專利名稱：一種脈沖編碼超遠程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖傳感器領域，尤其是脈沖編碼超遠分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器。
背景技術：
長期以來，國內外在工程領域，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應變片和熱敏電組作為應變和溫度傳感器，每個傳感器均需連電線， 組成大型檢測網絡，結構很復雜，這類傳感器本身帶電，本質上是不安全的，易受電磁干擾， 不耐腐蝕，也不能定位，不適合于惡劣環境中使用，更不適合于應用地質災害和火災的現場。近年來發展起來的光纖傳感器網能實現大型土木工程、電力工程、石化工業，交通橋梁，隧道，地鐵站，大壩、大提和礦業工程等安全健康監控和災害的預報和監測。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)在光纖上，采用光時域技術組成的準分布式光纖傳感器網絡，準分布式光纖傳感器網的主要問題是在點式傳感器之間的光纖僅是傳輸介質，因而存在檢測“盲區”；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，采用光時域(OTDR)技術組成的全分布光纖傳感器網，測量應變和溫度。全分布光纖傳感器網中的光纖既是傳輸介質又是傳感介質，不存在檢測盲區。為滿足近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監測，提高測量距離和測量精度，對超遠程全分布式應變、溫度傳感網提出了更高的要求。
發明內容本實用新型的目的是結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。本實用新型的脈沖編碼超遠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動電源，脈沖編碼光纖激光器，集成型光纖波分復用器，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，數字信號處理器和工控機，數字信號處理器與工控機相連，脈沖編碼光纖激光器驅動電源的輸入端與數字信號處理器的輸出端相連，脈沖編碼光纖激光器驅動電源的輸出端與脈沖編碼光纖激光器的輸入端相連，數字信號處理器產生的時間序列脈沖編碼信號經脈沖編碼光纖激光器驅動電源驅動脈沖編碼光纖激光器，產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字信號處理器的兩個輸入端口相連，數字信號處理器將采集、累加的脈沖編碼光回波信號經過解碼解調后輸給工控機處理，獲得IOOkm傳感光纖所在現場各點的應變、溫度信息并傳送給遠程監控網。本實用新型中，所述的脈沖編碼光纖激光器由F-P半導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。本實用新型中，所述的光纖拉曼激光器為連續激光器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. lnm，功率0-1. 2W可調。光纖拉曼激光器與超遠程IOOkm傳感光纖構成一個前向泵浦的分布式光纖拉曼放大器。本實用新型中，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。本實用新型中，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單模光纖。本實用新型中，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。本實用新型中，所述的數字信號處理器采用嵌入式設計，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字處理器組成。脈沖編碼光纖激光器發出時間序列編碼激光脈沖進入傳感光纖，在傳感光纖中產生的背向瑞利散射，斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波，經光纖拉曼放大器放大后由集成型光纖波分復用器分朿，帶有應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光電接收模塊，將光信號轉換成模擬電信號并放大，由數字信號處理器和工控批解碼解調后瑞利散射光的強度比得到應變的信息，給出傳感光纖上各應變探測點的應變，應變變化速度和方向；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，應變與溫度的檢測不存在交叉效應，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)。通過數字信號處理器與應變、溫度解調軟件解調并對應變與溫度測進行定標，在60秒內得到IOOkm傳感光纖上各點應變與溫度變化量，測溫精度士2°C，由計算機通訊接口、通訊協議進行遠程網絡傳輸，當傳感光纖上檢測點達到設定的應變或溫度報警設定值時，向報警控制器發出報警信號。分布式光纖拉曼放大器原理當入射激光Vtl與光纖分子產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. 2THz。ν = V(|士 Λ ν(1)放大器的開關增益為
Ga = exp( g&P0L^. f A^)(2)[0018]其中Ρ。= Ι0 是放大器的泵浦光輸入功率，55是拉曼增益系數4r是光纖的有效截面，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= —I1- exp(-o: ￡)]⑶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生受激拉曼放大，在光纖里的斯托克斯波V = VtrA ν在光纖介質內快速增加，大部分泵浦光的功率都可以轉換成斯托克斯光，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變、溫度傳感器的工作距離，這種受激拉曼散射現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出激光脈沖通過集成型光纖波分復用器射入傳感光纖，激光與光纖分子的相互作用，產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，隨光纖長度而指數式衰減，背向端利散射光強用下式表示I^ = Iom ‘ e^p (- 2 !)(4)上式中/。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 L處的光強，珥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在檢測現場，當現場環境產生形變或裂紋時，造成鋪設在現場的光纖發生彎曲，光纖產生局部損耗，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 , /(/)Aa=lihgl% ⑶形變或裂紋大小與光纖損耗的關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入射激光與光纖分子產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. 2THz。光纖分子能級上的粒子數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Ie = Iq · V14Ra(T)exp[- (α0 +%)·￡](6)它受到光纖溫度的調制，溫度調制函數兄Rm (T) = [exp( kA ν k.T ) - I]"1(7)h是波朗克(Planck)常數，Δ ν是一光纖分子的聲子頻率，為13. 2THz, k是波爾茲曼常數，T是凱爾文(Kelvin)絕對溫度。在本實用新型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
權利要求1.一種脈沖編碼超遠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動電源(10)，脈沖編碼光纖激光器(11 )，集成型光纖波分復用器(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)，數字信號處理器(18)和工控機(19)，數字信號處理器(18)與工控機(19)相連，脈沖編碼光纖激光器驅動電源(10)的輸入端與數字信號處理器(18)的輸出端相連，脈沖編碼光纖激光器驅動電源(10)的輸出端與脈沖編碼光纖激光器(11)的輸入端相連，數字信號處理器(18)產生的時間序列脈沖編碼信號經脈沖編碼光纖激光器驅動電源(10)驅動脈沖編碼光纖激光器(11)，產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字信號處理器(18)的兩個輸入端口相連，數字信號處理器(18)將采集、累加的脈沖編碼光回波信號經過解碼解調后輸給工控機(19)處理，獲得IOOkm傳感光纖(16)所在現場各點的應變、溫度信息并傳送給遠程監控網。
2.根據權利要求1所述的脈沖編碼超遠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.根據權利要求1所述的脈沖編碼超遠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。
4.根據權利要求1所述的脈沖編碼超遠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.根據權利要求1的脈沖編碼超遠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單模光纖。
6.根據權利要求1所述的脈沖編碼超遠程全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是數字信號處理器(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字處理器組成。
專利摘要本實用新型公開的脈沖編碼超遠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動電源，脈沖編碼光纖激光器，集成型光纖波分復用器，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。改善了傳感器系統的信噪比，提高了測量溫度和應變精度。鋪設在現場的光纖不帶電，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕，光纖既是傳輸介質又是傳感介質。該傳感器成本低、壽命長、結構簡單、信噪比好，可靠性好，適用于超遠程100公里范圍內石化管道，隧道，大型土木工程監測和災害預報監測。
文檔編號G01D5/30GK202177385SQ20112028664
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者余向東, 張在宣, 王劍鋒 申請人:中國計量學院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
