CN102116684B - 可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器，采用双芯光缆作为传感光纤，通过双芯光缆末端焊接在一起的方式使泵浦光在传输时分成正反两束，得到两束反斯托克斯拉曼散射光，通过测量反斯托克斯拉曼散射光强实现测温。通过对两束反斯托克斯拉曼散射光强进行相乘运算，可以达到弯曲、损耗、应变等自校正的目的。本发明包括光纤脉冲激光器、光纤波分复用器、双芯光缆、光电接收模块、数字信号处理器和计算机。本发明的优点在于：仅通过测量反斯托克斯拉曼散射光谱强度就可以实现温度测量的同时进行自校正。本***结构简单，避免了传统的测量***由于中心波长不同带来的传输损耗误差和需要多个光电接收器的缺点。

Description

可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器

技术领域

本发明属于光纤传感测温领域，涉及一种可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器。该传感器适用需要结构简单、成本低、使用广的场合，如生产过程、土木工程、灾害监测等的实时连续监测。

技术背景

近年来光纤传感器，特别是分布式光纤拉曼散射传感器由于操作简单、安全、可应用于恶劣环境等优点获得了广泛的关注和研究。该类传感器利用光纤的本征特性，光纤瑞利、拉曼和布里渊散射效应，采用光时域(OTDR)技术实现温度的监控。全分布光纤传感器网中的光纤既是传输介质又是传感介质，不存在检测盲区。该类传感器能实现电力工程、石化工业，交通桥梁，隧道，地铁站，大坝、大堤等的安全健康监控和灾害的预报和监测。传统的分布式光纤拉曼散射传感器主要是利用温度敏感的反斯托克斯拉曼散射光强与瑞利散射光强或斯托克斯散射光强的比来获得温度信息，该方法可以克服由于光源波动而导致的测量误差，但是随着测量距离的增加，为了获得更高的测量精度，由反斯托克斯散射、斯托克斯散射和瑞利散射中心波长不同而带来的传输损耗需要修正。因此研究提出了采用双光源的方法，该方法采用两个中心波长不同的主激光器和副激光器，利用主激光器的反斯托克斯拉曼散射波长和副激光器的中心波长相同来消除波长不同所带来的误差，但是该结构需要增加一个激光器、一个光开关、两个光电探测模块，增加***结构的同时也使得使用成本上升。2010年，韩国Dusun Hwang等提出了在传感光纤末端加一个反射镜的方法，可以实现温度监测的同时进行自校正，(OPTICS EXPRESS，2010，Vol.18，No.10：9747-9754)但反射镜的增加衰减了泵浦光和反斯托克斯光信号的能量，降低了***的性噪比。

本发明采用双芯光缆末端连接的方法代替了反射镜，提供了一种结构更为简单，成本低、信噪比好，可靠性高的可自校正的分布式光纤拉曼散射传感器，该传感器仅需要一个激光器和一个光电探测模块就可以实现温度监测的同时进行自校正。关键用双芯光缆代替传统的单模光纤实现传感测量，双芯光缆末端相连可以使泵浦光源变成正反向两束，从而获得两束反斯托克斯光束，用来抵消光纤本身的损耗。同时对弯曲、传输损耗可以实现自校正，弥补了传统分布式光纤拉曼散射传感器的缺点，降低了成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、结构简单、信噪比好，可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器。

本发明的技术解决方案如下：

可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器，包括光纤脉冲激光器、光纤波分复用器、双芯光缆、光电接收模块、数字信号处理器和计算机。光纤波分复用器有三个端口，其中1550nm输入端与光纤脉冲激光器相连，COM输出端口与双芯光缆的任意一端相连，1450nm输出端口与光电接收模块输入端相连，光电接收模块输出端与数字信号处理器相连，数字信号处理器信号输出端连接计算机。其中所提及的脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为10ns，峰值功率1-100w可调，重复频率为500Hz-20KHz可调。所提及的传感光缆为双芯光缆，末端相连，光纤可以采用G652通信单模光纤，也可以采用碳涂覆单模光纤。

光纤脉冲激光器作为泵浦光源发出激光脉冲通过光纤波分复用器的1550nm输入端***入到双芯光缆的任意一端中，在传感光缆中产生背向瑞利散射，斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射光子波，由于光缆为双芯光缆且末端相连，因此泵浦光源在双芯光缆任意一根光纤中前向传输到末端时由于末端相连而进行背向传输，因而获得正反两个方向的泵浦光，得到两束反斯托克斯拉曼散射光，带有温度信息的背向反斯托克斯拉曼散射光子波经光纤滤波器后由光电接收模块接收，将光信号转换成电信号并放大。由两束反斯托克斯拉曼散射光强的乘积获得光纤各段的温度信息，同时对弯曲、损耗、应变等进行了自校正，消除了各感温探测点的温度、温度变化速度和弯曲、应变与温度的交叉影响。通过数字信号处理器与计算机通讯接口相连进行测量结果的传输。

本发明的有益效果在于：

本发明的可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器，仅用一个泵浦光源和一个光电探测模块，通过监测反斯托克斯拉曼散射光强度就能实现温度的测量和定位，避免了反斯托克斯拉曼散射和瑞利散射或斯托克斯散射中心波长不同而导致的传输衰减外，对弯曲、应变、节点损耗等误差进行了自校正。与传统的分布式光纤拉曼测温***相比，该测温***除具有自校正能力外，结构简单、成本低。本发明适用于需要自校正、成本低场合的连续温度测量，来防止管道，隧道等各种可能的灾害。

附图说明

图1是可自校正的分布式光纤拉曼散射传感器的结构示意图。

图2是传感用双芯光缆末端连接结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步描述。

参见图1所示，可自校正的分布式光纤拉曼散射传感器，包括光纤脉冲激光器11、光纤波分复用器12、双芯光缆13、光电接收模块14、数字信号处理器15和计算机16。光纤波分复用器12有三个端口，其中1550nm输入端口与光纤脉冲激光器11的输出端相连，COM输出端口与传感光缆13的任意一端相连，1450nm输出端口与光电接收模块14的输入端相连，光电接收模块14的输出端与数字信号处理器15的输入端口相连，数字信号处理器15信号输出端连接计算机16。

参见图2所示，所述的双芯光缆包括外封装5和由普通的单模光纤并列形成的双芯光纤6，其中双芯光纤的末端相连。

上述的脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为10ns，峰值功率为1-100w可调，重复频率为500Hz-20KHz可调。

上述的传感光缆为双芯光缆，末端相连，这样泵浦光在光纤中传输时，通过双芯光缆末端相连的方式可以分成相反的两个方向光束，得到两束反斯托克斯拉曼散射光，通过对两束反斯托克斯拉曼散射光的计算，可以实现弯曲、损耗等的自校准，提高了全分布式光纤温度传感器的测量精度。

上述的数字信号处理器采用通用的信号处理卡，插在计算机内。

本发明基于以下原理：

能量为P₀的泵浦光前向传输时产生背向反斯托克斯拉曼散射光的强度为I_n1，当泵浦光传输到测温光缆末端进行反向传输时的能量为P₁，产生的背向反斯托克斯拉曼散射光强为P_n2。根据分布式光纤拉曼散射光子传感器测温原理，在光纤里反斯托克斯背向拉曼散射光强为：

$I_{n1}\left(z\right)=P_{0}g(z,T)\exp (-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_p\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{0}{\overset{z}{\∫}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}}\left(z\right)\mathrm{dz})+C---\left(1\right)$

$I_{n2}\left(z\right)=P_{0}g(z,T)\exp (-\underset{0}{\overset{Z_0}{\∫}}{\mathrm{\α}}_p\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{z}{\overset{Z_0}{\∫}}{\mathrm{\α}}_p\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{0}{\overset{Z_0}{\∫}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}}\left(z\right)\mathrm{dz}-\underset{z}{\overset{Z_0}{\∫}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}}\left(z\right)\mathrm{dz})+C---\left(2\right)$

其中，P₀为泵浦光的强度，g(z，T)为在测温光纤z处的与温度T相关的拉曼散射函数，α_p(z)和α_AS(z)分别为泵浦光和反斯托克斯拉曼散射光在光纤中传输时总的损耗，诸如吸收损耗、熔接点损耗、连接损耗、弯曲损耗等等。Z₀为监测温度区域的长度，C为常数，指光电探测模块探测反斯托克斯背向拉曼散射光强时的背景暗电流。

公式(1)与公式(2)相乘后，可消除位置相关的积分项，得到仅与温度相关的方程如下：

$I_m\left(z\right)=\sqrt{(I_{n1}-C)(I_{n2}-C)}=P_0\mathrm{Ag}(z,T)---\left(3\right)$

其中，表示在整个测温光缆Z₀范围内的各种总损耗，可以近似为常数。又温度函数g(z，T)与反斯托克斯拉曼散射强度成比例，即：

$g(z,T)=\frac{B}{{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{AS}}}^4}\exp {(\frac{\mathrm{hc\Δv}}{k_{B}T\left(z\right)}-1)}^{-1}---\left(4\right)$

其中，B是与传感光纤数值孔径相关的比例系数，h是谱朗克(Planck)常数，Δv是一光纤分子的声子频率，k_B是波尔兹曼常数，T(z)为测温光纤在位置z处的凯尔文(Kelvin)绝对温度。

把公式(4)代入公式(3)，得到被测长度为Z₀范围内的两束反斯托克斯拉曼散射处理后的强度与温度的关系如下：

$I_m\left(z\right)=P_0\·A\·\frac{B}{{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{AS}}}^4}\exp {(\frac{\mathrm{hc\Δv}}{k_{B}T\left(z\right)}-1)}^{-1}---\left(5\right)$

在本发明中采用测量光纤长度为z₀的光纤反斯托克斯拉曼散射通道做参考信号，仅用反斯托克斯拉曼散射强度来解调温度，根据公式(5)得到测温函数：

$T\left(z\right)={\left(\frac{k_B}{\mathrm{hc\Δv}}(\log \left(\frac{I_m\left(z_0\right)}{I_m\left(z\right)}\exp (\frac{\mathrm{hc\Δv}}{k_{B}T\left(z_0\right)}-1)\right)+1)\right)}^{-1}---\left(6\right)$

由光纤拉曼光时域反射(OTDR)曲线在光纤检测点的反斯托克斯拉曼散射光强度，可以得到光纤各段的温度信号，同时能自动校正由弯曲、应变、各类损耗等所带来的对测试结果的影响。

Claims (3)

1.可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器，其特征是包括光纤脉冲激光器(11)、光纤波分复用器(12)、双芯光缆(13)、光电接收模块(14)、数字信号处理器(15)和计算机(16)。光纤波分复用器(12)具有三个端口，其中1550nm输入端口与光纤脉冲激光器(11)相连，COM输出端口与双芯光缆(13)的任意一端相连，1450nm输出端口与光电接收模块(14)的输入端相连，光电接收模块(14)的输出端与数字信号处理器(15)输入端口相连，数字信号处理器(15)信号输出端连接计算机(16)。

2.根据权利要求1所述的可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器，其特征是光纤脉冲激光器(11)的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为10ns，峰值功率为1-100w可调，重复频率为500Hz-20KHz可调。

3.根据权利要求1所述的可自校正的全分布式光纤拉曼散射传感器，其特征是双芯光缆(13)为传感光纤，末端相连，其中的光纤为G652通信单模光纤或碳涂覆单模光纤。

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