光纖拉曼頻移器雙波長脈衝編碼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 10:47:22 1
專利名稱：光纖拉曼頻移器雙波長脈衝編碼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脈衝編碼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変化的取向，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《拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器》 (中國發明專利ZL 200910102201. 1)，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的需要。
發明內容
本發明的目的是提供一種成本低、信噪比好，穩定性和可靠性好的光纖拉曼頻移器雙波長脈衝編碼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脈衝編碼光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括脈衝編碼光纖雷射器驅動電源，脈衝編碼光纖雷射器，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，脈衝編碼光纖雷射器驅動電源的輸入端與數位訊號處理器的一個輸出端相連，脈衝編碼光纖雷射器驅動電源的輸出端與脈衝編碼光纖脈衝雷射器相連，數位訊號處理器產生的時間序列脈衝編碼信號經脈衝編碼光纖雷射器驅動電源驅動脈衝編碼光纖雷射器，產生時間序列編碼的雷射脈衝，作為傳感器的泵浦源，脈衝編碼光纖脈衝雷射器發出的時間序列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，M50nm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，數位訊號處理器的另一個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，數位訊號處理器將採集、累加的脈衝編碼光回波信號經過解碼解調後輸給工控機處理，獲得80km傳感光纖所在現場各點的應變、溫度信息並傳送給遠程監控網。本發明中，所述的脈衝編碼光纖雷射器由F-P半導體雷射器和摻餌光纖放大器組成，中心波長為1550nm，光譜寬度為3nm，雷射的單位脈衝寬度45dB。本發明中，所述的傳感光纖是通信用89km G652光纖或DSF色散位移光纖或碳塗復單模光纖。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。本發明中，所述的數位訊號處理器採用嵌入式設計，由以ADS62P49採集晶片為核心的高速採集器和以ADSP-BF561晶片為核心的高速數字處理器組成。工作時，脈衝編碼光纖雷射器發出的時間序列編碼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和工控機解碼解調，經過溫度定標，在60秒內得到80km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-3000 C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。採用序列脈衝編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器的編碼解碼原理
本傳感器的序列脈衝編碼是通過S矩陣轉換來實現的，S矩陣轉換是標準哈達馬得 (Hadamard)轉換的一種變式，也可稱為哈達馬得轉換。S矩陣的元素均由「0」和「 1」組成， 這一特點很適用於雷射序列脈衝編碼，在實際應用中可用「0」代表雷射器關閉，用「 1，，代表雷射器開啟。這種採用「0」、「1」的編碼方式又可稱為簡單編碼。而解碼的過程是對應的逆 S矩陣轉換。
由編碼原理推導得知，採用N位的序列脈衝編碼解碼可獲得的信噪比改善為
權利要求
1.光纖拉曼頻移器雙波長脈衝編碼光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特徵是包括脈衝編碼光纖雷射器驅動電源(9)，脈衝編碼光纖雷射器(10)，光纖分路器(11 )，由單模光纖(12)和1660nm濾光器(13)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(20 )和工控機(21)，脈衝編碼光纖雷射器驅動電源(9 )的輸入端與數位訊號處理器(20)的一個輸出端相連，脈衝編碼光纖雷射器驅動電源(9)的輸出端與脈衝編碼光纖脈衝雷射器(10)相連，數位訊號處理器(20)產生的時間序列脈衝編碼信號經脈衝編碼光纖雷射器驅動電源(9)驅動脈衝編碼光纖雷射器(10)，產生時間序列編碼的雷射脈衝，作為傳感器的泵浦源，脈衝編碼光纖脈衝雷射器(10)發出的時間序列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(20)的輸入端相連，數位訊號處理器 (20)的另一個輸出端與工控機(21)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(15)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)的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(15)的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)，數位訊號處理器(20)將採集、累加的脈衝編碼光回波信號經過解碼解調後輸給工控機(21)處理，獲得80km傳感光纖(17)所在現場各點的應變、溫度信息並傳送給遠程監控網。
2.根據權利要求1所述的光纖拉曼頻移器雙波長脈衝編碼光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特徵是脈衝編碼光纖雷射器(10)由F-P半導體雷射器和摻餌光纖放大器組成，中心波長為1550nm，光譜寬為3nm，雷射的單位脈衝寬度<6ns。
3.根據權利要求1所述的光纖拉曼頻移器雙波長脈衝編碼光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特徵是1660nm濾光器(13)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。
4.根據權利要求1所述的光纖拉曼頻移器雙波長脈衝編碼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80km的通信用G652光纖或DSF色散位移光纖或碳塗復單模光纖。
5.根據權利要求1所述的光纖拉曼頻移器雙波長脈衝編碼光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特徵在於數位訊號處理器00)由以ADS62P49採集晶片為核心的高速採集器和以ADSP-BF561晶片為核心的高速數字處理器組成。
全文摘要
本發明公開的光纖拉曼頻移器雙波長脈衝編碼光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括脈衝編碼光纖雷射器驅動電源，脈衝編碼光纖雷射器，光纖分路器，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。該傳感器用一隻脈衝編碼光纖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，適用於超遠程80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G01K11/32GK102322976SQ20111022634
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者餘向東, 康娟, 張在宣, 張文平, 張文生, 李晨霞, 王劍鋒 申請人:中國計量學院