超遠程100km全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器的製作方法

2023-05-11 15:24:51 2

專利名稱：超遠程100km全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感器領域，尤其是分布式光纖瑞利與拉曼散射應變、溫度傳感
ο
背景技術：
長期以來，國內外在工程領域，大型土木建築、橋粱、隧道、石化管道、儲油罐和電 力電纜主要使用電學應變片和熱敏電組作為應變和溫度傳感器，每個傳感器均需連電線， 組成大型檢測網絡，結構很複雜，這類傳感器本身帶電，本質上是不安全的，易受電磁幹擾， 不耐腐蝕，也不能定位，不適合於惡劣環境中使用，更不適合於應用地質災害和火災的現 場。近年來發展起來的光纖傳感器網能實現大型土木工程、電力工程、石化工業，交通 橋梁，隧道，地鐵站，大壩、大提和礦業工程等安全健康監控和災害的預報和監測。光纖傳感 器有兩大類一類是以光纖光柵(FBG)和光纖法白(F-P)等點式傳感器「掛」(布設)在光 纖上，採用光時域技術組成的準分布式光纖傳感器網絡，準分布式光纖傳感器網的主要問 題是在點式傳感器之間的光纖僅是傳輸介質，因而存在檢測「盲區」；另一類利用光纖的本 徵特性，光纖瑞利、拉曼和布裡淵散射效應，採用光時域(OTDR)技術組成的全分布光纖傳 感器網，測量應變和溫度。全分布光纖傳感器網中的光纖既是傳輸介質又是傳感介質，不存 在檢測盲區。張在宣提出的《全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應變、溫度傳感器》(中國專利 ZL200910099463. 7)提供了一種成本低、結構簡單、信噪比好，可靠性好的分布式光纖瑞利 與拉曼散射光子應變、溫度傳感器，適用於中、短程0-15km全分布式光纖傳感網的檢測範 圍。但已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、超遠程全 分布式光纖瑞利、拉曼和布裡淵散射應變、溫度傳感網的迫切需求。

發明內容
本發明的目的是提供一種採用光纖拉曼放大技術的低成本、結構簡單、信噪比好， 可靠性好的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器。本發明的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括光纖脈衝雷射 器，集成型光纖波分復用器，光纖窄帶反射濾光片，光纖分路器，光纖拉曼雷射器，IOOkm傳 感光纖，光電接收模塊，數位訊號處理器和工控機。集成型光纖波分復用器具有四個埠， 其中1550nm輸入埠與光纖脈衝雷射器相連，COM輸出埠通過光纖濾光片與光纖分路器 的輸入端相連，1450nm輸出埠和1550nm輸出埠分別與光電接收模塊的兩個輸入端相 連，光纖分路器的一個輸出端與光纖拉曼雷射器相連，光纖分路器的另一個輸出端接傳感 光纖，光電接收模塊的兩個輸出端分別與數位訊號處理器兩個輸入埠相連，數位訊號處 理器將採集、累加的信號經過工控機解調處理，獲得IOOkm傳感光纖所在現場的應變、溫度 信息並傳送給遠程監控網。
上述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1-100W可調，重複頻率為500Hz-20KHz可調。上述的光纖拉曼雷射器為連續雷射器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為 0. Inm,功率0-1. 5W可調。光纖拉曼雷射器與IOOkm傳感光纖構成一個前向泵浦的C波段 光纖拉曼放大器。上述的光纖濾光片的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. 3nm,對1465nm瑞利散射 光的隔離度> 45dB。光纖窄帶反射濾光片抑制1465nm光纖拉曼雷射器在傳感光纖中的背 向瑞利散射，避免瑞利散射光幹擾傳感光纖中1450nm波段的反斯託克斯拉曼散射的影響。上述的傳感光纖為100km G652通信單模光纖。光脈衝雷射器發出雷射脈衝進入傳感光纖，在傳感光纖中產生的背向瑞利散射、 斯託克斯和反斯託克斯拉曼散射光子波，背向瑞利散射、斯託克斯和反斯託克斯拉曼散射 光子波，經由光纖拉曼雷射器與IOOkm傳感光纖構成前向泵浦的C波段光纖拉曼放大器放 大後，由集成型光纖波分復用器分束，帶有應變信息的背向瑞利散射光和帶有溫度信息的 反斯託克斯拉曼散射光波分別經光電接收模塊，將光信號轉換成模擬電信號並放大，由瑞 利散射光的強度比得到應變的信息，給出傳感光纖上各應變探測點的應變，應變變化速度 和方向；由反斯託克斯拉曼散射光與瑞利散射光的強度比，扣除應變的影響得到光纖各段 的溫度信息，各感溫探測點的溫度，溫度變化速度和方向，應變與溫度的檢測不存在交叉效 應，利用光時域反射對傳感光纖上的檢測點定位(光纖雷達定位)。通過數位訊號處理器與 應變、溫度解調軟體解調並對應變與溫度測進行定標，在60秒內得到IOOkm傳感光纖上各 點應變與溫度變化量，測溫精度士2°C，由計算機通訊接口、通訊協議進行遠程網絡傳輸，當 傳感光纖上檢測點達到設定的應變或溫度報警設定值時，向報警控制器發出報警信號。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。分布式光纖拉曼放大器原理當入射雷射Vtl與光纖分子產生非線性相互作用散射，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Δν，光纖分子的聲子頻率為 13. 2ΤΗζ0ν = ν0 士 Δ ν(1)放大器的開關增益為Ga = exp (gEP0Leff/Aeff) (2)其中Ptl = I0Aeff是放大器的泵浦光輸入功率，gE是拉曼增益係數Arff是光纖的有 效截面，Leff為光纖的有效作用長度(考慮了光纖對泵浦的吸收損耗)，其表達式如下
權利要求
1.超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特徵是包括光纖脈衝雷射器 (10)，集成型光纖波分復用器(11)，光纖窄帶反射濾光片(12)，光纖分路器(13)，光纖拉 曼雷射器(14)，IOOkm傳感光纖(15)，光電接收模塊(16)，數位訊號處理器(17)和工控機 (18)。集成型光纖波分復用器(11)具有四個埠，其中1550nm輸入埠與光纖脈衝雷射器 (10)相連，COM輸出埠通過光纖濾光片(12)與光纖分路器(13)的輸入端相連，1450nm輸 出埠和1550nm輸出埠分別與光電接收模塊(16)的兩個輸入端相連，光纖分路器(13) 的一個輸出端與光纖拉曼雷射器(14)相連，光纖分路器(1 的另一個輸出端接傳感光纖 (15)，光電接收模塊(16)的兩個輸出端分別與數位訊號處理器(17)兩個輸入埠相連，數 字信號處理器(17)將採集、累加的信號經過工控機(18)解調處理，獲得IOOkm傳感光纖 (15)所在現場的應變、溫度信息並傳送給遠程監控網。
2.根據權利要求1所述的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特徵 是脈衝雷射器(11)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1-100W可調，重複頻率為500Hz-20KHz可調。
3.根據權利要求1所述的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特徵 是光纖拉曼雷射器(14)為連續雷射器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. lnm，功率 0-1. 5W 可調。
4.根據權利要求1所述的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特徵 是光纖窄帶反射濾光片(12)的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. 3nm，對1465nm瑞利散射 光的隔離度> 45dB。
5.根據權利要求1所述的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特徵 是傳感光纖(1 為100km G652通信單模光纖。
全文摘要
本發明公開的超遠程100km全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括光纖脈衝雷射器，集成型光纖波分復用器，光纖窄帶反射濾光片，光纖分路器，光纖拉曼雷射器，100km傳感光纖，光電接收模塊，數位訊號處理器和工控機。該傳感器採用分布式光纖拉曼放大器，將帶有應變信息的探測雷射在傳感光纖中產生背向瑞利散射信號放大，並放大了帶有溫度信息的背向反斯託克斯散射信號，提高了傳感器系統的信噪比，增加了傳感器的測量長度，提高了傳感器的可靠性和空間解析度，在測量現場溫度的同時能測量現場的形變、裂縫和溫度並且互不交叉。具有成本低、壽命長、結構簡單、信噪比好等特點，適用於超遠程100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G01B11/16GK102080954SQ201010566550
公開日2011年6月1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