專利名稱：超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光纖Raman放大器的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在分布式光纖傳感器領(lǐng)域，國內(nèi)外有分布式光纖拉曼散射光子溫度傳感器檢測現(xiàn)場的溫度，國外有分布式光纖布里淵散射光子傳感器檢測現(xiàn)場的應(yīng)變和溫度，由于存在交叉效應(yīng)，不能同時測量光纖的應(yīng)變和溫度，英國南安普敦大學Newson研究團隊提出采用窄帶激光光源利用光纖的背向自發(fā)反斯托克斯拉曼散射測溫并用自發(fā)光纖布里淵散射效應(yīng)來測量應(yīng)變，但由于光纖布里淵散射的光譜帶寬很窄，因此，測量溫度和應(yīng)變的精度低(M. N. Allahbabi, Y. T. Cho and Τ. P. Newson, Simulataneous Distributed Measurements of Temperature and Strain using Spontaneous Raman and Brillouin Scattering, Optics Letters, 2005, 1 June, p. 1276-1278)。中國計量學院張在宣研究團隊提出采用兩個不同光譜帶寬的激光光源，采用寬帶光源的光纖拉曼散射強度比測量光纖的溫度，采用窄帶光源的光纖布里淵散射線的頻移比測量光纖的應(yīng)變，初步解決了應(yīng)變和溫度同時測量的問題(張在宣等《超遠程分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器》， ZL200710156868.0);中國計量學院余向東，張在宣等提出將脈沖編碼技術(shù)應(yīng)用于全分布式光纖傳感器(余向東，張在宣等《采用序列脈沖編碼解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器》， CN101819073A)在光纖傳感系統(tǒng)中采用脈沖編碼技術(shù)提高了發(fā)射信號光子數(shù)，使得背向拉曼散射光強度提高，改善了系統(tǒng)的信噪比，從而大大提高了系統(tǒng)的信噪比。融合脈沖編碼技術(shù)，光纖拉曼散射、布里淵散射技術(shù)，受激拉曼放大技術(shù)可有效地提高測量距離和測量精度，滿足近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監(jiān)測，對超遠程IOOkm全分布式光纖應(yīng)變、溫度傳感網(wǎng)的迫切需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器， 以實現(xiàn)增加系統(tǒng)的測量長度，同時提高測量溫度和應(yīng)變的精度。本發(fā)明的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器包括波形發(fā)生器， 半導體外腔窄帶脈沖光纖激光器，半導體FP腔寬帶光纖激光器，光纖分波器，脈沖編碼光調(diào)制器，光纖合波器，單向器，光纖拉曼激光器，泵浦-信號光纖耦合器，雙向耦合器，超遠程單模光纖，光纖光柵窄帶反射濾光器，波分復(fù)用器，兩個光電接收模塊，直接檢測系統(tǒng)，兩個窄帶光纖光柵濾光器，通過環(huán)行器，相干檢測系統(tǒng)和工控機，工控機的輸出端與波形發(fā)生器的輸入端相連，波形發(fā)生器的一個輸出端與半導體FP腔寬帶光纖激光器的輸入端相連， 波形發(fā)生器的另一個輸出端與脈沖編碼光調(diào)制器的一個輸入端相連，半導體FP腔寬帶光纖激光器的輸出端與光纖合波器的一個輸入端相連，半導體外腔窄帶脈沖光纖激光器的輸出端與光纖分波器的輸入端相連，光纖分波器的一個輸出端與脈沖編碼光調(diào)制器的另一個輸入端相連，光纖分波器的另一個輸出端經(jīng)第二窄帶光纖光柵濾光器與通過環(huán)行器的一個輸入端相連，脈沖編碼光調(diào)制器的輸出端與光纖合波器的另一個輸入端相連，光纖合波器的輸出端與單向器的輸入端相連，單向器的輸出端與泵浦-信號光纖耦合器的一個輸入端相連，泵浦-信號光纖耦合器的另一個輸入端與光纖拉曼激光器相連，泵浦-信號光纖耦合器的輸出端與雙向耦合器的輸入端相連，雙向耦合器的一個輸出端連接超遠程單模光纖， 雙向耦合器的另一個輸出端經(jīng)光纖光柵窄帶反射濾光器與波分復(fù)用器的輸入端相連，波分復(fù)用器的一個輸出端經(jīng)第一光電接收模塊與直接檢測系統(tǒng)的一個輸入端相連，波分復(fù)用器的另一個輸出端經(jīng)第二光電接收模塊與直接檢測系統(tǒng)的另一個輸入端相連，波分復(fù)用器的第三個輸出端與第一窄帶光纖光柵濾光器的輸入端相連，直接檢測系統(tǒng)的輸出端與工控機的一個輸入端相連，第一窄帶光纖光柵濾光器的輸出端與通過環(huán)行器的另一個輸入端相連，通過環(huán)行器的輸出端經(jīng)相干檢測系統(tǒng)與工控機的另一個輸入端相連。本發(fā)明中，所述的半導體FP腔寬帶光纖激光器由F-P半導體激光器組成，其中心波長為1550nm，光譜寬度為3nm，激光的單位脈沖寬度<6ns。本發(fā)明中，所述的半導體外腔窄帶脈沖光纖激光器是中心波長為1555nm，光譜帶寬為200kHz的20mW連續(xù)運行的光纖激光器。本發(fā)明中，所述的編碼光調(diào)制器是鈮酸鋰馬赫-澤德爾調(diào)制器(Mach - Zehnder modulator (MZM))。本發(fā)明中，所述的光纖拉曼激光器是波長為1465nm的功率可調(diào)光纖拉曼激光器。 它與泵浦-信號光纖耦合器與超遠程IOOkm單模光纖組合成一只增益可調(diào)的前向泵浦分布式光纖拉曼放大器。本發(fā)明中，所述的光纖光柵窄帶反射濾波器是高反射率、高隔離度(大于35dB)，波長為1465nm窄帶光譜間隔為0. 3nm的光纖光柵反射濾波器。本發(fā)明中，所述的波分復(fù)用器具有四個端口，一個輸入端口，三個輸出端口，第一輸出端口是1450nm端口，為光纖反斯托克斯拉曼散射光輸出口，第二輸出端口是1660nm端口，為光纖斯托克斯拉曼散射光輸出口，第三輸出端口是1550nm端口，為光纖瑞利和布里淵散射光輸出口。本發(fā)明中，所述的第一窄帶光纖光柵濾光器是中心波長為1555. 08nm,光譜帶寬為 0. Inm,損耗<0. 3dB,隔離度>35dB的光纖光柵。第二窄帶光纖光柵濾光器是中心波長為 1555. Onm，光譜帶寬為0. lnm，損耗<0. 3dB，隔離度>35dB的光纖光柵。本發(fā)明中，所述的相干檢測系統(tǒng)是頻譜范圍9kHz46. 5GHz的頻譜分析儀。超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器是基于光纖非線性光學散射融合原理、波分復(fù)用原理和脈沖編碼原理，利用光纖受激拉曼散射效應(yīng)，自發(fā)拉曼散射的溫度效應(yīng)和自發(fā)布里淵散射應(yīng)變效應(yīng)和光時域反射原理制成的測量溫度和應(yīng)變的傳感器。脈沖編碼分布式拉曼、布里淵散射光纖傳感器的編碼解碼原理
本傳感器的序列脈沖編碼是通過S矩陣轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的，S矩陣轉(zhuǎn)換是標準哈達馬得 (Hadamard)轉(zhuǎn)換的一種變式，也可稱為哈達馬得轉(zhuǎn)換。S矩陣的元素均由“0”和“ 1”組成， 這一特點很適用于激光序列脈沖編碼，在實際應(yīng)用中可用“0”代表激光器關(guān)閉，用“ 1”代表激光器開啟。這種采用“0”、“1”的編碼方式又可稱為簡單編碼。而解碼的過程是對應(yīng)的逆 S矩陣轉(zhuǎn)換。
由編碼原理推導得知，采用N位的序列脈沖編碼解碼可獲得的信噪比改善為
權(quán)利要求
1.超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，其特征是包括波形發(fā)生器(9)，半導體外腔窄帶脈沖光纖激光器(10)，半導體FP腔寬帶光纖激光器(11)，光纖分波器(12)，脈沖編碼光調(diào)制器(13)，光纖合波器(14)，單向器(15)，光纖拉曼激光器 (16)，泵浦-信號光纖耦合器(17)，雙向耦合器(18)，超遠程單模光纖(19)，光纖光柵窄帶反射濾光器(20)，波分復(fù)用器(21)，兩個光電接收模塊(22、23)，直接檢測系統(tǒng)(24)，兩個窄帶光纖光柵濾光器(25、沈)，通過環(huán)行器(27 )，相干檢測系統(tǒng)(28 )和工控機09)，工控機 (29)的輸出端與波形發(fā)生器(9)的輸入端相連，波形發(fā)生器(9)的一個輸出端與半導體FP 腔寬帶光纖激光器(11)的輸入端相連，波形發(fā)生器(9)的另一個輸出端與脈沖編碼光調(diào)制器(13)的一個輸入端相連，半導體FP腔寬帶光纖激光器(11)的輸出端與光纖合波器(14) 的一個輸入端相連，半導體外腔窄帶脈沖光纖激光器(10)的輸出端與光纖分波器(12)的輸入端相連，光纖分波器(12)的一個輸出端與脈沖編碼光調(diào)制器(13)的另一個輸入端相連，光纖分波器(12)的另一個輸出端經(jīng)第二窄帶光纖光柵濾光器(26)與通過環(huán)行器(27) 的一個輸入端相連，脈沖編碼光調(diào)制器(13)的輸出端與光纖合波器(14)的另一個輸入端相連，光纖合波器(14)的輸出端與單向器(15)的輸入端相連，單向器(15)的輸出端與泵浦-信號光纖耦合器(17)的一個輸入端相連，泵浦-信號光纖耦合器(17)的另一個輸入端與光纖拉曼激光器(16)相連，泵浦-信號光纖耦合器(17)的輸出端與雙向耦合器(18) 的輸入端相連，雙向耦合器(18)的一個輸出端連接超遠程單模光纖(19)，雙向耦合器(18) 的另一個輸出端經(jīng)光纖光柵窄帶反射濾光器(20)與波分復(fù)用器(21)的輸入端相連，波分復(fù)用器(21)的一個輸出端經(jīng)第一光電接收模塊(22)與直接檢測系統(tǒng)(24)的一個輸入端相連，波分復(fù)用器(21)的另一個輸出端經(jīng)第二光電接收模塊(23)與直接檢測系統(tǒng)(24)的另一個輸入端相連，波分復(fù)用器(21)的第三個輸出端與第一窄帶光纖光柵濾光器(25)的輸入端相連，直接檢測系統(tǒng)(24)的輸出端與工控機09)的一個輸入端相連，第一窄帶光纖光柵濾光器(25)的輸出端與通過環(huán)行器(27)的另一個輸入端相連，通過環(huán)行器(27)的輸出端經(jīng)相干檢測系統(tǒng)(28)與工控機09)的另一個輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，其特征是半導體FP腔寬帶光纖激光器(11)的中心波長為1550nm，光譜寬度為3nm，激光的單位脈沖寬度<6ns。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，其特征是半導體外腔窄帶脈沖光纖激光器(10)的中心波長為1555nm，光譜帶寬為200kHz的 20mff連續(xù)運行的光纖激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，其特征是脈沖編碼光調(diào)制器(13)是鈮酸鋰馬赫-澤德爾調(diào)制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，其特征在于光纖拉曼激光器(16)是波長為1465nm的功率可調(diào)光纖拉曼激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，其特征在于光纖光柵窄帶反射濾波器(20)是波長為1465nm窄帶光譜間隔為0. 3nm的光纖光柵反射濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，其特征是波分復(fù)用器(21)具有四個端口，一個輸入端口，三個輸出端口，第一輸出端口是1450nm端口，為光纖反斯托克斯拉曼散射光輸出口，第二輸出端口是1660nm端口，為光纖斯托克斯拉曼散射光輸出口，第三輸出端口是1550nm端口，為光纖瑞利和布里淵散射光輸出口。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，其特征在于第一窄帶光纖光柵濾光器(25)是中心波長為1555. 08nm，光譜帶寬為0. lnm，損耗 <0. 3dB，隔離度>35dB的光纖光柵；第二窄帶光纖光柵濾光器(26)是中心波長為1555. Onm, 光譜帶寬為0. lnm，損耗<0. 3dB,隔離度>35dB的光纖光柵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器，其特征是相干檢測系統(tǒng)(28)是頻譜范圍9kHz46. 5GHz的頻譜分析儀。
全文摘要
本發(fā)明公開的超遠程脈沖編碼分布式光纖拉曼與布里淵光子傳感器是利用脈沖編碼原理，光纖受激拉曼散射效應(yīng)，自發(fā)拉曼散射的溫度效應(yīng)和自發(fā)布里淵散射應(yīng)變效應(yīng)和光時域反射原理制成的測量溫度和應(yīng)變的傳感器。將放大的脈沖編碼反向反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光分別通過兩個光電接收模塊輸入直接檢測系統(tǒng)解碼解調(diào)，測量兩者的強度比，得到光纖各段的溫度信息。將放大的脈沖編碼反向光纖布里淵散射光與外腔窄帶光纖激光器的本地光拍頻進行相干檢測，通過解碼解調(diào)測量頻移得到光纖各段的應(yīng)變信息。該傳感器采用時間序列編碼激光脈沖可有效增加入射傳感光纖的光子數(shù)，改善傳感系統(tǒng)的信噪比。增加測量長度，改善測量精度和空間分辨率。
文檔編號G01B11/16GK102322808SQ20111022629
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者余向東, 張在宣, 李裔, 王劍鋒, 龔華平 申請人:中國計量學院