光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器的製作方法

2023-10-19 10:38:37

專利名稱：光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖拉曼溫度傳感器，特別是光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布 式光纖拉曼溫度傳感器，屬於光纖傳感技術領域。
背景技術：
近年來，利用光纖拉曼散射光強度受溫度調製的效應和光時域反射(OTDR)原理 研製成分布式光纖拉曼溫度傳感器，它可以在線實時預報現場的溫度和溫度變化的取向， 在線監測現場溫度的變化，在一定的溫度範圍設置報警溫度，是一種本質安全型的線型感 溫探測器，已在電力工業、石化企業、大型土木工程和在線災害監測等領域成功地應用。由於各個波段的光纖損耗是不同的，即光纖損耗存在光譜效應，在分布式光纖拉 曼溫度傳感器中用反斯託克斯拉曼散射光作為測量溫度信號通道，用斯託克斯拉曼散射光 作為測量溫度參考通道，由於兩個通道在不同波段，測溫光纖的損耗不同，在測溫系統中用 斯託克斯拉曼參考通道解調反斯託克斯拉曼信號通道時出現非線性現象，而造成的測溫誤 差，降低了測溫精度，對於固定的波長的光纖損耗可以在解調過程中進行人為校正。張在宣於2009年提出《一種拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳 感器》(中國專利ZL 200920192483. 4)，採用1550nm雷射器為主光源，1450nm雷射器為副 光源，利用拉曼相關自校正方法解決了中、短程100m-15km在線溫度監測中的校正問題。但 需要用主光源和副光源兩隻光源，比較複雜，造價高，且不能完全滿足近年來石油管道、傳 輸電力電纜的安全健康監測，對遠程、超遠程自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器的迫切需 求。

發明內容
本發明的目的是提供一種成本低、信噪比好，穩定性和可靠性好，用一隻光纖脈衝 雷射器能實現遠程30km自校正的光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度 傳感器。本發明的光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括光 纖脈衝雷射器，光纖分路器，由單模光纖和1660nm濾光器組成的光纖拉曼頻移器，第一光 纖波分復用器，第二光纖波分復用器，第一光纖開關，傳感光纖，第二光纖開關，光電接收模 塊，數位訊號處理器和工控機。光纖脈衝雷射器發出雷射脈衝通過光纖分路器分成兩束， 其中一束1550nm波段的雷射進入光纖拉曼頻移器，經頻移13. 2THz到1660nm波段作為 主光源，另一束1550nm波段的雷射作為副光源，第一光纖波分復用器具有三個埠，它的 1660nm輸入埠與光纖拉曼頻移器輸出的主光源相連，COM埠與第一光纖開關的一個輸 入端相連，1550nm輸出埠與第二光纖開關的一個輸入端相連，第二光纖波分復用器具有 三個埠，其中的1550nm輸入埠與光纖分路器分束的副光源相連，COM埠與第一光纖 開關的另一個輸入端相連，1660nm輸出埠與第二光纖開關的另一個輸入端相連，第一光纖開關的輸出端與傳感光纖相連，第二光纖開關的輸出端與光電接收模塊的輸入端相連， 光電接收模塊的輸出端與數位訊號處理器的輸入端相連，數位訊號處理器的輸出端與工控 機相連，第一、第二兩隻光纖開關聯動，利用第一光纖開關將第一光纖波分復用器和第二光 纖波分復用器輸出的兩束雷射分時交替地進入傳感光纖，利用第二光纖開關將第一光纖波 分復用器和第二光纖波分復用器的輸出端分時交替地與光電接收模塊相連，當第一光纖開 關通過第一光纖波分復用器與1660nm主光源相連時，第二光纖開關輸入端與第一光纖波 分復用器1550nm輸出埠相連，將傳感光纖的反斯託克斯回波送入光電接收模塊；當第一 光纖開關通過第二光纖波分復用器與1550nm副光源相連時，第二光纖開關輸入端與第二 光纖波分復用器1660nm輸出埠相連，將傳感光纖的斯託克斯回波送入光電接收模塊。本發明中，所說的脈衝雷射器的中心波長為1550nm，光譜寬度為0. lnm，雷射脈衝 寬度為10ns，峰值功率為I-IkW可調，重複頻率為500Hz-20KHz可調。上述光纖拉曼頻移器中1660nm濾光器的中心波長為1660nm，光譜帶寬^nm,透過 率98%，對1550nm雷射的隔離度> 45dB。本發明中，所說的傳感光纖是長度為30km的G652通信單模光纖。傳感光纖既是 傳輸介質又是傳感介質，鋪設在測溫現場不帶電，抗電磁幹擾，耐輻射，耐腐蝕。工作時，光纖脈衝雷射器發出的雷射脈衝分別輪流通過第一、第二光纖波分復用 器射入傳感光纖，在傳感光纖上產生的主雷射的反斯託克斯拉曼光子波經第一光纖波分 復用器分束，由光電接收模塊轉換成模擬電信號並放大，副雷射的斯託克斯拉曼光子波經 第二光纖波分復用器分束，由光電接收模塊轉換成模擬電信號並放大，背向的反斯託克斯 拉曼光和斯託克斯拉曼光兩者的強度比，得到光纖各段的溫度信息，給出傳感光纖上各點 (小段)的溫度，利用光時域反射對感溫光纖上拉曼光子感溫火災探測點定位(光纖雷達定 位)。通過數位訊號處理器解調，經過溫度定標，在60秒內得到30km傳感光纖上各段的溫 度和溫度變化量，測溫精度士 1°C，在0°C_30(TC範圍內進行在線溫度監測，由工控機通過 通訊接口、通訊協議進行遠程網絡傳輸。光纖拉曼頻移器的工作原理光纖拉曼頻移器有單模光纖和寬帶1660nm濾光器組成。當雷射入射到單模光 纖，雷射與光纖分子的非線性相互作用，入射光子被一個光纖分子散射成另一個斯託克斯 光子或反斯託克斯光子，相應的分子完成兩個振動態之間的躍遷，放出一個聲子稱為斯託 克斯拉曼散射光子，吸收一個聲子稱為反斯託克斯拉曼散射光子，光纖分子的聲子頻率為 13. 2THz。當入射的1550nm雷射功率達到一定閾值後，產生放大的斯託克斯拉曼散射光，光 頻移了 13. 2THz，獲得了寬光譜帶1660nm光，經1660nm濾光器後作為拉曼相關光源的主光 源。光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器的測溫原理光纖脈衝雷射器發出雷射脈衝通過光纖波分復用器射入傳感光纖，雷射與光纖分 子的非線性相互作用，入射光子被一個光纖分子散射成另一個斯託克斯光子或反斯託克斯 光子，相應的分子完成兩個振動態之間的躍遷，放出一個聲子稱為斯託克斯拉曼散射光子， 吸收一個聲子稱為反斯託克斯拉曼散射光子，光纖分子的聲子頻率為13. 2THz。光纖分子能 級上的粒子數熱分布服從波爾茲曼(Boltzmarm)定律，反斯託克斯拉曼散射光與斯託克斯 拉曼散射光的強度比R(T)
權利要求
1.光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特徵是包括光纖 脈衝雷射器(10)，光纖分路器(11)，由單模光纖(1 和1660nm濾光器(1 組成的光纖拉 曼頻移器，第一光纖波分復用器(14)，第二光纖波分復用器(15)，第一光纖開關(16)，傳感 光纖(17)，第二光纖開關(18)，光電接收模塊(19)，數位訊號處理器00)和工控機(21)。 光纖脈衝雷射器(10)發出雷射脈衝通過光纖分路器(11)分成兩束，其中一束1550nm波 段的雷射進入光纖拉曼頻移器，經頻移13. 2THz到1660nm波段作為主光源，另一束1550nm 波段的雷射作為副光源，第一光纖波分復用器(14)具有三個埠，它的1660nm輸入埠 與光纖拉曼頻移器輸出的主光源相連，COM埠與第一光纖開關(16)的一個輸入端相連， 1550nm輸出埠與第二光纖開關(18)的一個輸入端相連，第二光纖波分復用器(15)具有 三個埠，其中的1550nm輸入埠與光纖分路器(11)分束的副光源相連，COM埠與第一 光纖開關(16)的另一個輸入端相連，1660nm輸出埠與第二光纖開關(18)的另一個輸入 端相連，第一光纖開關(16)的輸出端與傳感光纖(17)相連，第二光纖開關(18)的輸出端 與光電接收模塊(19)的輸入端相連，光電接收模塊(19)的輸出端與數位訊號處理器00) 的輸入端相連，數位訊號處理器00)的輸出端與工控機相連，第一、第二兩隻光纖開 關聯動，利用第一光纖開關(16)將第一光纖波分復用器(14)和第二光纖波分復用器(15) 輸出的兩束雷射分時交替地進入傳感光纖(17)，利用第二光纖開關(18)將第一光纖波分 復用器(14)和第二光纖波分復用器(1 的輸出端分時交替地與光電接收模塊(19)相連， 當第一光纖開關(16)通過第一光纖波分復用器(14)與1660nm主光源相連時，第二光纖 開關(18)輸入端與第一光纖波分復用器(14) 1550nm輸出埠相連，將傳感光纖的反斯託 克斯回波送入光電接收模塊(19)；當第一光纖開關(16)通過第二光纖波分復用器(15)與 1550nm副光源相連時，第二光纖開關(18)輸入端與第二光纖波分復用器(M) 1660nm輸出 埠相連，將傳感光纖的斯託克斯回波送入光電接收模塊(19)。
2.根據權利要求1所述的光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳 感器，其特徵是脈衝雷射器(10)的中心波長為1550nm，光譜寬度為0. lnm，雷射脈衝寬度為 10ns，峰值功率為I-IkW可調，重複頻率為500Hz-20KHz可調。
3.根據權利要求1所述的光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度 傳感器，其特徵是光纖拉曼頻移器中1660nm濾光器(13)的中心波長為1660nm，光譜帶寬 沘歷，透過率98%，對1550nm雷射的隔離度> 45dB。
4.根據權利要求1所述的光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳 感器，其特徵在於傳感光纖(17)是長度為30km的G652通信單模光纖。
全文摘要
本發明公開的光纖拉曼頻移器雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括光纖脈衝雷射器，光纖分路器，由單模光纖和1660nm濾光器組成的光纖拉曼頻移器，兩個光纖波分復用器，兩個光纖開關，傳感光纖，光電接收模塊，數位訊號處理器和工控機。該傳感器用一隻光纖脈衝雷射器通過光纖拉曼頻移器獲得拉曼相關雙波長光源，自校正在現場使用測溫光纖光纜時由於光纖、光纜產生的彎曲和受壓拉伸而造成的非線性損耗，克服了測溫系統中用斯託克斯拉曼參考通道解調反斯託克斯拉曼信號通道時偏離線性而造成的測溫誤差。成本低、壽命長、結構簡單、信噪比好，可靠性好，適用於遠程30公裡範圍內石化管道，隧道，大型土木工程監測和災害預報監測。
文檔編號G01K11/32GK102062649SQ20101056649
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者張在宣, 王劍鋒, 金尚忠 申請人:中國計量學院