一種長距離的拉曼分布式溫度傳感系統的製作方法

2023-05-08 23:47:21

專利名稱：一種長距離的拉曼分布式溫度傳感系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感技術領域，具體涉及一種長距離的能夠進行多級光放大以及利用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)多級溫度定標的分布式光纖拉曼溫度傳感系統。
背景技術：
近年來，基於自發拉曼散射原理的分布式光纖拉曼溫度傳感器因為能夠在線實時監測光纖沿線大範圍的溫度，並且與基於布裡淵散射原理的分布式光纖傳感器相比，具有成本低，不受應變的交叉幹擾的優點，因而在石油管道、電力線路、地質考察等分布式溫度監測領域得到廣泛的應用。

與基於布裡淵散射原理的分布式光纖傳感器相比，傳統的基於拉曼散射原理的分布式光纖傳感器在溫度精度和傳感距離上處於劣勢，這是由於以下兩點限制首先，自發拉曼散射與自發布裡淵散射和受激布裡淵散射相比，散射光強度要弱3(T50dB ;其次，拉曼溫度傳感器無法應用分布式拉曼放大技術，只能在傳感光纖的入射端進行泵浦光放大，同時還要控制光功率，使其低於拉曼閾值以免產生受激拉曼散射。由於這些因素的限制，使得拉曼分布式溫度傳感器的距離非常有限，只能限制在30km以內，並且溫度精度較差O I0C),不能進一步滿足更大範圍的更高精度溫度測量需求。另外一個限制集中式光放大技術在拉曼分布式溫度傳感器中應用的因素是加入光放大之後，在光纖的入射端進行的溫度定標就不適合光放大之後的光纖中的散射光，從而無法對放大之後的拉曼散射光進行準確的溫度解調。

發明內容
本發明的目的是為了延長現有的拉曼分布式溫度傳感系統的傳感距離並同時提高溫度測量精度，提出了一種長距離的拉曼分布式溫度傳感系統。本發明的技術方案是一種長距離的拉曼分布式溫度傳感系統，包括位於系統前端的光纖脈衝雷射器、電光調製器，1480nm泵浦光源、波分復用器、環形器和信號處理及顯示模塊，其特徵在於，還包括位於系統後端並與系統前段的波分復用器連接的至少一級定標模塊、傳感光纖和中繼放大模塊，所述定標模塊、傳感光纖和中繼放大模塊依次連接；上述中繼放大模塊包含一個耦合器，一個摻鉺光纖放大器，兩個四通道的第一波分復用器和第二波分復用器，兩個第一環形器和第二環形器。上述中繼放大模塊中各部件的連接結構為耦合器的輸入端與第一波分復用器的1480nm輸出端連接,I禹合器的第一輸出端為摻鉺光纖放大器的泵浦輸入端,I禹合器的第二輸出端與第二波分復用器的1480nm輸入端連接；第一波分復用器的1550nm輸出端與第一環形器的第二端連接，第一環形器的第三端與摻鉺光纖放大器的信號光輸入端連接，摻鉺光纖放大器的輸出端與第二環形器的第一端連接，第二環形器的第二端與第二波分復用器的1550nm端連接，第二環形器的第三端和第一環形器的第一端連接；第一波分復用器的S和AS輸出端分別與第二波分復用器的S和AS輸出端連接；上述中繼放大模塊中的各部件封裝在一個封閉箱內。本發明的有益效果是本發明的拉曼分布式光纖溫度傳感系統相較於傳統的拉曼分布式光纖傳感系統，加入了多級放大，顯著延長了傳感距離，並且提出了利用光纖布拉格光柵溫度定標方法，使得多級放大成為可能，並且提高了溫度定標的精度，同時這種動態的溫度定標方法減少了對恆溫裝置的需求。這種結構也適用於頻域拉曼系統。


圖I為本發明的系統結構框圖。圖2為拉曼泵浦光脈衝的強度隨長度變化情況示意圖。圖3 (a)和圖3 (b)為未加入摻餌光纖放大器(EDFA)以及加入摻餌光纖放大器 (EDFA)的系統信噪比與傳感光纖長度的關係示意圖。圖4(a)是光纖布拉格光纖光柵(FBG)的反射譜圖。圖4(b)是光纖布拉格光纖光柵的布拉格波長與溫度的關係圖。附圖標記說明光纖脈衝雷射器I、中繼放大模塊2、第一波分復用器21、第二波分復用器22、波分復用器21、第一環形器23、第一端231、第二端232、第三端233、第二環形器24、第一端241、第二端242、第三端243、摻鉺光纖放大器25、稱合器26、輸入端260、第一輸出端261、第二輸出端262、定標模塊3、傳感光纖4、電光調製器5,環形器6、第一埠 61、第二埠 62、第三埠 63、波分復用器7、1480nm泵浦光源8、信號處理及顯示模塊9。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明。如圖I所示，一種長距離的拉曼分布式溫度傳感系統，包括位於系統前端的光纖脈衝雷射器I、電光調製器5，1480nm泵浦光源8、波分復用器7、環形器6和信號處理及顯示模塊9，其特徵在於，還包括位於系統後端並與系統前段的波分復用器7連接的至少一級定標模塊3、傳感光纖4和中繼放大模塊2，所述定標模塊3、傳感光纖4和中繼放大模塊2依次連接。上述中繼放大模塊2包含一個稱合器26, —個摻鉺光纖放大器(Erbium-dopedOptical Fiber Amplifer, EDFA) 25，兩個四通道的第一波分復用器(WDM) 21和第二波分復用器22，兩個第一環形器23和第二環形器24。上述中繼放大模塊2中各部件的連接結構為|禹合器26的輸入端260與第一波分復用器21的1480nm輸出端連接,f禹合器26的第一輸出端261為摻鉺光纖放大器25的泵浦輸入端，稱合器26的第二輸出端262與第二波分復用器22的1480nm輸入端連接；第一波分復用器21的1550nm輸出端與第一環形器23的第二端232連接，第一環形器23的第三端233與摻鉺光纖放大器25的信號光輸入端連接,摻鉺光纖放大器25的輸出端與第二環形器24的第一端241連接，第二環形器24的第二端242與第二波分復用器22的1550nm端連接，第二環形器24的第三端243和第一環形器23的第一端231連接；第一波分復用器21的S和AS輸出端分別與第二波分復用器22的S和AS輸出端連接。上述中繼放大模塊2中的各部件封裝在一個封閉箱內。
上述定標模塊3的內部結構為包括一個光纖布拉格光纖光柵FBG和一段作為定標光纖的G. 652光纖(本實施例中光纖長度為100m), FBG的輸入端為定標模塊的輸入端，FBG輸出端與G. 652普通單模光纖連接，普通單模光纖的尾端為定標模塊的輸出端。所用定標模塊3中封裝的FBG溫度傳感器為低反射率型，反射率在1°/Γ3%，所用光纖為G. 652普通單模光纖，1480nm泵浦與中繼放大模塊2由光纖連接，連接用光纖與傳感光纖4封裝在I根光纜中。所述定標模塊3中的FBG與定標光纖封裝在一個封閉箱內，並彼此緊密靠緊，保證FBG與定標光纖的溫度一致。並且不同級的定標模塊3中的FBG的布拉格波長不同，並且在1550nm土 Inm以內。本實施例中，定標模塊3被視為現有技術而未對其內部結構做更詳細的描述，但是這不影響本發明的實施。上述光纖脈衝雷射器I的中心波長為1550nm，線寬為2nm，雷射脈衝10ns，峰值功 率為1-100W可調，重複頻率為500Hz 50kHz可調。上述1480nm泵浦光源8的泵浦採用的是半導體雷射器。上述的傳感光纖4、1480nm泵浦光源8與中繼放大模塊2的連接光纖封裝成雙芯光纜。上述的信號處理及顯示模塊9包括數據採集卡和信號處理工控機，數據採集卡與工控機相連。由於本發明中信號處理及顯示模塊9是現有的拉曼分布式溫度傳感系統中的公知部件，因此對其結構和功能不再詳細描述，這並不影響本發明的實施。為了進一步說明本發明，按照光路順序對本發明中的各部件的連接關係進行描述上述光纖脈衝雷射器I與電光調製器5連接，從光纖脈衝雷射器I出來的雷射經過電光調製器5的調製到一個較高頻率後，從環形器6的埠 61進入，然後進入到4通道的波分復用器7的1550nm通道，再進入第一組定標模塊3，經過一段較長距離的傳感光纖4的傳輸後，雷射的能量已經衰減得很低了，這時會進入第一級中繼放大模塊2，中繼放大模塊2中的第一波分復用器(WDM) 21的公共端作為中繼模塊2的輸入端，第一波分復用器21的1480nm通道的輸出端接入f禹合器26,從f禹合器第一輸出端261分出一路作為摻鉺光纖放大器(EDFA) 25的泵浦輸入,從I禹合器第二輸出端262分出另外一路進入後面的第二波分復用器22作為下一級的泵浦，第一波分復用器21的1550nm通道通過第一環形器23進入摻鉺光纖放大器25作為信號光的輸入,摻鉺光纖放大器25的輸出端接第二環形器24的第一端241，經過第二端242進入第二波分復用器22，各路信號經第二波分復用器22合波後從公共端輸出端進入下一級定標模塊3，雷射繼續循環向前傳輸直到到達最後一級中繼放大模塊2。同時,上述傳感光纖4中的後向拉曼散射光會沿著傳感光纖4後向傳輸,當經過中繼放大模塊2，會經過中繼放大模塊2中的第一波分復用器21和第二波分復用器22分波再合波後繼續往後傳輸，最終經過系統前端的波分復用器7的公共端，斯託克斯和反斯託克斯光分別經過S和AS通道進入信號處理及顯示模塊9進行處理；同時，定標模塊3中的FBG反射也會後向傳輸，經過中繼放大模塊2時，會在中繼放大模塊2的內部由第二環形器24的第三端243進入第一環形器23的第一端231，隨後通過1550nm通道傳出中繼放大模塊2，最後經過系統前端的波分復用器7和環形器6的第二埠 62、第三埠 63進入信號處理及顯示模塊9，經處理後完成溫度的定標。如果需要多級放大，可按照定標模塊3，傳感光纖4和中繼放大模塊2的順序依次連接。為了證明本發明方案的可行性，下面對本發明的原理做進一步的說明光纖脈衝雷射器I產生的光脈衝經過電光調製器5調製到一個較高頻率，然後通過第一埠 61進入環形器6到第二埠 62，由波分復用器7的1550nm端，經過定標模塊3打入傳感光纖4。光脈衝經過定標模塊3時,定標模塊中封裝的FBG反射少部分光經波分復用器7的公共端，環形器6的第二埠 62、第三埠 63後進入信號處理及顯示模塊9中的光譜探測器，從而得到定標模塊3中的FBG的中心波長，通過FBG中心波長與溫度的對應關係，就可以得到定標模塊3中光纖的溫度；定標模塊3中光纖中產的自發拉曼射光也被散射回光電探測器，從而得到定標光纖的反斯託克斯光和斯託克斯光的比值R(Ztl)和Ttl，這樣就完成了第一次定標。
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從定標模塊3出來的光脈衝打入傳感光纖4，在傳感光纖4中產生自發拉曼散射，同時光纖沿線的溫度對自發拉曼散射光的強度進行了調製，自發拉曼散射光散射回輸入端後，經過光波分復用器到達光電探測器，從而得到傳感光纖中的斯託克斯光與反斯託克斯光的散射曲線，再經過進一步的信號處理，就得到傳感光纖沿線的溫度分布情況。同時，由於泵浦光經過傳感光纖4的損耗，到達放大模塊之前的泵浦光強度較弱，使得後面的自發拉曼散射光強度較弱，從而無法保證後面的溫度精度。1480nm泵浦光進入放大模塊2的輸入端後，經過耦合器26後，分出一部分作為該級放大模塊2中的EDFA的泵浦光，剩餘部分作為下一級放大模塊EDFA的泵浦光。經過放大模塊的放大，1550nm的拉曼泵浦光強得到補償放大，使放大模塊2後面光纖中的自發拉曼散射光變強，從而延長了傳感距離，提高了傳感光纖後端的溫度精度。放大模塊2後端連接定標模塊3，然後連接傳感光纖4。定標模塊3中的定標光纖與傳感光纖4的自發拉曼射光散射回放大模塊的輸出埠，從放大模塊的輸入端散射回光電探測器，從而得到放大模塊2後端光纖的自發拉曼散射曲線。在經過傳感光纖4後，可以級聯放大模塊和定標模塊繼續延長拉曼分布式溫度傳感系統的距離。本發明的原理的理論推導如下信號處理及顯示模塊9中的光電探測器探測到的斯託克斯光功率和反斯託克斯光的強度可以用下式表示
ZZ4、(，'H = l)}Aus(T)exp(-Jap{z)dz-Jau、{ζγ ζ) + Γ公式(！)
OOΙΛ^,Τ) =+ 公式⑵
OO其中，P0為泵浦光功率，Aas (T) ,As(T)分別為與溫度相關的反斯託克斯光和斯託克斯光的散射係數，ap(z)、aas(z)、Cis(Z)分別為泵浦光、反斯託克斯光和斯託克斯光與位置相關的衰減係數，z、T分別是距離和溫度，C和D分別為光電探測器的暗電流。二者的比值可以表示為
IJzT)-C-
權利要求
1.一種長距離的拉曼分布式溫度傳感系統，包括位於系統前端的光纖脈衝雷射器(I)、電光調製器(5)，1480nm泵浦光源(8)、波分復用器(7)、環形器(6)和信號處理及顯示模塊(9)，其特徵在於，還包括位於系統後端並與系統前段的波分復用器(7)連接的至少一級定標模塊(3 )、傳感光纖(4 )和中繼放大模塊(2 ),所述定標模塊(3 )、傳感光纖(4 )和中繼放大模塊(2)依次連接； 上述中繼放大模塊(2)包含一個耦合器(26)，一個摻鉺光纖放大器(EDFA) (25)，兩個四通道的第一波分復用器(WDM) (21)和第二波分復用器(22)，兩個第一環形器(23)和第二環形器(24)。
2.根據權利要求I所述的一種長距離的拉曼分布式溫度傳感系統，其特徵在於，上述中繼放大模塊(2)中各部件的連接結構為|禹合器(26)的輸入端(260)與第一波分復用器(21)的1480nm輸出端連接禹合器(26)的第一輸出端(261)為摻鉺光纖放大器(25)的泵浦輸入端，稱合器(26)的第二輸出端(262)與第二波分復用器(22)的1480nm輸入端連接；第一波分復用器(21)的1550nm輸出端與第一環形器(23)的第二端(232)連接，第一環形器(23 )的第三端(233 )與摻鉺光纖放大器(25 )的信號光輸入端連接,摻鉺光纖放大器(25 )的輸出端與第二環形器(24)的第一端(241)連接，第二環形器(24)的第二端(242)與第二波分復用器(22)的1550nm端連接，第二環形器(24)的第三端(243)和第一環形器(23)的第一端(231)連接；第一波分復用器(21)的S和AS輸出端分別與第二波分復用器(22)的S和AS輸出端連接；上述中繼放大模塊(2)中的各部件封裝在一個封閉箱內。
3.根據權利要求I所述的一種長距離的拉曼分布式溫度傳感系統，其特徵在於，上述定標模塊(3)的內部結構為包括一個光纖布拉格光纖光柵FBG和一段作為定標光纖的G. 652光纖，FBG的輸入端為定標模塊的輸入端，FBG輸出端與G. 652普通單模光纖連接，普通單模光纖的尾端為定標模塊的輸出端。
全文摘要
本發明涉及一種長距離的拉曼分布式溫度傳感系統，包括位於系統前端的光纖脈衝雷射器、電光調製器，1480nm泵浦光源、波分復用器、環形器和信號處理及顯示模塊，其特徵在於，還包括位於系統後端並與系統前段的波分復用器連接的至少一級定標模塊、傳感光纖和中繼放大模塊，所述定標模塊、傳感光纖和中繼放大模塊依次連接；上述中繼放大模塊包含一個耦合器，一個摻鉺光纖放大器，兩個四通道的第一波分復用器和第二波分復用器，兩個第一環形器和第二環形器。本發明的有益效果是本發明的拉曼分布式光纖溫度傳感系統相較於傳統的拉曼分布式光纖傳感系統，加入了多級放大，顯著延長了傳感距離，並且提高了溫度定標的精度。
文檔編號G01K11/32GK102840929SQ201210323809
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月5日 優先權日2012年9月5日
發明者冉曾令, 劉永利, 左紅梅, 陳怡 申請人:電子科技大學