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, Jianggan DistrictHangzhou, 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)
JIN, Shangzhong (Road Xiashagaojiaoyuanqu Xueyuan, Jianggan DistrictHangzhou, Zhejiang 8, 310018, CN)
金尚忠 (中国浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街, 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, Jianggan DistrictHangzhou, 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, Jianggan DistrictHangzhou, 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)
JIN, Shangzhong (Road Xiashagaojiaoyuanqu Xueyuan, Jianggan DistrictHangzhou, Zhejiang 8, 310018, CN)
| 权 利 要 求 书 1.一种分布式光纤拉曼、 布里渊散射传感器， 其特征在于， 它包括半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器 （11)、 半导体外腔窄带连续光纤激光器 （12)、 分波 器 （13)、 电光调制器 （14)、 单向器 （15)、 掺餌光纤放大器 （16)、 双向耦合 器 （17)、 集成波分复用器 （19)、 第一光电接收放大模块 （20)、 第二光电接收 放大模块（21)、 直接检测系统（22)、 窄带的透射光纤光栅（23)、 环行器（24) 和相干检测系统 （25); 其中， 所述半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器 （11) 的 输出端与掺餌光纤放大器 （16) 的一个输入端相连， 半导体外腔窄带连续光纤 激光器 （12) 的输出端与分波器 （13) 的输入端相连， 分波器 （13) 的一个输 出端依次连接电光调制器 （14)、 单向器 （15) 和掺餌光纤放大器 （16) 的另一 个输入端， 掺餌光纤放大器 （16) 的输出端与双向耦合器 （17) 的输入端相连， 双向耦合器 （17) 的一个输出端与单模光纤 （18) 相连， 双向耦合器 （17) 的 另一个输出端与集成波分复用器 （19) 的输入端相连， 集成波分复用器 （19) 的两个输出端口分别通过第一光电接收放大模块 （20) 和第二光电接收放大模 块 （21) 与直接检测系统 （22) 相连， 集成波分复用器 （19) 的第三个输出端 口经窄带的透射光纤光栅（23)与环行器（24)的一个输入端相连， 环行器（24) 的另一个输入端与分波器 （13) 的另一个输出端相连， 环行器 （24) 的输出端 与相干检测系统 （25) 相连。 2. 根据权利要求 1所述的分布式光纤拉曼、 布里渊散射传感器， 其特征在 于， 所述半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器（11) 的脉冲宽度小于 30ns， 波长为 1550 3. 根据权利要求 1所述的分布式光纤拉曼、 布里渊散射传感器， 其特征在 于， 所述半导体外腔窄带连续光纤激光器 （12) 的光谱寬度为 10MHz, 波长为 1555nm 4. 根据权利要求 1所述的分布式光纤拉曼、 布里渊散射传感器， 其特征在 于， 所述集成波分复用器由两对光纤耦合器、 自聚焦透镜平行光路以及中心波 长 1450nm、 光谱带宽 38nm、损耗 <0.3dB的滤光片和中心波长 1660nm、 光谱带 宽 40nm、 损耗 <0.3dB的滤光片组成， 集成波分复用器具有四个端口， 一个输入 端口， 三个输出端口， 第一输出端口是 1450nm端口， 为光纤反斯托克斯拉曼散 射光输出口，第二输出端口是 1660nm端口，为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口， 第三输出端口是 1550nm端口， 为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。 5. 根据权利要求 1所述的分布式光纤拉曼、 布里渊散射传感器， 其特征在 于，所述窄带的透射光纤光栅（23 )是中心波长为 1555.08nm，光谱带宽为 O.lnm, 损耗 <0.3dB， 隔离度 >35dB的光纤光栅。 |
分布式光纤拉曼、 布里渊散射传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域， 尤其涉及一种分布式光纤拉曼、 布里渊散 射传感器。
背景技术
在分布式光纤传感器领域， 有分布式光纤拉曼散射光子温度传感器和分布 式布里渊散射光子传感器。 中国专利 CN101324424采用探测和泵浦光源， 由光 纤拉曼放大器取代传统的光纤布里渊放大器， 得到背向光纤受激布里渊散射
( SBS ) 线， 通过测量 SBS线的频移得到应变信息， 但光纤拉曼放大器的价格 昂贵， 成本高。英国南安普敦大学 Newson研究团队采用窄带激光光源利用光纤 的背向自发反斯托克斯拉曼散射测温并用自发 光纤布里渊散射效应来测量应 变， 但由于光纤布里渊散射的光谱带寬很窄， 因此， 测量温度和应变的精度低
( M.N.Allahbabi, Y.T.Cho and T.P.Newson ， Simulataneous Distributed Measurements of Temperature and Strain using Spontaneous Raman and Brillouin Scattering, Optics Letters, 2005, 1 June,p.1276-1278 中国专利 CN101162158适 用于超远程光纤温度和应变的测量， 但系统中嵌入了光纤拉曼放大器， 容易产 生光纤非线性效应的相互干扰， 而且光纤拉曼放大器的价格昂贵， 成本高。 发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足， 提供一种分布式光纤拉曼、 布里渊 散射传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 一种分布式光纤拉曼、 布里 渊散射传感器， 包括： 半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器、 半导体外腔窄带连续 光纤激光器、 分波器、 电光调制器、 单向器、 掺餌光纤放大器、 双向耦合器、 集成波分复用器、 两个光电接收放大模块、 直接检测系统、 窄带的透射光纤光 栅、 环行器和相干检测系统， 半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器的输出端与掺餌 光纤放大器的一个输入端相连， 半导体外腔窄带连续光纤激光器的输出端与分 波器的输入端相连， 分波器的一个输出端依次连接电光调制器、 单向器和掺餌 光纤放大器的另一个输入端， 掺餌光纤放大器的输出端与双向耦合器的输入 端 相连， 双向耦合器的一个输出端与单模光纤相连， 双向耦合器的另一个输出端 与集成波分复用器的输入端相连， 集成波分复用器的两个输出端口分别经第一、 第二光电接收放大模块与直接检测系统相连， 集成波分复用器的第三个输出端 口经窄带的透射光纤光栅与环行器的一个输入 端相连， 环行器的另一个输入端 与分波器的另一个输出端相连， 环行器的输出端与相干检测系统相连。
上述的半导体 FP 腔脉冲宽带光纤激光器的脉冲宽度小于 30ns， 波长为 1550nm。半导体外腔窄带连续光纤激光器的光谱 寬度为 10MHz,波长为 1555nm。 两个光源处于不同波段， 实现了波分复用。
上述的集成波分复用器由两对光纤耦合器、 自聚焦透镜平行光路以及中心 波长 1450nm、 光谱带宽 38nm、 损耗<0.3(18的滤光片和中心波长 1660nm、 光谱 带宽 40nm、 损耗<0.3(18的滤光片组成， 集成波分复用器具有四个端口， 一个输 入端口， 三个输出端口， 第一输出端口是 1450nm端口， 为光纤反斯托克斯拉曼 散射光输出口，第二输出端口是 1660nm端口， 为光纤斯托克斯拉曼散射光输出 口， 第三输出端口是 1550nm端口， 为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。
上述的窄带的透射光纤光栅是中心波长为 1555.08nm， 光谱带宽为 O. lnm, 损耗 <0.3dB， 隔离度 >35dB的光纤光栅。
本发明的分布式拉曼、 布里渊散光纤传感器是基于光纤非线性光学散 射的 融合原理和波分复用原理， 利用背向光纤自发反斯托克斯和斯托克斯拉曼 散射 光强度比来测光纤温度； 背向光纤自发布里渊散射光的频移测量光纤所 受的应 变， 实现温度和应变的同时测量， 提高系统的信噪比， 改善测量精度。
半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器产生的激光经掺餌光 放大器和双向耦合 器进入单模光纤， 单模光纤的背向拉曼散射光经双向耦合器输入 集成波分复用 器， 集成波分复用器的第一、 第二输出端口输出的反斯托克斯和斯托克斯自 发 拉曼散射光分别经第一、 第二光电接收放大模块进入直接检测系统， 直接检测 系统对输入信号进行处理， 由反斯托克斯和斯托克斯自发拉曼散射光的比 值， 给出光纤各段的温度信息。 半导体外腔窄带连续光纤激光器输出的连续激 光经 分波器， 通过电光调制器调制成 30ns脉冲激光， 再经单向器、 掺餌光纤放大器 和双向耦合器进入单模光纤， 光纤的背向布里渊散射光依次经双向耦合器、 集 成波分复用器的第三输出端口、 窄带的透射光纤光栅进入环行器， 与进入环行 器的来自分波器的本地激光共同输入相干检测 系统， 利用相干检测系统测量光 纤布里渊散射光的频移， 得到光纤各段的应变与温度的信息。
光纤拉曼散射的测温原理： 反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光 的强度比 / (T):
其中 、 是经光电转换后的电平值， v a ， V,分别是反斯托克斯拉曼散射光 子与斯托克斯拉曼散射光子的频率， h是波朗克（Planck)常数， h=6.626 068 76.52 xl(T 34 J.s ( 1998年基本物理常数数据）， Δν是一光纤分子的声子频率为 13.2ΤΗζ， k是波尔兹曼常数， k=1.380 650324xl0— 23 JK— 是凱尔文 （Kelvin) 绝对温度。 由两者的强度比， 得到光纤各段的温度信息。
光纤布里渊散射的测量应变、 温度原理： 在光纤中， 入射光纤的激光与光 纤中声波的非线性相互作用， 光波通过电致伸缩产生声波， 引起光纤折射率的 周期性调制形成空间折射率光栅， 产生频率下移的布里渊散射光， 在光纤中产 生的背向布里渊散射的频移 v B 为：
ν 5 =2ην/λ (2) 其中 η 为入射光波长 λ处的折射率， V 为光纤中声速， 对石英光纤， 在 λ=1550ηηι附近， ^约为 llGHz。
在光纤中的布里渊散射光频移 v B 具有应变和温度效应
C Ss + C, T ST (4) 其中频移的应变系数 C 和温度系数 C vT 为
C vs = 0.0482 ± 0.004MHz/ ^，C = 1.10 ± 0.02MHz / 。 通过测量光纤背向布里渊散射线的频移得到光 纤上各段的应变量。
本发明的有益效果是， 本发明基于光纤非线性光学散射融合原理和波 分复 用原理， 采用两个激光光源， 其中， 半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器利用光纤 自发拉曼散射強度比测温， 另一个半导体外腔窄带连续光纤激光器利用光 纤自 发布里渊散射线的频移测应变， 增加了系统的信噪比， 在空间实现在线温度和 应变的同时测量并改善了测量精度。
附图说明
图 1是分布式光纤拉曼、 布里渊散射传感器的结构示意图；
图中，半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器 11、半导体外腔窄带连续光纤激光 器 12、 分波器 13、 电光调制器 14、 单向器 15、 掺餌光纤放大器 16、 双向耦合 器 17、 集成波分复用器 19、 第一光电接收放大模块 20、 第二光电接收放大模块 21、 直接检测系统 22、 窄带的透射光纤光栅 23、 环行器 24、 相干检测系统 25。 具体实施方式
参照图 1， 本发明的分布式光纤拉曼、 布里渊散射传感器， 包括： 半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器 11、 半导体外腔窄带连续光纤激光器 12、 分波器 13、 电光调制器 14、 单向器 15、 掺餌光纤放大器 16、 双向耦合器 17、 集成波分复 用器 19、 第一光电接收放大模块 20、 第二光电接收放大模块 21、 直接检测系统 22、 窄带的透射光纤光栅 23、 环行器 24和相干检测系统 25。
其中， 半导体 FP腔脉冲宽带光纤激光器 11的输出端与掺餌光纤放大器 16 的一个输入端相连， 半导体外腔窄带连续光纤激光器 12 的输出端与分波器 13 的输入端相连， 分波器 13的一个输出端依次连接电光调制器 14、 单向器 15和 掺餌光纤放大器 16的另一个输入端， 掺餌光纤放大器 16的输出端与双向耦合 器 17的输入端相连， 双向耦合器 17的一个输出端与单模光纤 18相连， 双向耦 合器 17的另一个输出端与集成波分复用器 19的输入端相连， 集成波分复用器 19 的两个输出端口分别经第一光电接收放大模块 20和第二光电接收放大模块 21与直接检测系统 22相连， 集成波分复用器 19的第三个输出端口经窄带的透 射光纤光栅 23与环行器 24的一个输入端相连， 环行器 24的另一个输入端与分 波器 13的另一个输出端相连， 环行器 24的输出端与相干检测系统 25相连。
半导体脉冲光纤激光器 11是脉冲宽度小于 30ns， 波长为 1550nm的半导体 FP 腔的高功率光纤激光器。 半导体外腔窄带光纤激光器 12 是光谱寬度为 10MHz, 波长为 1555nm的半导体外腔连续光纤激光器，经电光调 制器调制成脉 宽为 30ns的脉冲激光器。 两个光源处于不同波段， 实现了波分复用。
集成波分复用器可以采用明鑫光电公司 SZMX-WDM-2 型波分复用器， 由 两对光纤耦合器、 自聚焦透镜平行光路、 中心波长 1450nm光谱带宽 38nm， 低 损耗<0.3(18滤光片和中心波长 1660nm光谱带宽 40nm，低损耗<0.5(18滤光片组 成。 它具有一个输入端口和三个输出端口， 第一输出端口是 1450nm端口， 第二 输出端口是 1660nm端口， 第三输出端口是 1550nm端口， 其中， 第一输出端口 为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口， 第二输出端口为光纤斯托克斯拉曼散射 光输出口， 第三输出端口为光纤瑞利和布里渊散射光输出 口。
窄带的透射光纤光栅 23是中心波长为 1555.08nm窄带的透射光纤光栅， 光 谱带宽为 O.lnm, 损耗 <0.3dB， 隔离度 >35dB的光纤光栅， 从集成波复用器第三 端口选取光纤布里渊散射光， 隔离背向光纤瑞利散射。
第一光电接收放大模块 20、第二光电接收放大模块 21均由光纤连接的低噪 音 InGaAs光电雪崩二极管、 低噪音 MAX4107前置放大器和主放大器构成。
直接检测系统 22可采用美国 NI公司的双通道 100MHz带宽， lOOMS/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。
相干检测系统 25将反向的光纤布里渊散射光与外腔窄带光纤 光器的本地 光， 通过光电检测器拍频进行相干检测， 测量频移得到光纤各段的应变信息