[發明專利]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

無效

• 申請號: 201110226311.6
• 申請日: 2011-08-09
• 公開（公告）號: CN102359763A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: 張在宣;余向東;王劍鋒
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01K11/32;G02F1/365
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

????本發明涉及光纖傳感器領域，尤其是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。

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、大堤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

本發明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，提供一種低成本、結構簡單、信噪比好，利用光時域反射（OTDR）對測點進行定位，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。

本發明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，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，50km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，COM輸出端口與50km傳感光纖相連，1450nm輸出端口和1550nm輸出端口分別與光電接收模塊的兩個輸入端相連，光電接收放大模塊的兩個輸出端分別與數字信號處理器兩個輸入端口相連，數字信號處理器將采集、累加的編碼脈沖解碼解調后輸給工控機處理，獲得50km傳感光纖（13）所在現場的應變、溫度信息并傳送給遠程監控網。

本發明中，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。

本發明中，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。

本發明中，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單模光纖。

本發明中，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。

脈沖編碼光纖激光器發出時間序列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，背向瑞利散射、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波，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放大模塊，將光信號轉換成模擬電信號并放大，經數字信號處理器解碼解調后，由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和工控機與應變、溫度解調軟件解碼解調，在60秒內得到50km傳感光纖上各點應變與溫度變化量，測溫精度±2oC，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。