[發(fā)明專利]一種基于多窄脈沖的長(zhǎng)距離分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110259678.8
• 申請(qǐng)日: 2011-09-05
• 公開（公告）號(hào): CN102980680A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃正
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01K11/32
• 分類號(hào): G01K11/32
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于多窄脈沖的長(zhǎng)距離分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。

背景技術(shù)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(以下稱DTS系統(tǒng))是一種基于OTDR和拉曼散射原理研制而成的溫度測(cè)量系統(tǒng)，其溫度傳感器是光纖(通常制作成光纜)。DTS利用光纖的拉曼效應(yīng)，即光纖鋪設(shè)位置(空間)的溫度場(chǎng)調(diào)制了光纖中傳輸?shù)暮笙蚶⑸涔?，?jīng)光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理后就可解調(diào)出溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)溫度信息。DTS系統(tǒng)組成一般包括大功率脈沖激光光源，光纖波分復(fù)用耦合器，傳感光纜，光電探測(cè)器，信號(hào)放大模塊，數(shù)據(jù)采集模塊及系統(tǒng)主機(jī)(PC機(jī)或工控機(jī))。由于DTS是分布式的，即光纜連續(xù)地鋪設(shè)在需要監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)，而且距離較長(zhǎng)(通常是幾公里)，相比與其他測(cè)溫系統(tǒng)，DTS具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)目前已廣泛應(yīng)用于各種隧道，電力，鋼鐵廠及礦場(chǎng)等需要火災(zāi)監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域。

DTS系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，目前中短距離(指的是可測(cè)量距離的長(zhǎng)度)的系統(tǒng)已很成熟而且已經(jīng)大量上市；但是長(zhǎng)距離的系統(tǒng)，例如可測(cè)量12km到25km的系統(tǒng)尚處于研發(fā)階段，市面上也有一些可測(cè)量長(zhǎng)距離的DTS系統(tǒng)，但其成本高昂，限制了該系統(tǒng)的普及。因此，研制長(zhǎng)距離DTS，降低其制造成本具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)表明，大功率激光在光纖中傳輸，當(dāng)功率高于某個(gè)閾值時(shí)，在大約十幾公里處容易產(chǎn)生自發(fā)輻射；而對(duì)于DTS，自發(fā)輻射達(dá)到一定程度時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生非線性，這時(shí)系統(tǒng)就無(wú)法解調(diào)出溫度信息。而如果降低光源功率，可以消除非線性，但根據(jù)ODTR原理，由于光在光纜中的傳輸損耗，距離增加了，光纜末端處的拉曼散射光功率將變得更低，同時(shí)從尾端處傳輸回來(lái)的光路程更長(zhǎng)，損耗也更大，這導(dǎo)致了散射光回到光電探測(cè)器時(shí)光功率變得非常弱，不易探測(cè)。所以這就產(chǎn)生了光源功率增加——測(cè)量距離增加，但產(chǎn)生非線性，而光源功率降低——消除非線性，但測(cè)量距離變短的矛盾。因此，目前中短距離的DTS系統(tǒng)，不能簡(jiǎn)單地增加其光源的功率達(dá)到測(cè)量距離的增加。

此外，實(shí)驗(yàn)表明，激光脈沖通過(guò)編碼的方式來(lái)發(fā)射激光也無(wú)法消除系統(tǒng)非線性(因此不能增加測(cè)量距離)，其主要原因是沒有一種編碼既能夠把光脈沖完全分開又可以解調(diào)出單個(gè)拉曼信號(hào)，因而不能解調(diào)出溫度信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于多窄脈沖的長(zhǎng)距離分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，可以消除DTS在長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)光纜尾部產(chǎn)生的非線性，提高拉曼散射光光功率，增長(zhǎng)測(cè)量距離。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用一種基于多窄脈沖的長(zhǎng)距離分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，包括脈沖激光光源、光纖波分復(fù)用耦合器、傳感光纜、光電探測(cè)器、小信號(hào)放大模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及系統(tǒng)主機(jī)。其特征在于：所述脈沖激光光源采用多窄脈沖激光光源。

所述多窄脈沖激光光源，其功能是把一定寬度的光脈沖拆分成幾個(gè)更窄的脈沖，并按一定的占空比發(fā)送。多個(gè)窄脈沖激光是重復(fù)出現(xiàn)的，具有一定的重復(fù)頻率(如10kHz)；多個(gè)窄脈沖之間有時(shí)間間隔，一般間隔時(shí)間為一個(gè)脈沖的寬度。

把窄脈沖光分散成幾個(gè)更窄的脈沖光后，其單個(gè)脈沖光的峰值功率降低了，而且峰值功率分散在幾個(gè)時(shí)刻，從而使得光源的峰值功率下降，解決了自發(fā)輻射的問題，從而消除了非線性。

這幾個(gè)更窄的脈沖光在光纜中產(chǎn)生的拉曼散射光相互疊加，其總的拉曼散射光功率并沒有大大降低，光纜末端處的拉曼散射光回到光電探測(cè)器輸入端的功率并沒有因?yàn)楣庠捶逯倒β实慕档投a(chǎn)生更多損耗(即光電探測(cè)模塊的信噪比并沒有因此降低)，這就使得測(cè)量距離可以變得更長(zhǎng)而不產(chǎn)生非線性。

系統(tǒng)各個(gè)部分功能如下：

所述多窄脈沖激光光源，其功能是產(chǎn)生多個(gè)窄脈沖激光，并按一定的占空比發(fā)送。多個(gè)窄脈沖激光是重復(fù)出現(xiàn)的，具有一定的重復(fù)頻率(如10kHz)；脈沖之間有時(shí)間間隔，通常間隔時(shí)間為一個(gè)脈沖的寬度。例如，把重復(fù)頻率為10kHz，脈寬為20ns的脈沖激光拆分成4個(gè)5ns的脈沖激光，并按10101010的方式發(fā)送。這里1表示有脈沖激光輸出；0表示無(wú)光輸出，其持續(xù)時(shí)間為一個(gè)脈沖寬度。

產(chǎn)生的多窄脈沖激光通過(guò)光纖波分復(fù)用耦合器進(jìn)入傳感光纜，并沿著傳感光纜向前傳輸，同時(shí)在光纜內(nèi)部產(chǎn)生后向傳輸?shù)睦⑸涔?；拉曼散射光向后沿著光纜傳輸，回到光纖波分復(fù)用耦合器，并進(jìn)入光電探測(cè)器，產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換。

特別地，光在光纜中傳輸時(shí)，其光功率產(chǎn)生損耗，損耗大小與光纜長(zhǎng)度成正比。所以，向前傳輸?shù)拿}沖光達(dá)到光纜尾部時(shí)，其功率損耗的大小與光纜長(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，損耗越大。同樣，向后傳輸?shù)睦⑸涔獾竭_(dá)傳感光纜前部時(shí)，其功率也產(chǎn)生損耗，損耗的大小與光纜長(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，損耗越大。