曼散射光 （940nm) 和 905nm副激光器斯托克斯 拉曼散射光（940nm)信号。第二输出端口由光纤 平行光路和中心波长为 980nm、 带宽为 3nm、 损耗 <0.5dB的滤光片组成， 第三输出端口由光纤平行光路和中心 波长为 905nm、 带宽为 3nm、 损耗 <0.5dB的滤光片组成。 它的第二输出端口与 第三输出端口通过第二合波器 19， 分时输出主激器和副激光器的光纤瑞利散射 光时域反射信号。
直接检测系统 20由两个光纤光电接收放大模块构成， 它是由带光纤的低噪 音硅光电雪崩二极管和低噪音 MAX4107前置放大器和主放大器组成。
信号采集处理系统 21可采用美国 NI公司的双通道 100MHz带宽， 100MS/s 釆集率的 NI5911型信号处理卡， 或采用加拿大 GaGe公司双通道 500MS/S 采集率的 CS21GB-1GHZ型信号处理卡。