專利名稱：拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感技術領域，特別是分布式光纖拉曼溫度傳感器。
背景技術：
近年來，利用光纖拉曼散射光強度受溫度調制的效應和光時域反射(OTDR) 原理研制成分布式光纖拉曼溫度傳感器，它可以在線實時預報現場的溫度和溫 度変化的取向，在線監測現場溫度的變化，在一定的溫度范圍設置報警溫度， 是一種本質安全型的線型感溫探測器，已在電力工業、石化企業、大型土木工
程和在線災害監測等領域成功地應用。
由于各個波段的光纖損耗是不同的，即光纖損耗存在光譜效應，在分布式 光纖拉曼溫度傳感器中用反斯托克斯拉曼散射光作為測量溫度信號信道，用斯 托克斯拉曼散射光作為測量溫度參考信道，由于兩個信道在不同波段，測溫光 纖的損耗不同，在測溫系統中用斯托克斯拉曼參考通道解調反斯托克斯拉曼信 號信道時出現非線性現象，造成溫度解調曲線扭曲而引起的測溫誤差，降低了 測溫精度，對于固定的波長的光纖損耗可以在解調過程中進行人為校正。
但在現場使用測溫光纖、光纜，由于各個波段的光纖、光纜彎曲和受壓拉 伸造成的損耗不同，而且光纖、光纜產生的彎曲和受壓拉伸大小和位置均有隨 機性，難以人為校正，需要采用自校正的辦法。
發明內容
本發明的目的是提供一種成本低、結構簡單、信噪比好，可靠性好的拉曼相 關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，可以自校正由于在現場使用 測溫光纖光纜的彎曲和受壓拉伸大小而產生的非線性損耗，而造成溫度解調曲 線的扭曲而引起的測溫誤差。
本發明的拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括由 驅動電源、電子開關、主激光器和副激光器組成的拉曼相關雙波長光纖脈沖激 光器模塊，集成型光纖波分復用器，兩個光纖光電接收放大模塊，數字信號處 理器，顯示器和本征型測溫光纖；拉曼相關雙波長光纖脈沖激光器模塊中的主 激光器和副激光器由電子開關控制交替接通電源，集成型光纖波分復用器具有 五個端口，其中二個輸入端分別與拉曼相關雙波長光纖脈沖激光器模塊中的主 激光器的輸出端和副激光器的輸出端相連，集成型光纖波分復用器的三個輸出 端分別與本征型測溫光纖及兩個光纖光電接收放大模塊的一端相連，兩個光纖
3光電接收放大模塊的另一端分別與數字信號處理器的輸入端相連，數字信號處 理器(18)的輸出端連接顯示器。
上述主、副兩個激光器可以采用中心波長分別為1550nm與1450nm,或為 1660nm與1550nm,或為1064nm與1013nm，或為980nm與940nm，或為950nm 與905nm的光纖脈沖激光器，均能滿足拉曼頻移相關的雙波長條件。
主、副兩個激光器由重復頻率為5kHz驅動源同步驅動，由電子開關控制交 替接通電源，切換兩個光纖脈沖激光器輪流工作， 一般交替接通電源的時間間 隔為10 30秒。
本發明中，所說的集成型光纖波分復用器由光纖合波器、光纖雙向耦合器、 光纖平行光路、中心波長為主激光器的反斯托克斯拉曼散射光的寬帶濾光片和 中心波長為副激光器的斯托克斯拉曼散射光的寬帶濾光片組成。
本發明中，所說的兩個光纖光電接收放大模塊分別由光纖連接的InGaAs(銦 鎵砷)光電雪崩二極管、MAX4107前置放大器和主放大器構成。
本發明中，所說的本征型測溫光纖是長度為100m 15km的光通信用 62.5/125多模光纖或G652單模光纖。
本征型測溫光纖鋪設在測溫現場，測溫光纖不帶電，抗電磁干擾，耐輻射， 耐腐蝕，光纖既是傳輸介質又是傳感介質。拉曼相關雙波長光纖脈沖激光器模 塊發出的激光脈沖分別輪流通過集成型光纖波分復用器射入本征型測溫光纖， 在本征型測溫光纖上產生的主激光的反斯托克斯拉曼光子波經集成型光纖波分 復用器分朿，進入第一光纖光電接收放大模塊，轉換成模擬電信號并放大。本 征型測溫光纖上產生的副激光的斯托克斯拉曼光子波經集成型光纖波分復用器 分朿，進入第二光纖光電接收放大模塊，轉換成模擬電信號并放大。由背向的 反斯托克斯拉曼光和斯托克斯拉曼光光電信號的強度比，得到光纖各段的溫度 信息，給出本征型溫光纖上各點(小段)的溫度，利用光時域反射對感溫光纖上拉 曼光子感溫火災探測點定位(光纖雷達定位)。通過數字信號處理器解調，經過 溫度定標，得到本征型測溫光纖上各段的溫度和溫度變化量，測溫精度士1。C， 在0。C-300。C范圍內進行在線溫度監測，由顯示器顯示或通過通訊接口、通訊協 議進行遠程網絡傳輸。
分布式光纖拉曼溫度傳感器的測溫原理
光纖脈沖激光器發出激光脈沖通過集成型光纖波分復用器射入本征型測溫 光纖，激光與光纖分子的非線性相互作用，入射光子被一個光纖分子散射成另 一個斯托克斯光子或反斯托克斯光子，相應的分子完成兩個振動態之間的躍遷，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13.2THz。光纖分子能級上的粒子數熱分布服 從波爾茲曼(Boltzmann)定律，反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光 的強度比i
其中/^,/,分別是反斯托克斯拉曼散射光子與斯托克斯拉曼散射光的強度 ^,，4分別是反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的波長，h是波朗克 (Planck)常數，v是一光纖分子的拉曼聲子波數為440cm"， k是波爾茲曼常數， T是凱爾文(Kelvin)絕對溫度。由兩者的強度比，得到光纖各段的溫度信息。 實際應用中必須考慮反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的波長處光 纖損耗不同，則(1)改為(2)式
式中"U)與H4力為光纖損耗函數，/為光纖長度。
由于各個波段的光纖的損耗是不同的，即光纖損耗存在光譜效應，在分布 式光纖拉曼溫度傳感器中用反斯托克斯拉曼散射光作為測量溫度信號信道，用 斯托克斯拉曼散射光作為測量溫度參考信道，由于兩個信道在不同波段，測溫 光纖的損耗不同，在用參考信道解調溫度信號信道時，解調后的光纖溫度隨光 纖長度的分布曲線會偏離線性，造成溫度解調曲線的扭曲，引起測溫誤差，降 低測溫精度，對于固定的波長的光纖損耗可以在解調過程中進行人為校正。
但在現場使用的測溫光纖、光纜，由于各個波段的光纖、光纜彎曲和受壓 拉伸造成的損耗不同，而且光纖、光纜產生的彎曲和受壓拉伸大小和位置均有 隨機性，難以人為校正，需要采用自校正的辦法。
本發明的拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，可以自 校正在現場使用測溫光纖光纜時由于光纖、光纜產生的彎曲和受壓拉伸而造成 的非線性損耗，克服了測溫系統中用斯托克斯拉曼參考通道解調反斯托克斯拉 曼信號信道時偏離線性而造成造成溫度解調曲線的扭曲，引起的測溫誤差。
拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器的測溫原理-
主激光器的背向反斯托克斯拉曼光與副激光器的背向斯托克斯拉曼光強度
比<formula>formula see original document page 6</formula>的一端相連，兩個光纖光電接收放大模塊 16、 17的另一端分別與數字信號處理器18的輸入端相連，數字信號處理器18 的輸出端連接顯示器19。
圖例中，主激光器采用中心波長為1550nm,光譜寬度為O.lnm，激光脈沖 寬度為18ns，峰值功率為10W的光纖脈沖激光器；副激光器采用中心波長為 1450nm，光譜寬度為3nm，激光脈沖寬度為25ns,峰值功率為4W的光纖脈沖 激光器；主、副兩個激光器由重復頻率為5kHz驅動源同步驅動，由電子開關控 制按15秒時間間隔切換兩個光纖脈沖激光器輪流工作。
集成型光纖波分復用器由光纖合波器、光纖雙向耦合器、光纖平行光路、 中心波長為主激光器的反斯托克斯拉曼散射光的寬帶濾光片和中心波長為副激 光器的斯托克斯拉曼散射光的寬帶濾光片組成。其中，主激光器的反斯托克斯 拉曼散射光寬帶濾光片的中心波長為1450nm，光譜帶寬為36nm,通帶波紋 <0.3dB，插入損耗0.3dB，對1550nm光的隔離度〉35dB。副激光器的斯托克斯 拉曼散射光寬帶濾光片的中心波長為1550nm，光譜帶寬為38nm，通帶波紋 <0.3dB，插入損耗0.3dB，對1450nm光的隔離度〉35dB。
兩個光纖光電接收放大模塊分別由光纖連接的InGaAs (銦鎵砷)光電雪崩 二極管、MAX4107前置放大器和主放大器構成。
本征型測溫光纖是長度為100m 15km的光通信用62.5/125多模光纖或 G652單模光纖。
數字信號處理器釆用通用的信號處理卡，插在計算機內。數字信號處理器 可采用美國M公司的雙通道100MHz帶寬，100MS/s釆集率的NI5911型信號 處理卡，或采用加拿大GaGe公司雙通道，500MS/s采集率的CS21GB-lGHz型
信號處理卡。
權利要求
1.拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，其特征是包括由驅動電源(11)、電子開關(12)、主激光器(13)和副激光器(14)組成的拉曼相關雙波長光纖脈沖激光器模塊，集成型光纖波分復用器(15)，兩個光纖光電接收放大模塊(16、17)，數字信號處理器(18)，顯示器(19)和本征型測溫光纖(20)；拉曼相關雙波長光纖脈沖激光器模塊中的主激光器(13)和副激光器(14)由電子開關(12)控制交替接通電源，集成型光纖波分復用器(15)具有五個端口，其中二個輸入端分別與拉曼相關雙波長光纖脈沖激光器模塊中的主激光器(13)的輸出端和副激光器(14)的輸出端相連，集成型光纖波分復用器(15)的三個輸出端分別與本征型測溫光纖(20)及兩個光纖光電接收放大模塊(16、17)的一端相連，兩個光纖光電接收放大模塊(16、17)的另一端分別與數字信號處理器(18)的輸入端相連，數字信號處理器(18)的輸出端連接顯示器(19)。
2. 根據權利要求1所述的拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度 傳感器，其特征是主、副兩個激光器的中心波長分別為1550nm與1450nm，或 為1660nm與1550nm，或為1064nm與1013nm，或為980rnn與940nm，或為 950腿與卯5nm。
3. 根據權利要求1所述的拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度 傳感器，其特征是集成型光纖波分復用器(15)由光纖合波器、光纖雙向耦合器、 光纖平行光路、中心波長為主激光器的反斯托克斯拉曼散射光的寬帶濾光片和 中心波長為副激光器的斯托克斯拉曼散射光的寬帶濾光片組成。
4. 根據權利要求1所述的拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度 傳感器，其特征是所說的兩個光纖光電接收放大模塊(16、 17)分別由光纖連接的 InGaAs光電雪崩二極管、MAX4107前置放大器和主放大器構成。
5. 根據權利要求1所述的拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度 傳感器，其特征是所說的本征型測溫光纖(20)是長度為100m 15km的光通信用 62.5/125多模光纖或G652單模光纖。
全文摘要
本發明公開的拉曼相關雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括由驅動電源、電子開關、主激光器和副激光器組成的拉曼相關雙波長光纖脈沖激光器模塊，集成型光纖波分復用器，兩個光纖光電接收放大模塊，數字信號處理器，顯示器和本征型測溫光纖。它可以自校正在現場使用的測溫光纖、光纜由于彎曲或受壓拉伸而造成的隨機損耗，克服了測溫系統中用斯托克斯拉曼參考通道解調反斯托克斯拉曼信號信道時非線性而造成的測溫誤差。本發明成本低、結構簡單、信噪比好，可靠性好。適用于中、短程100m-15km在線溫度監測。
文檔編號G01K11/32GK101639388SQ20091010220
公開日2010年2月3日 申請日期2009年9月3日 優先權日2009年9月3日
發明者張在宣 申請人:中國計量學院