CN105910728B - 高空间分辨率拉曼测温传感器及测温方法 - Google Patents

高空间分辨率拉曼测温传感器及测温方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤传感测温技术领域，具体地说是一种高精度的高空间分辨率拉曼测温传感器及测温方法，其特征在于包括超窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器、1×2分光器（1:1）、2块波分复用器、拉曼频移光纤、2个2×1耦合器、2个光电探测器、信号处理采集单元、微处理器单元，本发明相对于现有技术，基于OTDR的拉曼温度传感器空间分辨率指标较差一般为1米，在硬件上易于实现，大大提高了***的空间分辨率指标，在实际应用中可以使拉曼温度传感器的空间分辨率指标达到厘米级别。

Description

高空间分辨率拉曼测温传感器及测温方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感测温技术领域，具体地说是一种高精度的高空间分辨率拉曼测温传感器及测温方法。
技术背景：
光纤拉曼温度传感器是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感产品，该***利用拉曼散射效应和OTDR技术实现对敏感光纤所处温度场的分布式测量，与传统的电温度传感器相比，光纤拉曼温度传感器具有灵敏度高、能够抗电磁干扰、重量轻、寿命长等优点，因此可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐以及大型建筑的温度监控和火灾报警中。
但是由于使用OTDR技术进行定位无法达到较高的空间分辨率，目前基于OTDR技术的光纤拉曼温度传感器空间分辨率极限水平约为1米，所以在很多对空间分辨率要求较高的领域基于OTDR原理的光纤拉曼温度传感器不再满足应用要求，发动机测温、皮带机滚轴测温、变电站开关柜触电测温等，都需要光纤传感器可以达到厘米级别的空间分辨率。OFDR技术有较高的空间分辨率，理论上可以达到毫米级别或者更高的空间分辨率。但是由于OFDR技术在光器件选型、硬件信号获取、数据处理等方面存在较大的技术难度，所以OFDR技术一直较难于实现产品化，国内外的科研机构对该技术的研究也都停留在实验室阶段。
发明内容：
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提供了一种使用OFDR技术进行定位、使用斯托克斯解调反斯托克斯的方法实现温度计算的高空间分辨率拉曼测温传感器及测温方法。
本发明通过以下措施达到：
一种高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于包括超窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器、1×2分光器(1:1)、2块波分复用器、拉曼频移光纤、2个2×1耦合器、2个光电探测器、信号处理采集单元、微处理器单元，其中窄线宽激光器与环形器的1端口相连，声光调制器与环形器的2端口相连，声光调制器另一端与反光镜相连，射频发生器与声光调制器的射频输入相连，窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器共同构成窄线宽扫频光源；环形器的3端口与1×2分光器的输入相连，分光器的两路输出分别与信号光的波分复用器和拉曼频移光纤相连，信号光波分复用器经定标光纤与传感光纤相连，传感光纤中后向拉曼光经波分复用器分为斯托克斯光和反斯托克斯信号光，拉曼频移光纤产生的前向拉曼光经波分复用器后分为斯托克斯和反斯托克斯参考光；斯托克斯参考光与信号光经2×1耦合器进入光电探测器，反斯托克斯参考光与信号光经2×1耦合器进入另一只光电探测器；光电探测器经放大处理采集上传至微处理器***，微处理器***对采集的数据进行分析处理。
本发明中所述的光源为超窄线宽激光器，中心波长为1550nm，线宽小于5kHz，频率稳定性小于50MHz，输出功率大于20mW，保偏特性，偏振消光比大于23dB，可采用DFB激光管和超窄线宽光纤激光器来实现；
本发明中所述的声光调制器，消光比大于50dB，回波损耗大于40dB，频率变化范围大于100MHz；
本发明所述的光环形器，为3端口环形器，分别为1端口进2出，2端口进3端口出，端口之间隔离度大于40dB，各通道插损小于0.7dB；
本发明中所述的光电探测器，采用高带宽、高响应和高增益的InGaAs光电二极管，带宽满足14～18GHz，响应上升时间小于15ps，其增益可达0.7～0.9A/W；放大电路采用高带宽运放，在信号放大的同时保证信号的真实特性；滤波电路采用交流滤波方式，滤除真实信号的直流分量，同时可对信号进行调理，实现硬件去噪。
本发明还提出了一种高空间分辨率拉曼温度传感测温方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：超窄线宽光源，环形器，声光调制器，射频发生器，反光镜构成了线性扫频光源，其光源的中心波长为1550nm，射频发生器输出连接声光调制器的射频输入端，声光调制器产生的频移受射频发生器的频率控制，拉曼温度探测器传感距离2km、空间分辨率为1cm、硬件接收机带宽为10时，光源的频率啁啾范围应为2MHz，光源扫频重复频率50kHz，光源扫频速率为100GHz/s，光源周期性的扫频应与数据采集同步；
步骤2：扫频光源输出经1×2分光器分成两个光束，其中一束光进入拉曼频移光纤，光束在拉曼频移光纤中发生拉曼散射，其中前向拉曼散射信号经波分复用器分成斯托克斯和反斯托克斯拉曼光两束参考光，其中拉曼频移光纤的作用在产品一定强度的前向拉曼散射信号，其长度为10km；经1×2分光器的另外一束光经波分复用器进入传感光纤，光在传感光纤中产生拉曼散射其中后向拉曼散射光经波分复用器分成斯托克斯和反斯托克斯拉曼光两束信号光，波分复用器和波分复用器为4端口器件，波分复用器一个透射端口为1550nm波段、两个发射端口分别为1450nm波段和1660nm波段、一个com端口；1×2分光器与波分复用器的COM端口相连、与波分复用器的透射端口相连；
步骤3：波分复用器的1450nm端口和波分复用器的1450nm端口连接2×1耦合器的两个输入端，2×1耦合器的输出端与光电探测器相连；波分复用器的1660nm端口和波分复用器的1660nm端口连接2×1耦合器的两个输入端，2×1耦合器的输出端与光电探测器相连，1450nm波长的信号光与参考光在光电探测器的光敏面上实现混频，1660nm波长的信号光与参考光在光电探测器的光敏面上实现混频；
步骤4：光电探测器和光电探测器的输出与信号处理采集单元的输入相连，信号处理采集单元将两路光电探测器的输出进行放大并数字化处理并将该数据上传至微处理器单元，微处理器单元将上传的数据进行傅里变换处理，寻找不同频率信号的频率值和幅度值，分别利用频率值和幅度值实现定位和测温。
在使用过程中，OFDR结构包括线性扫频光源、迈克尔逊干涉仪、光电探测器和频谱分析仪，以ω0为中心进行线性扫频的连续光，经耦合器进入迈克尔逊干涉仪结构分成两束，一束为参考光，其光程是固定的，另一束则进入待测光纤，其返回的光信号为信号光，则信号光和参考光就会在光电探测器的光敏面上发生混频，混频之后的信号经光电转换和信号放大后进行数字采集分析。本发明提出利用超窄线宽激光器、环形器、声光调制器和反射镜实现窄线宽扫频光源，扫频光源的扫频速度和扫频范围与声光调制器输入微波频率有关；本发明提出一种使用光纤前向拉曼作为斯托克斯和反斯托克斯参考光方法，为拉曼光的外差探测提供了条件。
外差探测法是将背向拉曼散射信号光与参考光相干的方法，***采用2×1耦合器将信号光与参考光耦合进光电探测器，信号光与参考光在光电探测器光敏面发生混频，由于光电探测器的带宽有限，混频之后差频信号并保留下来。其理论计算如下：
信号光为：Es＝kscos(ω1t+φ1)
参考光为：El＝klcos(ω2t+φ2)
进行外差探测，两路光信号到达探测器部分，其信号强度为：
由于光频很高，探测器带宽有限，所以滤除高频项和直流项之后***探测的信号为：
I(t)＝ksklcos[(ω1-ω2)t+(φ1-φ2)]
将信号通过频率差和相位差表示为：I(t)＝ksklcos(2πΔft+Δφ)
混频之后的信号经光电探测器并放大之后进行数据采集同时将数据上传至微处理器***进行数据分析处理，使用IFFT变换提取采集信号的频率和幅值。
本发明使用斯托克斯解调反斯托克斯光信号的方法实现传感光纤的温度测量，混频之后的信号为信号光与参考光的乘积项，为了消除参考光、硬件一致性差异等对温度解调带来的影响，本***使用了定标光纤，其计算公式如下,T0为定标光纤温度、VASR(T)为反斯托克斯混频信号幅值、VSR(T)为斯托克斯混频信号幅值、VASR(T0)为定标光纤反斯托克斯混频信号幅值、VSR(T0)为定标光纤斯托克斯混频信号幅值。
在已知光源扫频速率γ，光纤折射率n和光速c的值的情况下，根据探测得到的中频分量fIF大小，光程差Z满足如下公式：
本发明相对于现有技术，基于OTDR的拉曼温度传感器空间分辨率指标较差一般为1米，在硬件上易于实现，大大提高了***的空间分辨率指标，在实际应用中可以使拉曼温度传感器的空间分辨率指标达到厘米级别。
附图说明：
附图1是本发明的结构框图。
附图标记：1、超窄线宽光源，2、环形器，3、声光调制器，4、射频发生器，5、反光镜，6、1×2分光器，7、拉曼频移光纤，8、信号光波分复用器，9、传感光纤，10、参考光波分复用器，11、2×1耦合器1，12、2×1耦合器2，13、光电探测器1，14、光电探测器2，15、信号处理采集单元，16、微处理器单元。
具体实施方式：
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式：
如附图所示，本发明提出了一种高空间分辨率拉曼测温传感器及测温方法，包括：第一，超窄线宽光源1，环形器2，声光调制器3，射频发生器4，反光镜5构成了线性扫频光源其光源的中心波长为1550nm，射频发生器4输出连接声光调制器3的射频输入端，声光调制器3产生的频移受射频发生器4的频率控制，拉曼温度探测器传感距离2km、空间分辨率为1cm、硬件接收机带宽为10时，光源的频率啁啾范围应为2MHz，光源扫频重复频率50kHz，光源扫频速率为100GHz/s，光源周期性的扫频应与数据采集同步。
第二，扫频光源输出经1×2分光器分成两个光束，其中一束光进入拉曼频移光纤7，光束在拉曼频移光纤7中发生拉曼散射，其中前向拉曼散射信号经波分复用器10分成斯托克斯和反斯托克斯拉曼光两束参考光，其中拉曼频移光纤7的作用在产品一定强度的前向拉曼散射信号，其长度为10km；经1×2分光器的另外一束光经波分复用器8进入传感光纤9，光在传感光纤中产生拉曼散射其中后向拉曼散射光经波分复用器8分成斯托克斯和反斯托克斯拉曼光两束信号光，波分复用器8和波分复用器10为4端口器件，波分复用器一个透射端口为1550nm波段、两个发射端口分别为1450nm波段和1660nm波段、一个com端口；1×2分光器与波分复用器10的COM端口相连、与波分复用器8的透射端口相连。
第三，波分复用器8的1450nm端口和波分复用器10的1450nm端口连接2×1耦合器11的两个输入端，2×1耦合器11的输出端与光电探测器13相连；波分复用器8的1660nm端口和波分复用器10的1660nm端口连接2×1耦合器12的两个输入端，2×1耦合器12的输出端与光电探测器14相连。1450nm波长的信号光与参考光在光电探测器13的光敏面上实现混频，1660nm波长的信号光与参考光在光电探测器14的光敏面上实现混频。
第四，光电探测器13和光电探测器14的输出与信号处理采集单元15的输入相连，信号处理采集单元15将两路光电探测器的输出进行放大并数字化处理并将该数据上传至微处理器单元16，微处理器单元16将上传的数据进行傅里变换处理，寻找不同频率信号的频率值和幅度值，分别利用频率值和幅度值实现定位和测温。
本发明相对于现有技术，基于OTDR的拉曼温度传感器空间分辨率指标较差一般为1米，在硬件上易于实现，大大提高了***的空间分辨率指标，在实际应用中可以使拉曼温度传感器的空间分辨率指标达到厘米级别。

Claims (6)

1.一种高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于包括超窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器、1×2分光器、2块波分复用器、拉曼频移光纤、2个2×1耦合器、2个光电探测器、信号处理采集单元、微处理器单元，其中超窄线宽激光器与环形器的1端口相连，声光调制器与环形器的2端口相连，声光调制器另一端与反光镜相连，射频发生器与声光调制器的射频输入相连，超窄线宽激光器、环形器、声光调制器、反光镜、射频发生器共同构成窄线宽扫频光源；环形器的3端口与1×2分光器的输入相连，分光器的两路输出分别与信号光波分复用器和拉曼频移光纤相连，信号光波分复用器经定标光纤与传感光纤相连，传感光纤中后向拉曼光经信号光波分复用器分为斯托克斯光和反斯托克斯信号光，拉曼频移光纤产生的前向拉曼光经参考波分复用器后分为斯托克斯和反斯托克斯参考光；斯托克斯参考光与信号光经2×1耦合器进入光电探测器，反斯托克斯参考光与信号光经2×1耦合器进入另一只光电探测器；光电探测器经放大处理采集上传至微处理器***，微处理器***对采集的数据进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于所述的光源为超窄线宽激光器，中心波长为1550nm，线宽小于5kHz，频率稳定性小于50MHz，输出功率大于20mW，保偏特性，偏振消光比大于23dB，采用DFB激光管和超窄线宽光纤激光器来实现。
3.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于所述的声光调制器，消光比大于50dB，回波损耗大于40dB，频率变化范围大于100MHz。
4.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于所述的环形器，为3端口环形器，分别为1端口进2端口出，2端口进3端口出，端口之间隔离度大于40dB，各通道插损小于0.7dB。
5.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率拉曼温度传感器，其特征在于所述的光电探测器，采用高带宽、高响应和高增益的InGaAs光电二极管，带宽满足14~18GHz，响应上升时间小于15ps，其增益可达0.7~0.9A/W；放大电路采用高带宽运放，在信号放大的同时保证信号的真实特性；滤波电路采用交流滤波方式，滤除真实信号的直流分量，同时可对信号进行调理，实现硬件去噪。
6.一种高空间分辨率拉曼温度传感测温方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：超窄线宽光源，环形器，声光调制器，射频发生器，反光镜构成了窄线宽扫频光源，其光源的中心波长为1550nm，射频发生器输出连接声光调制器的射频输入端，声光调制器产生的频移受射频发生器的频率控制，拉曼温度探测器传感距离2km、空间分辨率为1cm、硬件接收机带宽为10时，光源的频率啁啾范围应为2MHz，光源扫频重复频率50kHz，光源扫频速率为100GHz/s，光源周期性的扫频应与数据采集同步；
步骤2：扫频光源输出经1×2分光器分成两个光束，其中一束光进入拉曼频移光纤，光束在拉曼频移光纤中发生拉曼散射，其中前向拉曼散射信号经参考光波分复用器分成斯托克斯和反斯托克斯拉曼光两束参考光，其中拉曼频移光纤的作用在产生前向拉曼散射信号，其长度为10km；经1×2分光器的另外一束光经信号光波分复用器进入传感光纤，光在传感光纤中产生拉曼散射其中后向拉曼散射光经信号光波分复用器分成斯托克斯和反斯托克斯拉曼光两束信号光，信号光波分复用器和参考光波分复用器为4端口器件，波分复用器一个透射端口为1550nm波段、两个发射端口分别为1450nm波段和1660nm波段、一个COM端口；1×2分光器与参考光波分复用器的COM端口相连、与信号光波分复用器的透射端口相连；
步骤3：信号光波分复用器的1450nm端口和参考光波分复用器的1450nm端口连接2×1耦合器的两个输入端，2×1耦合器的输出端与光电探测器相连；信号光波分复用器的1660nm端口和参考光波分复用器的1660nm端口连接2×1耦合器的两个输入端，2×1耦合器的输出端与光电探测器相连，1450nm波长的信号光与参考光在光电探测器的光敏面上实现混频，1660nm波长的信号光与参考光在光电探测器的光敏面上实现混频；
步骤4：光电探测器和光电探测器的输出与信号处理采集单元的输入相连，信号处理采集单元将两路光电探测器的输出进行放大并数字化处理并将该数据上传至微处理器单元，微处理器单元将上传的数据进行傅里叶变换处理，寻找不同频率信号的频率值和幅度值，分别利用频率值和幅度值实现定位和测温。
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