具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1,本发明的采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器,包括具有拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块21,掺铒光纤放大器19,带通滤光片20,具有四个端口的集成型光纤波分复用器11,两个光电接收放大模块12、13,编码解码解调数字信号处理器14,光纤温度取样环17,本征型测温光纤18,数字式温度探测器16和PC机15。光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块21的输出端与掺铒光纤放大器19的输入端相连,掺铒光纤放大器19的输出端与带通滤光片20的一端相连,带通滤光片20的另一端与集成型光纤波分复用器11的输入端口相连,集成型光纤波分复用器11的第一输出端口与光纤温度取样环17的一端相连,光纤温度取样环17的另一端与本征型测温光纤18相连,集成型光纤波分复用器11的第二和第三输出端口分别与第一和第二光电接收放大模块12、13的输入端相连,第一和第二光电接收放大模块12、13的输出端分别与编码解码解调数字信号处理器14的两个输入端相连,数字式温度探测器16的输出端与编码解码解调数字信号处理器14第三个输入端相连,编码解码解调数字信号处理器14的输出端与光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块21的输入端相连,编码解码解调数字信号处理器14的通讯接口连接PC机15。
本发明中的拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块21的中心波长可以为1550nm,光谱宽度<5nm,激光的单位脉冲宽度<6ns;带通滤光片20光谱带宽为8nm,通带波纹<0.3dB,***损耗<0.3dB。
本发明中的集成型光纤波分复用器11由光纤双向耦合器、光纤平行光路、反斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片和斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片集成,具有4个端口。对应1550nm中心波长的拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块,光纤波分复用器的输入端口的波长为1550nm,三个输出端口的波长分别为:1550nm、1450nm和1650nm。其中,1450nm反斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片的中心波长为1450nm,光谱带宽为36nm,通带波纹<0.3dB,***损耗<0.3dB,对1550nm光的隔离度>35dB。1650nm斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片的中心波长为1650nm,光谱带宽为38nm,通带波纹<0.3dB,***损耗<0.3dB,对1550nm光的隔离度>35dB。
本发明中的拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块21也适用于其它波段的波长,例如:1060nm,1310nm等。
本发明中的第一、第二光纤光电接收放大模块13,14,分别由光纤耦合的低噪音InGaAs光电雪崩二极管、低噪音AD8015前置放大器以及由AD8129和AD8361构成的可调增益主放大器构成。
本发明中的编码解码解调数字信号处理器可采用以德州仪器公司(TI)生产的ADS62P49采集芯片为核心的高速采集器和以美国模拟器件公司(AD)生产的ADSP-BF561芯片为核心的高速数字处理器组成的编码解码解调数字信号处理器。
本发明中的数字式温度探测器采用18B20数字式温度探测器。
本发明中的本征型测温光纤为光通仪用62.5/125多模光纤,测温光纤长度为100m~50km。
本发明中的光纤温度取样环采用50米光通仪用62.5/125多模光纤绕成多圈小环形成。
采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器的编码解码原理:
本传感器的序列脉冲编码是通过S矩阵转换来实现的,S矩阵转换是标准哈达马得(Hadamard)转换的一种变式,也可称为哈达马得转换。S矩阵的元素均由“0”和“1”组成,这一特点很适用于激光序列脉冲编码,在实际应用中可用“O”代表激光器关闭,用“1”代表激光器开启。这种采用“0”、“1”的编码方式又可称为简单编码。而解码的过程是对应的逆S矩阵转换。下面结合一个3位的编码解码过程来进一步阐述原理。
如图2(a)所示,P1(t)、P2(t)、P3(t)分别代表脉宽和间距均为τ的激光脉冲,R1(t)、R2(t)、R3(t)分别代表对应脉冲的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号。三位的S矩阵为:
用S矩阵转换的结果为:
图2(b)所示的P1(t)+P3(t)、P2(t)+P3(t)、P1(t)+P2(t)即为用S矩阵转换后的3位编码激光脉冲序列。在图2(b)中R1(t)+R3(t)、R2(t)+R3(t)、R1(t)+R2(t)分别代表编码激光脉冲序列P1(t)+P3(t)、P2(t)+P3(t)、P1(t)+P2(t)的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号。设R′1(t)、R′2(t)、R′3(t)分别代表R1(t)+R3(t)、R2(t)+R3(t)、R1(t)+R2(t)实际测得的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号。e1(t)、e2(t)、e3(t)分别代表对R1(t)+R3(t)、R2(t)+R3(t)、R1(t)+R2(t)实际检测中引入的噪声。则:
设
为解码后恢复的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号则:
由(4)式可得:
由(5)(6)(7)式可得:
设噪声ei(t)是非相关的,具有零均值,其方差为σ2,则噪声的均值和均方差可表述为:
E[ei(t)ej(t+ζ)]=0((i≠j)or(i=j,ζ≠0))
由(8)(9)式可得最终恢复的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号均方差为:
采用传统3次平均的均方差为σ2/3,对应传统3次平均法采用3位脉冲序列编码解码获得的信噪比改善为:
按上述方法类推,采用N位的序列脉冲编码解码可获得的信噪比改善为:
由(12)式可知,信噪比改善随着编码位数的提高而提高。
当N取255时:
采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器的测温原理:
1.光纤光时域反射(OTDR)原理:
当激光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中存在折射率的微观不均匀性,会产生瑞利散射,在时域里,入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t,激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L,2L=V×t,V为光在光纤中传播的速度,V=C/n,C为真空中的光速,n为光纤的折射率。在t时刻测量到的是离光纤入射端光纤长度为L处局域的背向瑞利散射光。用光时域反射技术,可以确定光纤处的损耗,光纤故障点、断点的位置,对测量点进行定位,因此也可称为光纤激光雷达。
在空间域里,光纤的瑞利背向散射光子通量:
φe:在光纤入射端的激光脉冲的光子通量;KR:与光纤瑞利散射截面相关的系数;v0:入射激光的频率;S为光纤的背向散射因子;α0为入射光子频率处光纤的损耗;L为局域处离入射端的光纤长度:
2.光纤Raman背向散射及其温度效应:
在频域里,喇曼散射光子分为斯托克斯和反斯托克斯喇曼散射光子:
斯托克斯喇曼散射光子:vs=v0-Δv (15)
反斯托克斯喇曼散射光子:va=v0+Δv (16)
Δv:光纤声子的振动频率Δv=1.32×1013Hz。
在光纤L处局域的斯托克斯喇曼散射光子通量:
在光纤L处局域的反斯托克斯喇曼散射光子通量:
Ks,Ka分别是与光纤斯托克斯和反斯托克斯喇曼散射截面有关的系数;S为光纤的背向散射因子;vs,va分别为光纤斯托克斯和反斯托克斯喇曼散射光子频率;α0,αs,αa分别为入射光、斯托克斯喇曼散射光、反斯托克斯喇曼散射光的光纤传输损耗;L为光纤待测局域处的长度;Rs(T),Ra(T)分别为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数,与光纤局域处的温度有关。
Rs(T)=[1-exp(-hΔv/kT)]-1 (19)
Ra(T)=[exp(hΔv/kT)-1]-1 (20)
式中h为普朗克常数;k为波耳兹曼常数,一般解调方法是用斯托克斯喇曼散射OTDR曲线来解调反斯托克斯喇曼散射OTDR曲线:
当已知取样环L0处温度T=T0时,由(21)式得:
(21)式除(22)
从(23)式:
在(24)式中
均为已知,则可得到局域L处的温度T。
本发明的分布式光纤拉曼温度传感器适用于255位序列脉冲编码解码,也适用于其它位数的编码,例如:127位等。