專利名稱：脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其是脈沖編碼超遠(yuǎn)分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器。
背景技術(shù)：
長期以來，國內(nèi)外在工程領(lǐng)域，大型土木建筑、橋粱、隧道、石化管道、儲油罐和電力電纜主要使用電學(xué)應(yīng)變片和熱敏電組作為應(yīng)變和溫度傳感器，每個傳感器均需連電線， 組成大型檢測網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，這類傳感器本身帶電，本質(zhì)上是不安全的，易受電磁干擾， 不耐腐蝕，也不能定位，不適合于惡劣環(huán)境中使用，更不適合于應(yīng)用地質(zhì)災(zāi)害和火災(zāi)的現(xiàn)場。近年來發(fā)展起來的光纖傳感器網(wǎng)能實現(xiàn)大型土木工程、電力工程、石化工業(yè)，交通橋梁，隧道，地鐵站，大壩、大提和礦業(yè)工程等安全健康監(jiān)控和災(zāi)害的預(yù)報和監(jiān)測。光纖傳感器有兩大類一類是以光纖光柵(FBG)和光纖法白(F-P)等點式傳感器“掛”(布設(shè))在光纖上，采用光時域技術(shù)組成的準(zhǔn)分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)分布式光纖傳感器網(wǎng)的主要問題是在點式傳感器之間的光纖僅是傳輸介質(zhì)，因而存在檢測“盲區(qū)”；另一類利用光纖的本征特性，光纖瑞利、拉曼和布里淵散射效應(yīng)，采用光時域(OTDR)技術(shù)組成的全分布光纖傳感器網(wǎng)，測量應(yīng)變和溫度。全分布光纖傳感器網(wǎng)中的光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)，不存在檢測盲區(qū)。為滿足近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監(jiān)測，提高測量距離和測量精度，對超遠(yuǎn)程全分布式應(yīng)變、溫度傳感網(wǎng)提出了更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是結(jié)合脈沖編碼原理和光纖瑞利與拉曼融合散射傳感原理，提供一種利用光時域反射(OTDR)對測點進行定位，信噪比高、性價比和可靠性好的脈沖編碼光纖激光器全分布式光纖拉曼與瑞利光子傳感器。本發(fā)明的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是包括脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源，脈沖編碼光纖激光器，集成型光纖波分復(fù)用器，光纖窄帶反射濾光片，泵浦-信號耦合器，光纖拉曼激光器，IOOkm傳感光纖，光電接收模塊，數(shù)字信號處理器和工控機，數(shù)字信號處理器與工控機相連，脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源的輸入端與數(shù)字信號處理器的輸出端相連，脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源的輸出端與脈沖編碼光纖激光器的輸入端相連，數(shù)字信號處理器產(chǎn)生的時間序列脈沖編碼信號經(jīng)脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源驅(qū)動脈沖編碼光纖激光器，產(chǎn)生時間序列編碼的激光脈沖，作為傳感器的泵浦源， 集成型光纖波分復(fù)用器具有四個端口，其中1550nm輸入端口與脈沖編碼光纖激光器的輸出端相連，1450nm輸出端口與光電接收模塊的一個輸入端相連，1550nm輸出端口與光電接收模塊的另一個輸入端相連，COM輸出端口經(jīng)光纖窄帶反射濾光片與泵浦-信號耦合器的輸入端相連，泵浦-信號耦合器的一個輸出端與光纖拉曼激光器相連，泵浦-信號耦合器的另一個輸出端與IOOkm傳感光纖相連，光電接收模塊的兩個輸出端分別與數(shù)字信號處理器的兩個輸入端口相連，數(shù)字信號處理器將采集、累加的脈沖編碼光回波信號經(jīng)過解碼解調(diào)后輸給工控機處理，獲得IOOkm傳感光纖所在現(xiàn)場各點的應(yīng)變、溫度信息并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)。本發(fā)明中，所述的脈沖編碼光纖激光器由F-P半導(dǎo)體激光器和摻餌光纖放大器組成，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，所述的光纖拉曼激光器為連續(xù)激光器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. Inm,功率0-1. 2W可調(diào)。光纖拉曼激光器與超遠(yuǎn)程IOOkm傳感光纖構(gòu)成一個前向泵浦的分布式光纖拉曼放大器。本發(fā)明中，所述的光纖窄帶反射濾光片的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. 3nm, 對1465nm瑞利散射光的隔離度>45dB。光纖窄帶反射濾光片抑制1465nm光纖拉曼激光器在傳感光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射，避免瑞利散射光干擾傳感光纖中1450·波段的反斯托克斯拉曼散射的影響。本發(fā)明中，所述的傳感光纖可以是通信用G652光纖或DSF色散位移光纖或碳涂復(fù)單模光纖。本發(fā)明中，所述的光電接收模塊采用兩路低噪音的InGaAs光電雪崩二極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片MAX4107和三級主放大器組成。本發(fā)明中，所述的數(shù)字信號處理器采用嵌入式設(shè)計，由以ADS62P49采集芯片為核心的高速采集器和以ADSP-BF561芯片為核心的高速數(shù)字處理器組成。脈沖編碼光纖激光器發(fā)出時間序列編碼激光脈沖進入傳感光纖，在傳感光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射，斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波，經(jīng)光纖拉曼放大器放大后由集成型光纖波分復(fù)用器分朿，帶有應(yīng)變信息的背向瑞利散射光和帶有溫度信息的反斯托克斯拉曼散射光波分別經(jīng)光電接收模塊，將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號并放大，由數(shù)字信號處理器和工控批解碼解調(diào)后瑞利散射光的強度比得到應(yīng)變的信息，給出傳感光纖上各應(yīng)變探測點的應(yīng)變，應(yīng)變變化速度和方向；由反斯托克斯拉曼散射光與瑞利散射光的強度比，扣除應(yīng)變的影響得到光纖各段的溫度信息，各感溫探測點的溫度，溫度變化速度和方向，應(yīng)變與溫度的檢測不存在交叉效應(yīng)，利用光時域反射對傳感光纖上的檢測點定位(光纖雷達定位)。通過數(shù)字信號處理器與應(yīng)變、溫度解調(diào)軟件解調(diào)并對應(yīng)變與溫度測進行定標(biāo)，在60秒內(nèi)得到IOOkm傳感光纖上各點應(yīng)變與溫度變化量，測溫精度士2°C，由計算機通訊接口、通訊協(xié)議進行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)傳感光纖上檢測點達到設(shè)定的應(yīng)變或溫度報警設(shè)定值時，向報警控制器發(fā)出報警信號。分布式光纖拉曼放大器原理
當(dāng)入射激光％與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個聲子稱為斯托克斯拉曼散射光子，吸收一個聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子△ ν，光纖分子的聲子頻率為 13. 2THz0ν = Λ ν(1)
放大器的開關(guān)增益為
Ga = exp( g&P0L^. f A^)(2)其中= 資是放大器的泵浦光輸入功率，gjs是拉曼增益系數(shù)是光纖的有效截面，^r為光纖的有效作用長度(考慮了光纖對泵浦的吸收損耗)，其表達式如下
^eff = ——[1 - exp(-a ￡)](3)
a p
對于光纖拉曼放大器，泵浦功率只有超過某一閾值時，才有可能會對信號產(chǎn)生受激拉曼放大，在光纖里的斯托克斯波V = Vtl-A ν在光纖介質(zhì)內(nèi)快速增加，大部分泵浦光的功率都可以轉(zhuǎn)換成斯托克斯光，并有拉曼放大作用，增益可以抑制光纖的傳輸損耗，提高全分布式光纖應(yīng)變、溫度傳感器的工作距離，這種受激拉曼散射現(xiàn)象用來增加全分布式光纖傳感器的工作距離。分布式光纖瑞利散射光子傳感器測量形變的原理
光纖脈沖激光器發(fā)出激光脈沖通過集成型光纖波分復(fù)用器射入傳感光纖，激光與光纖分子的相互作用，產(chǎn)生與入射光子同頻率的瑞利散射光，瑞利散射光在光纖中傳輸存損耗，隨光纖長度而指數(shù)式衰減，背向端利散射光強用下式表示
= h · ^ exp(-2^Z)(4)
上式中io為入射到光纖處的光強，Z為光纖長度，/為背向瑞利散射光在光纖長度Z處的光強，為入射光波長處的光纖傳輸損耗。由于光纖將傳感光纖鋪設(shè)在檢測現(xiàn)場，當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境產(chǎn)生形變或裂紋時，造成鋪設(shè)在現(xiàn)場的光纖發(fā)生彎曲，光纖產(chǎn)生局部損耗，形成光纖的附加損耗Δα，則總損耗
G= %+Δα ,局域處的光強有一個跌落，光強由/⑴減少為/'(Ζ),形變造成的附加損耗通
過光強的改變進行測量。
, 1 , /(/)
_7] -=UlogT^⑶
形變或裂紋大小與光纖損耗的關(guān)系采用仿真模型計算并在實驗室進行摸擬試驗測量獲得。分布式光纖拉曼散射光子傳感器測量溫度的原理
當(dāng)入射激光與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個聲子稱為斯托克斯拉曼散射光子，吸收一個聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子，光纖分子的聲子頻率為13.2ΤΗΖ。光纖分子能級上的粒子數(shù)熱分布服從波爾茲曼(Boltzmarm)定律，在光纖里反斯托克斯背向拉曼散射光強為
K. = 1Om K^1L (T) exp[-(a0 +aa)mL](6)
它受到光纖溫度的調(diào)制，溫度調(diào)制函數(shù)兄
Rm(T) = [exp( hAv kT ) - I]"1(7)
h是波朗克(Planck)常數(shù)，Δ ν是一光纖分子的聲子頻率，為13. 2THz，k是波爾茲曼常數(shù)，T是凱爾文(Kelvin)絕對溫度。在本發(fā)明中采用光纖瑞利通道做參考信號，用反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光強度的比值來檢測溫度
權(quán)利要求
1.脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是包括脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源(10)，脈沖編碼光纖激光器(11)，集成型光纖波分復(fù)用器(12)，光纖窄帶反射濾光片(13)，泵浦-信號耦合器(14)，光纖拉曼激光器(15)，IOOkm傳感光纖(16)， 光電接收模塊(17)，數(shù)字信號處理器(18)和工控機(19)，數(shù)字信號處理器(18)與工控機 (19)相連，脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源(10)的輸入端與數(shù)字信號處理器(18)的輸出端相連，脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源(10)的輸出端與脈沖編碼光纖激光器(11)的輸入端相連，數(shù)字信號處理器(18)產(chǎn)生的時間序列脈沖編碼信號經(jīng)脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源(10)驅(qū)動脈沖編碼光纖激光器(11 )，產(chǎn)生時間序列編碼的激光脈沖，作為傳感器的泵浦源，集成型光纖波分復(fù)用器(12)具有四個端口，其中1550nm輸入端口與脈沖編碼光纖激光器(11)的輸出端相連，1450nm輸出端口與光電接收模塊(17)的一個輸入端相連，1550nm 輸出端口與光電接收模塊(17)的另一個輸入端相連，COM輸出端口經(jīng)光纖窄帶反射濾光片 (13)與泵浦-信號耦合器(14)的輸入端相連，泵浦-信號耦合器(14)的一個輸出端與光纖拉曼激光器(15)相連，泵浦-信號耦合器(14)的另一個輸出端與IOOkm傳感光纖(16)相連，光電接收模塊(17)的兩個輸出端分別與數(shù)字信號處理器(18)的兩個輸入端口相連，數(shù)字信號處理器(18)將采集、累加的脈沖編碼光回波信號經(jīng)過解碼解調(diào)后輸給工控機(19) 處理，獲得IOOkm傳感光纖(16)所在現(xiàn)場各點的應(yīng)變、溫度信息并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是脈沖編碼光纖激光器(11)由F-P半導(dǎo)體激光器和摻餌光纖放大器組成，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所述的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是光纖拉曼激光器(15)為連續(xù)激光器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. lnm，功率0-1. 2W可調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是光纖窄帶反射濾光片(13)的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. 3nm，對1465nm瑞利散射光的隔離度>45dB。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是傳感光纖(16)是IOOkm通信用G652光纖或DSF色散位移光纖或碳涂復(fù)單模光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是數(shù)字信號處理器(18)由以ADS62P49采集芯片為核心的高速采集器和以ADSP-BF561 芯片為核心的高速數(shù)字處理器組成。
全文摘要
本發(fā)明公開的脈沖編碼超遠(yuǎn)程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括脈沖編碼光纖激光器驅(qū)動電源，脈沖編碼光纖激光器，集成型光纖波分復(fù)用器，光纖窄帶反射濾光片，泵浦-信號耦合器，光纖拉曼激光器，傳感光纖，光電接收模塊，數(shù)字信號處理器和工控機。該傳感器基于脈沖編碼原理,光纖受激拉曼放大原理，光纖瑞利與拉曼融合散射傳感原理，利用光時域反射原理對測點進行定位。改善了傳感器系統(tǒng)的信噪比，提高了測量溫度和應(yīng)變精度。鋪設(shè)在現(xiàn)場的光纖不帶電，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕，光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)。該傳感器成本低、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好，可靠性好，適用于超遠(yuǎn)程100公里范圍內(nèi)石化管道，隧道，大型土木工程監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)報監(jiān)測。
文檔編號G01B11/16GK102322809SQ20111022634
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, 王劍鋒 申請人:中國計量學(xué)院