分布式光纖溫度傳感器及其應用的製作方法
2023-05-01 22:44:31
專利名稱：分布式光纖溫度傳感器及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖溫度傳感器，具體的說是一種特別適用於分布式光纖測溫系統(DTS)的基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖溫度傳感器及其應用。
背景技術：
分布式光纖溫度傳感器是利用光纖自發拉曼散射光強受溫度調製的原理和光時域反射原理而組成的分布式光纖拉曼溫度傳感器，具有廣闊的應用市場。由於它可以在線實時預報現場的溫度及其變化的趨勢，設置報警溫度對現場溫度變化進行監測，是一種本質安全型的線型感溫探測器，已成功應用於石油石化、電力及港口等領域。在現有的分布式光纖測溫系統中，廣泛使用大功率脈衝雷射器作為信號源，但是如果雷射脈衝峰值功率太強則在長距離溫度測量時光纖容易發生非線性效應，進而導致無 法進行正確的溫度解調。為了避免非線性效應只能降低雷射脈衝峰值功率，但由此會導致DTS信噪比的降低，使得溫度波動度等DTS指標變差。所以，目前使用大功率脈衝雷射器的分布式光纖測溫系統的測量距離一般在IOKm以內，無法滿足長距離測溫的應用需求。此夕卜，目前分布式光纖測溫系統的空間解析度主要由大功率脈衝雷射器的脈衝寬度決定，而大功率脈衝雷射器的脈衝寬度難以實現IOns以下，進而使分布式光纖測溫儀的空間解析度難以做到Im以內。摻鉺光纖放大器(EDFA)在光纖通信系統中已經得到的廣泛的應用，成為光纖通信系統中的關鍵技術之一，在光纖通信過程中，當輸入EDFA的光信號的強度發生較大變化，例如發生16db的掉波或者上波時，鉺纖中的能量會瞬間轉移到剩餘的信號波長中，相應的使該剩餘信號波長產生過衝或者欠衝，過衝和欠衝在多級EDFA級聯的時候會嚴重影響系統的穩定性，因此抑制EDFA的瞬態效應對於提高光纖通信穩定具有重要意義。同時，在分布式光纖測溫系統中對EDFA瞬態效應的抑制也可以提高系統的溫度指標。中國專利CN 101819073 A公布了一種採用序列脈衝編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括有S矩陣轉換原理、S矩陣產生、拉曼反射光接收和解碼模塊，雖然可以在一定程度上解決該問題，但由於其編碼複雜、控制難度高、解調計算量大的特點，影響了分布式光纖測溫系統的解調精度和速度。本發明人發表的CN 201220019315. 7專利，發表了一種基於脈衝編碼的雷射發生裝置，解決了 S矩陣所面臨的編碼複雜、解調計算量大等特點，但仍然面臨著與CN101819073 A相同的採用EDFA放大模塊所帶來的瞬態效應問題，並因此降低了系統的監測指標。目前，針對EDFA的瞬態效應國內外的研究者有採用分布式拉曼放大器方案來解決，但該方案雖解決了 EDFA的瞬態問題，但由於經分布式拉曼放大器輸出的信號放大能力有限，僅為6dB，極大的限制了系統的測量距離。
發明內容
本發明針對現有技術中存在的缺點和不足，提出一種結構合理、操作簡便，能夠有效提高光纖溫度傳感器的測溫距離並提高數據傳輸信噪比，解決目前使用EDFA放大模塊所普遍遇到的瞬態效應，成本低、結構簡單、穩定可靠，特別適用於分布式光纖測溫系統(DTS)的基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖溫度傳感器。本發明可以通過以下措施達到
一種分布式光纖溫度傳感器，包括溫控電路模塊、偏置模塊、脈衝調製模塊、蝶形雷射器、EDFA放大模塊、波分復用器、傳感光纖、2個光電接收模塊、數據採集及編碼生成模塊，其特徵在於脈衝調製模塊為DAC脈衝調製模塊，溫控電路模塊、偏置模塊、DAC脈衝調製模塊的輸出端分別與蝶形雷射器的輸入端相連接，蝶形雷射器的輸出端與EDFA放大模塊的輸入端相連，EDFA放大模塊輸出端與波分復用器的1550nm輸入端相連,波分復用器的com輸出端與傳感光纖相連，波分復用器的1450nm和1660nm輸出埠分別與2個光電接收模塊的輸入端相連，2個光電接收模塊的輸出端分別與數據採集及編碼生成模塊的兩路輸入端相連，數據採集及編碼生成模塊的一路輸出端與DAC脈衝調製模塊的輸入端相連。
·電流20mA。本發明中所述的蝶形雷射器的中心波長為1550nm，閾值電流10mA，熱敏電阻lOkohm，譜寬 O. lnm，功率 15mW。本發明中所述的EDFA放大模塊的工作波長為1550nm，放大脈衝寬度為l_2us，重複頻率為4-lOkHz，峰值功率為1-10W，消光比40dB。本發明中所述的波分復用器由中心波長1450nm的背向拉曼反斯託克斯散射光寬帶濾波片、中心波長1660nm的背向拉曼斯託克斯散射光寬帶濾波片和Rayleigh散射光濾波片構成。—種分布式光纖測溫系統,包括分布式光纖溫度傳感器、工控機，其中分布式光纖溫度傳感器的輸出端與工控機相連接，其特徵在於所述分布式光纖溫度傳感器為如上所述基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖測溫傳感器，分布式光纖溫度傳感器中的數據採集及編碼生成模塊的另一路輸出端與工控機相連。本發明在工作時，溫控電路模塊採用溫控晶片處理蝶形雷射器內部的熱敏電阻採集的溫度，並將其與設定的溫度進行比較，依據高於設定溫度進行製冷操作，低於設定溫度進行制熱操作的原則，通過蝶形雷射器內部製冷片TEC的控制實現溫度補償，提供穩定的環境工作溫度，保證蝶形雷射器1550nm光脈衝波長的穩定輸出，偏置模塊為蝶形雷射器提供所需的IOmA閾值電流，保證光脈衝具有短的輸出響應時間，數據採集及編碼生成模塊輸出4組每位編碼時間為12. 5ns的Sbits數字量信號，DAC脈衝調製模塊將該信號轉換為4組信號幅度可調每位編碼持續時間為12. 5ns的電壓信號，DAC脈衝調製模塊分別將4組信號幅度可調每位編碼持續時間為12. 5ns的電壓信號送給蝶形雷射器產生4組光功率可調每位編碼持續時間為12. 5ns的光編碼脈衝，4組光功率可調每位編碼持續時間為12. 5ns的光編碼脈衝經EDFA放大模塊後輸出具有功率一致性好的4組每位編碼持續時間為12. 5ns雷射編碼脈衝，4組每位編碼持續時間為12. 5ns雷射編碼脈衝分別通過波分復用器進入傳感光纖，傳感光纖散射回來的背向拉曼信號從波分復用器的1450nm和1660nm兩路輸出端進入光電接收模塊，最終由數據採集及編碼生成模塊中的數據採集電路將拉曼散射信號傳給工控機，工控機將斯託克斯和反斯託克斯各自的4組信號分別與4組編碼序列進行相關處理，並將相關後的數據進行加減處理得到所需的後向散射斯託克斯和反斯託克斯電信號，根據反斯託克斯與斯託克斯電信號強度比與溫度成正比的關係，將傳感光纖上的信號強度計算出相應光纖所處位置處的溫度信息，為了保證溫度的準確可靠，通過溫度檢測的方式對標定段光纖進行溫度定標，校正系統的溫度並實時監測光纖上各段的溫度及變化。一種如上所述分布式光纖測溫傳感器的應用，其特徵在於包括以下步驟
步驟I :數據採集及編碼生成模塊中生成4組每位編碼時間為12. 5ns的Sbits數字量信號，並將其送入DAC脈衝調製模塊，
步驟2 :DAC脈衝調製模塊接收數據採集即編碼生成模塊輸出的每位編碼時間為12. 5ns的Sbits數字量信號後進行D/A轉換，將其處理為4組信號幅度可調每位編碼時間為12. 5ns的電壓信號,並將其送入蝶形雷射器的輸入端，
步驟3 :蝶形雷射器在DAC脈衝調製模塊輸入信號的作用下，向外輸出4組光功率可調 每位編碼時間為12. 5ns的光編碼脈衝，輸出信號進入EDFA放大模塊後，被處理為功率一致性好的雷射格雷編碼脈衝，
步驟4 :蝶形雷射器輸出的信號經EDFA放大器放大後進入波分復用器，經波分復用器進入傳感光纖，
步驟5 :進入傳感光纖的光信號經過拉曼散射，經波分復用器背向輸出斯託克斯光信號以及反斯託克斯光信號，兩路背向光信號分別經2個光電接收模塊接收，
步驟6:光電接收模塊接收上述背向光信號後，將其轉換為電信號，並將轉換結果送至數據採集及編碼生成模塊，數據採集及編碼生成模塊中的數據採集電路對接收的各周期數據進行實時累加處理，並將累加結果送入工控機，工控機將斯託克斯和反斯託克斯各自的4組信號分別與4組編碼序列進行相關處理，並將相關後的數據進行加減處理得到所需的後向散射斯託克斯和反斯託克斯電信號，根據反斯託克斯與斯託克斯電信號強度比與溫度成正比的關係，將傳感光纖上的信號強度計算出相應光纖所處位置處的溫度信息。本發明為了保證溫度的準確可靠，通過溫度檢測的方式對標定段光纖進行溫度定標，校正系統的溫度並實時監測光纖上各段的溫度及變化。本發明步驟I中蝶形雷射器在輸出脈衝光信號時，溫控電路模塊為蝶形雷射器提供溫度補償，溫控電路模塊採用由電阻構成的橋電路結構，通過將蝶形雷射器內部的熱敏電阻所採集的溫度與設定工作溫度的比較來確定雷射器的溫度控制趨勢，依據高於設定溫度進行製冷操作，低於設定溫度進行制熱操作，由溫控晶片控制製冷片TEC對蝶形雷射器進行溫度補償，提供穩定的環境工作溫度，保證蝶形雷射器1550nm光脈衝波長的穩定輸出，偏置模塊內設有恆流源電路和過流保護電路，恆流源電路提供偏置電流，過流保護電路監測偏置電流大小，並在其高於設定值後禁止其輸出起到保護作用，偏置模塊恆流源電路的輸出端與過流保護電路的輸入端相連，偏置模塊過流保護電路的輸出端與蝶形雷射器的輸入端相連接，用於為蝶形雷射器提供所需的閾值電流，保證光脈衝具有短的輸出響應時間。本發明中光源採用編碼脈衝的輸出方式，能夠有效提高分布式光纖拉曼溫度傳感器的測溫準確度，其具體原理如下本發明採用的編碼脈衝是格雷編碼序列，由「O」和「I」元素組成的4組編碼序列，而每2組可以組成一個元素為「I」和「-I」的格雷互補序列。格雷互補序列中的一個的自相關函數的峰值等於碼數(L)倍，旁瓣大約為峰值的10%左右，而當兩組自相關函數相加後，峰值又可以增加二倍(2L)而旁瓣可以完全對消掉。由格雷編碼原理推導可知，採用N位的格雷編碼序列可獲得的信噪比改善為
SNRm =Cl)
2
由公式(I)可知，採用格雷編碼對系統信噪比的改善隨著其編碼位數的提高而提高，當N取128時，系統信噪比的改善為SNRm-166
猶2
基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖溫度傳感器的空間解析度由編碼序列單個窄脈 衝激光的寬度決定，採用DAC進行編碼脈衝調製解決了目前所遇到的EDFA放大模塊所帶來的瞬態效應，提聞了系統的監測指標。本發明提供的基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖溫度傳感器，採用格雷編碼脈衝原理有效地提高了進入傳感光纖的光子數，提高了系統的信噪比，增加了傳感光纖的長度或在光纖長度不變測量相同指標情況下降低了系統的測量時間，採用DAC進行編碼脈衝調製解決了目前所遇到的EDFA放大模塊所帶來的瞬態效應，提高了系統的監測指標。
附圖I是本發明中基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖溫度傳感器的結構示意圖。附圖2是EDFA放大模塊的瞬態效應示意圖。附圖3是基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖溫度傳感器的一組脈衝調製編碼序列。附圖4是無脈衝調製情況下系統檢測的溫度及溫升波形。附圖5是在採用DAC脈衝調製情況下系統檢測的溫度及溫升波形。附圖6是本發明中基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖測溫系統的結構示意圖。附圖標記溫控電路模塊I、偏置模塊2、DAC脈衝調製模塊3、蝶形雷射器4、EDFA放大模塊5、波分復用器6、傳感光纖7、光電接收模塊8、光電接收模塊9、數據採集及編碼生成模塊10、工控機11。
具體實施例方式 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如附圖I及附圖6所示，本發明提出了一種基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖溫度傳感器及光纖測溫系統，包括溫控電路模塊I，偏置模塊2，DAC脈衝調製模塊3，蝶形雷射器4，EDFA放大模塊5，波分復用器6，傳感光纖7、光電接收模塊8、光電接收模塊9，數據採集及編碼生成模塊10和工控機11，其中溫控電路模塊I的輸出與蝶形雷射器4 一路輸入端相連，偏置模塊2與蝶形雷射器4 一路輸入端相連，DAC脈衝調製模塊3的輸出與蝶形雷射器4另一路輸入端相連,蝶形雷射器4輸出的1550nm光脈衝與EDFA放大模塊5輸入端相連,EDFA放大模塊5輸出端與波分復用器6的1550nm輸入端相連,波分復用器6的com輸出端與傳感光纖7相連，經傳感光纖7產生的背向拉曼反斯託克斯和斯託克斯散射信號分從波分復用器6的1450nm和1660nm輸出埠輸出，且分別於光電接收模塊8、光電接收模塊9的輸入端相連，2個光電接收模塊的輸出端分別與數據採集及編碼生成模塊10的兩路輸入端相連，數據採集及編碼生成模塊10的一路輸出端與DAC脈衝調製模塊3的輸入端相連，數據採集及編碼生成模塊10的另一路輸出端與工控機11相連，本發明所採用的碼位是128，也可以採用其它的碼位，例如32、64等，本發明在數據採集及編碼生成模塊輸出的4組每位編碼時間為12. 5ns的Sbits數字量信號的控制下經DAC脈衝調製模塊輸出4組信號幅度可調的電壓信號，4組信號幅度可調每位編碼時間為12. 5ns的電壓信號控制蝶形雷射器輸出4組光功率可調每位編碼時間為12. 5ns的光編碼脈衝，4組光功率可調的光編碼脈衝最終經EDFA放大模塊後輸出具有功率一致性好的4組雷射格雷編碼脈衝。附圖2是無DAC脈衝調製情況下，EDFA放大模塊輸出的一組編碼脈衝光信號示意圖，圖3是圖2中的編碼脈衝光信號在本發明經脈衝調製後EDFA放大模塊輸出的一組編碼脈衝信號示意圖，對比可知，經過本發明脈衝調製後，能夠有效抑制EDFA放大模塊的瞬態效應對編碼脈衝信號的不良影響。附圖4是無DAC脈衝調製情況下，系統檢測的溫度及溫升波形示意圖，圖5是圖4系統在經本發明處理後的系統檢測的溫度及溫升波形示意圖，對比可知，經過本發明脈衝調製後，能夠有效抑制EDFA放大模塊的瞬態效應對解析的溫度信號的不良影響，提高溫度的準確度及波動度，並同時提高系統的空間解析度。 本發明實施例公布的為較佳實施方式，但其具體實施並不限於此，本領域的普通技術人員極易根據上述實施例，領會本發明的精神，並做出不同的引申和變化，只要不脫離本發明的精神，都屬本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種分布式光纖溫度傳感器，包括溫控電路模塊、偏置模塊、脈衝調製模塊、蝶形雷射器、EDFA放大模塊、波分復用器、傳感光纖、2個光電接收模塊、數據採集及編碼生成模塊，其特徵在於脈衝調製模塊為DAC脈衝調製模塊，溫控電路模塊、偏置模塊、DAC脈衝調製模塊的輸出端分別與蝶形雷射器的輸入端相連接，蝶形雷射器的輸出端與EDFA放大模塊的輸入端相連，EDFA放大模塊輸出端與波分復用器的1550nm輸入端相連,波分復用器的com輸出端與傳感光纖相連 ,波分復用器的1450nm和1660nm輸出埠分別與2個光電接收模塊的輸入端相連，2個光電接收模塊的輸出端分別與數據採集及編碼生成模塊的兩路輸入端相連，數據採集及編碼生成模塊的一路輸出端與DAC脈衝調製模塊的輸入端相連。
2.根據權利要求I所述的一種分布式光纖溫度傳感器，其特徵在於所述的DAC脈衝調製模塊為電流型DAC，8bits精度，80MSPS採樣率，輸出電流20mA。
3.根據權利要求2所述的一種分布式光纖溫度傳感器，其特徵在於所述的蝶形雷射器的中心波長為1550nm，閾值電流10mA，熱敏電阻lOkohm，譜寬O. lnm，功率15mW。
4.根據權利要求3所述的一種基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖溫度傳感器，其特徵在於所述的EDFA放大模塊的工作波長為1550nm，放大脈衝寬度為l_2us，重複頻率為4-10kHz，峰值功率為1-10W，消光比40dB。
5.根據權利要求4所述的一種分布式光纖溫度傳感器，其特徵在於所述的波分復用器由中心波長1450nm的背向拉曼反斯託克斯散射光寬帶濾波片、中心波長1660nm的背向拉曼斯託克斯散射光寬帶濾波片和Rayleigh散射光濾波片構成。
6.一種如權利要求5所述的分布式光纖測溫傳感器的應用，其特徵在於包括以下步驟 步驟I :數據採集及編碼生成模塊中生成4組每位編碼時間為12. 5ns的Sbits數字量信號，並將其送入DAC脈衝調製模塊， 步驟2 :DAC脈衝調製模塊接收數據採集即編碼生成模塊輸出的每位編碼時間為12. 5ns的Sbits數字量信號後進行D/A轉換，將其處理為4組信號幅度可調每位編碼時間為12. 5ns的電壓信號,並將其送入蝶形雷射器的輸入端， 步驟3 :蝶形雷射器在DAC脈衝調製模塊輸入信號的作用下，向外輸出4組光功率可調每位編碼時間為12. 5ns的光編碼脈衝，輸出信號進入EDFA放大模塊後，被處理為功率一致性好的雷射格雷編碼脈衝， 步驟4 :蝶形雷射器輸出的信號經EDFA放大器放大後進入波分復用器，經波分復用器進入傳感光纖， 步驟5 :進入傳感光纖的光信號經過拉曼散射，經波分復用器背向輸出斯託克斯光信號以及反斯託克斯光信號，兩路背向光信號分別經2個光電接收模塊接收， 步驟6:光電接收模塊接收上述背向光信號後，將其轉換為電信號，並將轉換結果送至數據採集及編碼生成模塊，數據採集及編碼生成模塊中的數據採集電路對接收的各周期數據進行實時累加處理，並將累加結果送入工控機，工控機將斯託克斯和反斯託克斯各自的4組信號分別與4組編碼序列進行相關處理，並將相關後的數據進行加減處理得到所需的後向散射斯託克斯和反斯託克斯電信號，根據反斯託克斯與斯託克斯電信號強度比與溫度成正比的關係，將傳感光纖上的信號強度計算出相應光纖所處位置處的溫度信息。
7.根據權利要求6所述的分布式光纖測溫傳感器的應用，其特徵在於步驟6還包括通過溫度檢測的方式對標定段光纖進行溫度定標，以校正系統的溫度。
8.根據權利要求6所述的分布式光纖測溫傳感器的應用，其特徵在於步驟I中蝶形雷射器在輸出脈衝光信號時，溫控電路模塊為蝶形雷射器提供溫度補償，溫控電路模塊採用由電阻構成的橋電路結構，通過將蝶形雷射器內部的熱敏電阻所採集的溫度與設定工作溫度的比較來確定雷射器的溫度控制趨勢，依據高於設定溫度進行製冷操作，低於設定溫度進行制熱操作，由溫控晶片控制製冷片TEC對蝶形雷射器進行溫度補償，提供穩定的環境工作溫度，保證蝶形雷射器1550nm光脈衝波長的穩定輸出，偏置模塊內設有恆流源電路和過流保護電路，恆流源電路提供偏置電流，過流保護電路監測偏置電流大小，並在其高於設定值後禁止其輸出起到保護作用，偏置模塊恆流源電路的輸出端與過流保護電路的輸入端相連，偏置模塊過流保護電路的輸出端與蝶形雷射器的輸入端相連接，用於為蝶形雷射器提供所需的閾值電流，保證光脈衝具有短的輸出響應時間。
9.根據權利要求6所述的一種分布式光纖測溫傳感器的應用，其特徵在於步驟I中所述數據採集及編碼生成模塊中生成4組每位編碼時間為12. 5ns的Sbits數字量信號為格雷編碼序列。
10.一種用於實現如權利要求6-9中任意一項所述分布式光纖測溫傳感器的應用的光纖測溫系統，包括分布式光纖溫度傳感器、工控機，其中分布式光纖溫度傳感器的輸出端與工控機相連接，其特徵在於所述分布式光纖溫度傳感器為如權利要求5所述基於脈衝調製的格雷編碼分布式光纖測溫傳感器，分布式光纖溫度傳感器中的數據採集及編碼生成模塊的另一路輸出端與工控機相連。
全文摘要
本發明涉及光纖溫度傳感器，具體的說是一種分布式光纖溫度傳感器及其應用，其特徵在於脈衝調製模塊為DAC脈衝調製模塊，溫控電路模塊、偏置模塊、DAC脈衝調製模塊的輸出端分別與蝶形雷射器的輸入端相連接，蝶形雷射器的輸出端與EDFA放大模塊的輸入端相連，EDFA放大模塊輸出端與波分復用器的1550nm輸入端相連，波分復用器的com輸出端與傳感光纖相連，波分復用器的1450nm和1660nm輸出埠分別與2個光電接收模塊的輸入端相連，2個光電接收模塊的輸出端分別與數據採集及編碼生成模塊的兩路輸入端相連，本發明提高了系統信噪比，解決了目前所遇到的EDFA放大模塊所帶來的瞬態效應，提高了系統的監測指標。
文檔編號G01K11/32GK102914385SQ20121046120
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者李德和, 史振國, 于娟 申請人:威海北洋電氣集團股份有限公司