超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器转让专利
申请号 : CN201110226296.5
文献号 : CN102322808B
文献日 : 2013-03-27
发明人 : 张在宣 , 龚华平 , 李裔 , 余向东 , 王剑锋
申请人 : 中国计量学院
摘要 :
权利要求 :
1.超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器,其特征是包括波形发
生器(9),半导体外腔窄带脉冲光纤激光器(10),半导体FP腔宽带光纤激光器(11),光纤分波器(12),脉冲编码光调制器(13),光纤合波器(14),单向器(15),光纤拉曼激光器(16),泵浦-信号光纤耦合器(17),双向耦合器(18),超远程单模光纤(19),光纤光栅窄带反射滤光器(20),波分复用器(21),两个光电接收模块(22、23),直接检测系统(24),两个窄带光纤光栅滤光器(25、26),通过环行器(27),相干检测系统(28)和工控机(29),工控机(29)的输出端与波形发生器(9)的输入端相连,波形发生器(9)的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器(11)的输入端相连,波形发生器(9)的另一个输出端与脉冲编码光调制器(13)的一个输入端相连,半导体FP腔宽带光纤激光器(11)的输出端与光纤合波器(14)的一个输入端相连,半导体外腔窄带脉冲光纤激光器(10)的输出端与光纤分波器(12)的输入端相连,光纤分波器(12)的一个输出端与脉冲编码光调制器(13)的另一个输入端相连,光纤分波器(12)的另一个输出端经第二窄带光纤光栅滤光器(26)与通过环行器(27)的一个输入端相连,脉冲编码光调制器(13)的输出端与光纤合波器(14)的另一个输入端相连,光纤合波器(14)的输出端与单向器(15)的输入端相连,单向器(15)的输出端与泵浦-信号光纤耦合器(17)的一个输入端相连,泵浦-信号光纤耦合器(17)的另一个输入端与光纤拉曼激光器(16)相连,泵浦-信号光纤耦合器(17)的输出端与双向耦合器(18)的输入端相连,双向耦合器(18)的一个输出端连接超远程单模光纤(19),双向耦合器(18)的另一个输出端经光纤光栅窄带反射滤光器(20)与波分复用器(21)的输入端相连,波分复用器(21)的一个输出端经第一光电接收模块(22)与直接检测系统(24)的一个输入端相连,波分复用器(21)的另一个输出端经第二光电接收模块(23)与直接检测系统(24)的另一个输入端相连,波分复用器(21)的第三个输出端与第一窄带光纤光栅滤光器(25)的输入端相连,直接检测系统(24)的输出端与工控机(29)的一个输入端相连,第一窄带光纤光栅滤光器(25)的输出端与通过环行器(27)的另一个输入端相连,通过环行器(27)的输出端经相干检测系统(28)与工控机(29)的另一个输入端相连。
2.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器,其特征是半导体FP腔宽带光纤激光器(11)的中心波长为1550nm,光谱宽度为3nm,激光的单位脉冲宽度<6ns。
3.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器,其特征是半导体外腔窄带脉冲光纤激光器(10)是中心波长为1555nm,光谱带宽为200kHz的
20mW连续运行的光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器,其特征是脉冲编码光调制器(13)是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器。
5.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器,其特征在于光纤拉曼激光器(16)是波长为1465nm的功率可调光纤拉曼激光器。
6.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器,其特征在于光纤光栅窄带反射滤波器(20)是波长为1465nm窄带光谱间隔为0.3nm的光纤光栅反射滤波器。
7.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器,其特征是波分复用器(21)具有四个端口,一个输入端口,三个输出端口,第一输出端口是
1450nm端口,为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口,第二输出端口是1660nm端口,为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口,第三输出端口是1550nm端口,为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。
8.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器,其特征在于第一窄带光纤光栅滤光器(25)是中心波长为1555.08nm,光谱带宽为0.1nm,损耗<0.3dB,隔离度>35dB的光纤光栅;第二窄带光纤光栅滤光器(26)是中心波长为1555.0nm,光谱带宽为0.1nm,损耗<0.3dB,隔离度>35dB的光纤光栅。
9.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器,其特征是相干检测系统(28)是频谱范围9kHz-26.5GHz的频谱分析仪。
说明书 :
超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器
技术领域
背景技术
存在交叉效应,不能同时测量光纤的应变和温度,英国南安普敦大学Newson研究团队
提出采用窄带激光光源利用光纤的背向自发反斯托克斯拉曼散射测温并用自发光纤布
里渊散射效应来测量应变,但由于光纤布里渊散射的光谱带寬很窄,因此,测量温度和应
变的精度低(M.N.Allahbabi, Y.T.Cho and T.P.Newson,Simulataneous Distributed
Measurements of Temperature and Strain using Spontaneous Raman and Brillouin
Scattering,Optics Letters,2005,1 June, p.1276-1278)。中国计量学院张在宣研究
团队提出采用两个不同光谱带宽的激光光源,采用宽带光源的光纤拉曼散射强度比测量
光纤的温度,采用窄带光源的光纤布里渊散射线的频移比测量光纤的应变,初步解决了
应变和温度同时测量的问题(张在宣等《超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器》,
ZL200710156868.0);中国计量学院余向东,张在宣等提出将脉冲编码技术应用于全分布式
光纤传感器 (余向东,张在宣等《采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器》,
CN101819073A)在光纤传感系统中采用脉冲编码技术提高了发射信号光子数,使得背向拉
曼散射光强度提高,改善了系统的信噪比,从而大大提高了系统的信噪比。融合脉冲编码
技术,光纤拉曼散射、布里渊散射技术,受激拉曼放大技术可有效地提高测量距离和测量精
度,满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测,对超远程100km全分布式光纤应
变、温度传感网的迫切需求。
发明内容
调制器,光纤合波器,单向器,光纤拉曼激光器,泵浦-信号光纤耦合器,双向耦合器,超远
程单模光纤,光纤光栅窄带反射滤光器,波分复用器,两个光电接收模块,直接检测系统,两
个窄带光纤光栅滤光器,通过环行器,相干检测系统和工控机,工控机的输出端与波形发生
器的输入端相连,波形发生器的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器的输入端相连,
波形发生器的另一个输出端与脉冲编码光调制器的一个输入端相连,半导体FP腔宽带光
纤激光器的输出端与光纤合波器的一个输入端相连,半导体外腔窄带脉冲光纤激光器的输
出端与光纤分波器的输入端相连,光纤分波器的一个输出端与脉冲编码光调制器的另一个
输入端相连,光纤分波器的另一个输出端经第二窄带光纤光栅滤光器与通过环行器的一个
输入端相连,脉冲编码光调制器的输出端与光纤合波器的另一个输入端相连,光纤合波器
的输出端与单向器的输入端相连,单向器的输出端与泵浦-信号光纤耦合器的一个输入端
相连,泵浦-信号光纤耦合器的另一个输入端与光纤拉曼激光器相连,泵浦-信号光纤耦合
器的输出端与双向耦合器的输入端相连,双向耦合器的一个输出端连接超远程单模光纤,
双向耦合器的另一个输出端经光纤光栅窄带反射滤光器与波分复用器的输入端相连,波分
复用器的一个输出端经第一光电接收模块与直接检测系统的一个输入端相连,波分复用器
的另一个输出端经第二光电接收模块与直接检测系统的另一个输入端相连,波分复用器的
第三个输出端与第一窄带光纤光栅滤光器的输入端相连,直接检测系统的输出端与工控机
的一个输入端相连,第一窄带光纤光栅滤光器的输出端与通过环行器的另一个输入端相
连,通过环行器的输出端经相干检测系统与工控机的另一个输入端相连。
式光纤拉曼放大器。
口,为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口,第三输出端口是1550nm端口,为光纤瑞利和布里
渊散射光输出口。
1555.0nm,光谱带宽为0.1nm,损耗<0.3dB,隔离度>35dB的光纤光栅。
温度效应和自发布里渊散射应变效应和光时域反射原理制成的测量温度和应变的传感器。
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。
激光脉冲的峰值功率从而又有效地防止了光纤非线性效应造成背向反斯托克斯拉曼光时
域反射(OTDR)曲线的变形。
ν0+Δν,光纤分子的声子频率为Δν,数值为13.2THz。可表达为
达式如下:
ν=ν0-Δν在光纤介质内快速增加,大部分泵浦光的功率都可以转换成斯托克斯光,并有
拉曼放大作用,增益可以抑制光纤的传输损耗,提高全分布式光纤应变、温度传感器的工作
距离。
s(1998年基本物理常数数据), Δν是一光纤分子的声子频率为13.2THz,k是波尔兹曼
常数,k=1.380 650324x10-23JK-1,T是凱尔文(Kelvin)绝对温度。由两者的强度比,得到光
纤各段的温度信息。
光纤中产生的背向布里渊散射的频移νB为:
脉冲宽度提高空间分辨率,提高了传感系统的信噪比,受激拉曼增益可以抑制光纤的传输
损耗,提高全分布式光纤应变、温度传感器的工作距离,改善了传感系统的测量精度。在空
间实现在线温度和应变的同时测量并改善了测量精度。
附图说明
具体实施方式
器12,脉冲编码光调制器13,光纤合波器14,单向器15,光纤拉曼激光器16,泵浦-信号光
纤耦合器17,双向耦合器18,超远程单模光纤19,光纤光栅窄带反射滤光器20,波分复用器
21,两个光电接收模块22、23,直接检测系统24,两个窄带光纤光栅滤光器25、26,通过环行
器27,相干检测系统28和工控机29,工控机29的输出端与波形发生器9的输入端相连,波
形发生器9的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器11的输入端相连,波形发生器9
的另一个输出端与脉冲编码光调制器13的一个输入端相连,半导体FP腔宽带光纤激光器
11的输出端与光纤合波器14的一个输入端相连,半导体外腔窄带脉冲光纤激光器10的输
出端与光纤分波器12的输入端相连,光纤分波器12的一个输出端与脉冲编码光调制器13
的另一个输入端相连,光纤分波器12的另一个输出端经第二窄带光纤光栅滤光器26与通
过环行器27的一个输入端相连,脉冲编码光调制器13的输出端与光纤合波器14的另一个
输入端相连,光纤合波器14的输出端与单向器15的输入端相连,单向器15的输出端与泵
浦-信号光纤耦合器17的一个输入端相连,泵浦-信号光纤耦合器17的另一个输入端与
光纤拉曼激光器16相连,泵浦-信号光纤耦合器17的输出端与双向耦合器18的输入端相
连,双向耦合器18的一个输出端连接超远程单模光纤19,双向耦合器18的另一个输出端经
光纤光栅窄带反射滤光器20与波分复用器21的输入端相连,波分复用器21的1450nm端
口经第一光电接收模块22与直接检测系统24的一个输入端相连,波分复用器21的1660nm
端口经第二光电接收模块23与直接检测系统24的另一个输入端相连,波分复用器21的
1550nm端口与第一窄带光纤光栅滤光器25的输入端相连。直接检测系统24的输出端与工
控机29的一个输入端相连,第一窄带光纤光栅滤光器25的输出端与通过环行器27的另一
个输入端相连,通过环行器27的输出端经相干检测系统28与工控机29的另一个输入端相
连。
脉冲,经光纤合波器, 双向耦合器18将光纤反向的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射光通
过光纤光栅窄带反射滤光器20将有害的光纤拉曼放大器泵浦光的瑞利散射反射掉,经过
过滤的散射光通过波分复用器21的两个端口将经光纤拉曼放大器放大的反斯托克斯和斯
托克斯拉曼散射光分别通过第一光电接收模块22、第二光电接收模块23,进入直接检测系
统24,测量两者的强度比,得到光纤各段的温度信息, 通过直接检测系统24和工控机29
将采集、累加的编码脉冲解码解调,获得100km传感光纤所在现场的温度信息。
光脉冲。波分复用器21将经光纤拉曼放大器放大的反向光纤布里渊散射光,经过窄带光纤
光栅滤光器25,通过环行器27与经过窄带光纤光栅滤光器26的外腔窄带光纤激光器的本
地光,通过相干检测系统28拍频进行相干检测,通过相干检测系统28和工控机29将采集、
累加的编码脉冲解码解调,测量频移获得100km传感光纤所在现场的应变信息。采用脉冲
编码原理在时域上的编码光脉冲序列,有效地增加了入射光纤的光子数,提高了传感器系
统的信噪比,增加了传感器的测量长度,提高了传感器的可靠性和空间分辨率。由工控机将
传感光纤上的温度、应变信息通过互联网或无线网传送给远程监控网。
将采集、累加的编码脉冲解码解调,获得100km传感光纤所在现场的温度信息并传送给远
程监控网。
编码脉冲解码解调,获得100km传感光纤所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。