CN101261164A - 并置的分布式光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并置的分布式光纤温度传感器，该传感器包括光源、耦合器、波分复用器及光检测装置；其中包括多芯成缆的传感光纤，耦合器8端口P₂、P₃分别与耦合器9、11端口P₁对接，耦合器10端口P₂、P₃分别与耦合器9、11端口P₄对接，耦合器9、11端口P₂、P₃分别接传感光纤；其中光源经耦合器8端口P₁输入，耦合器10端口P₄接波分复用器4，波分复用器4接光检测装置；本发明将光干涉原理应用于喇曼散射型光纤温度传感器，实现测量精度提高或者测量距离更远的目的。

Description

并置的分布式光纤温度传感器

所属技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器，尤其是一种并置的分布式光纤温度传感器。

背景技术

与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多优点，集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控；一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测区域的二维和三维分布情况，能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息，因此单位信息成本显著降低，测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度；在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其他传感器无法接近的恶劣环境下，分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点。因此自20世纪80年代以来，人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术展开了广泛研究。针对分布式光纤温度传感器，首先要解决的是对携带温度信息的光信号的识别和测量位置的确定，光时域反射(OTDR)技术和光频域反射(OFDR)技术对此提供了很好的解决方法；而对于较长距离的分布测温应用，基于散射机理的分布传感***则有着无比的优越性，这是因为此时光纤中所损失的功率直接用于所感应的信号能量。

光纤中最强的散射过程就是瑞利散射，约为入射光的-35dBm，瑞利散射是由光纤中非传播的局域密度的不均匀和成分的不均匀所致，实验和理论都发现玻璃(组成光纤的主要成分)的瑞利散射系数的温度灵敏度极其微弱，因此实现基于瑞利散射的全固光纤的温度分布***很困难，然而在某些液体中，这种温度灵敏度却很强，如在苯中，其温度灵敏度高达0.033dB/K。由于液芯光纤的寿命短，且液体有冰点、沸点的存在，限制了测温的范围，该方案不能得到实际的应用。目前主要应用的是喇曼散射型和布里渊散射型。

光通过光纤时，光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，从而发生自发的布里渊散射，散射光的频率相对入射光的频率变化范围在10GHz∽11GHz。基于该技术的传感器的典型结构为布里渊放大器结构(如图4所示)，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光与一连续光注入传感光纤，当两束光的频率差处于相遇光纤区域中的布里渊增益带宽内时，两束光就会在作用点产生布里渊放大器效应，相互间发生能量转移，在对两台激光器的频率进行连续调整的同时，通过检测从光纤一端射出的连续光的功率，就可确定光纤的各小段区域的布里渊增益达到最大时所对应的频率差，所确定的频率差与光纤上各段区域的布里渊频移相等。因此在光纤与布里渊频移成正比的温度和应变就随之确定。该传感技术所能达到的测量精度主要依赖于两台激光器的调谐精度。所以该***较复杂，成本高，泵浦激光和探测激光必须放在被测光缆的两端，而且不能测断点，对激光器的稳频以及光源和控制***的要求很高。因此其应用受到一定限制。

喇曼散射是当激光脉冲在光纤中传播时由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的。具体地说，如果一部分光能转换成热振动，那么将发出一个比光源波长长的光称为喇曼斯托克斯光，如果一部分热振动转换为光能，那么将发出一个比光源波长短的光称为喇曼反斯托克斯光。基于自发喇曼散射的分布式温度传感***如图5所示，两种喇曼后向散射光，斯托克斯光和反斯托克斯光经波分复用器后被分离，然后被光电接收放大组件接收转变为电信号并放大，再经信号处理***处理转变为温度信号，作为一种双通道测量方法可以有效消除光源的不稳定和光纤传输与耦合的随机噪声的影响。后向散射喇曼光与入射光的关系为：

$P_o=\frac{1}{2}{P}_i\mathrm{Sexp}(-2\mathrm{\αL})---\left(1\right)$

其中P_o为后向散射喇曼光功率，L为传感光纤长度，α为光纤的平均损耗系数，S为喇曼

后散射因子(含温度信息)，P_i为入射光功率。

喇曼分布式光纤传感器的唯一不足之处是返回信号相当弱，因为反斯托克斯散射强度只有入射光的-75dBm，为了避免信号处理过程中信号平均时间过长，脉冲激光源的峰值功率相当高，但不能超过喇曼散射受激的阈值功率，并且测量距离越长，阈值功率越小，P_i的最大值为喇曼散射受激的阈值功率P_i ^cr：

$P_i^{\mathrm{cr}}(1-\exp (-\mathrm{\αL}))/\mathrm{\α}=C---\left(2\right).$

其中C为常数。

发明内容

本发明是为了克服喇曼散射型光纤温度传感器测量距离越长，返回光信号越弱的缺点，而提供了一种并置的分布式光纤温度传感器，该传感器采用多芯传感光纤并置，光源分路，利用3dB耦合器π/2相位突变和光纤交叉相位调制在3dB耦合器中同相原理，返回光信号干涉相长，可以用每路接近阈值功率的光入射，实现信号处理过程中信号平均时间缩短，测量精度反而提高的目的或者测量距离更远的目的。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种并置的分布式光纤温度传感器(图1)，该传感器包括光源、耦合器、波分复用器及光检测装置；其中包括多芯成缆的传感光纤，耦合器8端口P₂、P₃分别与耦合器9、11端口P₁对接，耦合器10端口P₂、P₃分别与耦合器9、11端口R₄对接，耦合器9、11端口P₂、P₃分别接传感光纤；其中光源经耦合器8端口P₁输入，耦合器10端口P₄接波分复用器4，波分复用器4接光检测装置。

根据上述装置，光源至耦合器8设置隔离器。

所述的光源为激光器，包括半导体激光器加光放大器和光纤激光器。

所述的光纤为低损耗光纤。

所述的光检测装置为探测器。

所述的光检测装置的信号与信号处理装置相连。

本发明相比现有技术的优点主要在于：

1.本发明采用了新的工作原理。本发明将光干涉原理应用于喇曼散射型光纤温度传感器；按照这一原理它可以获得更强的返回光信号，提高传感器的信噪比，整个***工作可靠，其性价比较高。

2.本发明突破了总入射光功率受阈值功率的限制，由于返回光信号干涉相长的缘故，实现了传感器可以获得较高的测量精度。

3.本发明在相同的信号处理能力下，可获得比单路***更长的测量距离。

附图说明

图1是本发明的实施例一4路并置的分布式光纤温度传感器的结构示意图

图2是本发明的实施例二2路并置的分布式光纤温度传感器的结构示意图

图3是本发明的实施例三8路并置的分布式光纤温度传感器的结构示意图

图4是一种布里渊散射型分布式光纤温度传感器的结构示意图

图5是公认的一种喇曼散射型分布式光纤温度传感器的结构示意图

图中标号说明如下：

1-光源  2-隔离器  3-传感光缆  4-波分复用器  5-探测器组件  6-微处理器  7-驱动器  8--15-3dB耦合器

具体的实施方式

参照图1，为本发明的实施例一4路并置的分布式光纤温度传感器的结构示意图。本发明采用4芯传感光纤并置，入射光分4路，利用3dB耦合器π/2相位突变和光纤交叉相位调制在3dB耦合器中同相原理，返回光信号干涉相长，返回光功率与单路入射光功率关系为：

P_o＝4P_iSexp(-2αL)  (3)

所述的传输光纤采用低损耗光纤，要求能适合入射光波长的激光进行低损耗传输。

所述的光探测器采用能够在上述选用的入射激光波长下对自发喇曼后散射光信号进行高灵敏度光电转换的半导体光电探测器，用于将携带有温度信息的光信号转换成电信号。

其它：光源隔离器、驱动器，电信号放大与微处理器控制与数据处理等。

本发明的原理如下：

设耦合器2、3、5、6的光强耦合系数均为k，入射光在光纤中传播常数为β₁，喇曼散射光在光纤中传播常数为β₂， $j=-\sqrt{1},$ 由光纤耦合器的传输矩阵得：

$E_1=(1-k)E_i,E_2=j\sqrt{(1-k)k}{E}_i,E_3=j\sqrt{(1-k)k}{E}_i,E_4=-k{E}_i---\left(4\right)$

返回光场不仅获得了线性相移，而且还获得了自相位调制和交叉相位调制引入的非线性相移：

$E_m^{\′}=E_m\sqrt{S}\exp \{-\mathrm{\αL}+j({\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_2)L+\mathrm{j\γL}[{\left|E_m^{\′}\right|}^2+(2-f_R){\left|E_m\right|}^2\left)\right]\},(m=\mathrm{1,2,3,4})---\left(5\right)$

其中γ为光纤非线性参数，f_R为喇曼参量(值约为0.18)，由于返回光非常微弱，且γ非常小，因此上式中γL|E′_m|²可以忽略。

$E_o=-k{E}_1^{\′}+j\sqrt{(1-k)k}{E}_2^{\′}+j\sqrt{(1-k)k}{E}_3^{\′}+(1-k)E_4^{\′}---\left(6\right)$

当k＝1/2时

$E_o=-E_i\sqrt{S}\exp (-\mathrm{\αL}+j({\mathrm{\β}}_1-{\mathrm{\β}}_2)L+j0.455\mathrm{\γL}{\left|E_i\right|}^2)---\left(7\right)$

返回光功率 $P_o=<E^{*}{E}_o^{*}>=4P_i\mathrm{Sexp}(-2\mathrm{\&alpha;L})---\left(8\right)$

图2结构示意图的返回光功率P_o＝2P_iSexp(-2αL)  (9)

图3结构示意图的返回光功率P_o＝8P_iSexp(-2αL)  (10)

以此类推，按2ⁿ(n＝1，2，3，…)路并置的传感器的返回光功率P_o＝2ⁿP_iSexp(-2αL)  (11)

由此可见，式(11)的光功率是式(1)的2ⁿ⁺¹(n＝1，2，3，…)倍，实现了传感器信噪比的提高，从而测量温度精度相应提高。如果在后续相同的信号处理能力下，可获得与单路***的测量长度关系为：

$\frac{1}{2}\exp (-2\mathrm{\&alpha;L})\mathrm{C\&alpha;}/(1-\exp (-\mathrm{\&alpha;L}))=2^n\exp (-2\mathrm{\&alpha;l})\mathrm{C\&alpha;}/(1-\exp (-\mathrm{\&alpha;l}))---\left(12\right)$

解式(12)得：

$l=\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}\ln \{\frac{1}{2}+\sqrt{\frac{1}{4}+2^{n+1}[\exp \left(2\mathrm{\&alpha;L}\right)-\exp \left(\mathrm{\&alpha;L}\right)]}\}---\left(13\right)$

例如α＝0.25dB/km，L＝8km，计算式(13)得l＝17.7km。

由上分析可知我们提出并置的分布式光纤温度传感器，不是简单的单路***的叠加，而是引入光干涉原理，建立干涉式分布式光纤温度传感器的创新。

参照图2，为本发明的实施例二的2路并置的分布式光纤温度传感器的结构示意图，本实施例的其余结构与例一同，只是用耦合器8构成两路输入形式。

参照图3，为本发明的实施例三的8路并置的分布式光纤温度传感器的结构示意图，本实施例的其余结构与例一同，只是用耦合器8、9、10、11、12、13、14、15、16、17构成8路输入形式。

Claims (6)

1. 一种并置的分布式光纤温度传感器，该传感器包括光源、耦合器、波分复用器及光检测装置；其中包括多芯成缆的传感光纤，耦合器8端口P₂、P₃分别与耦合器9、11端口P₁对接，耦合器10端口P₂、P₃分别与耦合器9、11端口P₄对接，耦合器9、11端口P₂、P₃分别接传感光纤；其中光源经耦合器8端口P₁输入，耦合器10端口P₄接波分复用器4，波分复用器4接光检测装置。

2. 如权利要求1所述的基于并置的分布式光纤温度传感器，其特征在于光源至耦合器8设置隔离器。

3. 如权利要求1所述的基于并置的分布式光纤温度传感器，其特征在于光检测装置为探测器。

4. 如权利要求1所述的基于并置的分布式光纤温度传感器，其特征在于光源为激光器，包括半导体激光器加光放大器和光纤激光器。

5. 如权利要求1所述的基于并置的分布式光纤温度传感器，其特征在于光纤为低损耗光纤。

6. 如权利要求1所述的基于并置的分布式光纤温度传感器，其特征在于采用对称方式扩展为2的指数次方输出路结构，或根据实际需要取介于2的指数次方之间的输出路结构。

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