[發(fā)明專利]一種分布式光纖拉曼溫度系統(tǒng)的解調(diào)方法及裝置

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• 申請日: 2015-10-27
• 公開（公告）號: CN105203228A
• 公開（公告）日: 2015-12-30
• 發(fā)明（設計）人: 張利勛;陳雨霖
• 申請（專利權）人: 成都瑞萊杰森科技有限公司
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 周永宏

技術領域

本發(fā)明屬于電子信息技術領域，涉及一種光電傳感技術，具體是指一種分布式光纖拉曼溫度系統(tǒng)的解調(diào)方法及裝置。

背景技術

分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)集傳感與傳輸于一體，可實現(xiàn)遠距離測量與監(jiān)控，一次測定就可以獲取整個光纖區(qū)域的一維分布圖，將光纖架設成光柵狀，就可測定被測區(qū)域的二維和三維分布情況，能在一條長達數(shù)千米的傳感光纖環(huán)路上獲得幾十、幾百甚至幾千條信息，現(xiàn)在傳感光纖隨制造成本的顯著降低變得非常低廉，因此單位信息成本顯著降低。

在具有強電磁干擾或易燃易爆以及其他傳感器無法接近的惡劣環(huán)境下，分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)點。因此自20世紀80年代以來，人們對實現(xiàn)分布式光纖傳感的各種技術展開了廣泛研究。分布式光纖溫度拉曼傳感系統(tǒng)，首先要解決的是對攜帶溫度信息的光信號的識別和測量位置的確定，光時域反射(OTDR)技術和光頻域反射(OFDR)技術對此提供了很好的解決方法；而對于較長距離的分布測溫應用，基于散射機理的分布傳感系統(tǒng)則有著無比的優(yōu)越性，這是因為此時光纖中所損失的功率直接用于所感應的信號能量。

光纖中最強的散射過程就是瑞利散射，背向散射強度約為入射光的-30dBm，瑞利散射是由光纖中非傳播的局域密度的不均勻和成分的不均勻所致。實驗和理論都發(fā)現(xiàn)玻璃(組成光纖的主要成分)的瑞利散射系數(shù)的溫度靈敏度及其微弱，因此實現(xiàn)基于瑞利散射的全固光纖的溫度分布系統(tǒng)很困難。然而在某些液體中，這種溫度靈敏度卻很強，如在苯中，其溫度靈敏度高達0.033dB/K。由于液芯光纖的壽命短，且液體有冰點、沸點的存在，限制了測溫的范圍，該方案不能得到實際的應用。目前主要應用的是拉曼散射型和布里淵散射型。

光通過光纖時，光子和光纖中因自發(fā)熱運動而產(chǎn)生的聲子會產(chǎn)生非彈性碰撞，從而發(fā)生自發(fā)的布里淵散射，散射光的頻率相對入射光的頻率變化范圍在10GHz～11GHz。基于該技術的傳感器的典型結構為布里淵放大器結構(如圖3所示)，包括脈沖激光器31、隔離器(32、38)、聲光調(diào)制器33、示波器34、耦合器(35、37)、敏感光纖36、連續(xù)波激光器39和光譜分析儀310。處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器(脈沖激光器31和連續(xù)波激光器39)分別將經(jīng)隔離器32和聲光調(diào)制器33調(diào)制的一脈沖光與經(jīng)隔離器38和耦合器37的一連續(xù)光注入敏感光纖36，當兩束光的頻率差處于相遇光纖區(qū)域中的布里淵增益帶寬內(nèi)時，兩束光就會在作用點產(chǎn)生布里淵放大器效應，相互間發(fā)生能量轉移，在對兩臺激光器的頻率進行連續(xù)調(diào)整的同時，光譜分析儀310通過檢測從光纖一端射出的連續(xù)光的功率，就可確定光纖的各小段區(qū)域的布里淵增益達到最大時所對應的頻率差，所確定的頻率差與光纖上各段區(qū)域的布里淵頻移相等。因此在光纖與布里淵頻移成正比的溫度和應變就隨之確定。該傳感技術所能達到的測量精度主要依賴于兩臺激光器的調(diào)諧精度。所以該系統(tǒng)較復雜，成本高，泵浦激光和探測激光必須放在被測光纜的兩端，而且不能測斷點，對激光器的穩(wěn)頻以及光源和控制系統(tǒng)的要求很高。因此其應用受到一定限制。

拉曼散射是當激光脈沖在光纖中傳播時由于光纖分子的熱振動和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的。具體地說，如果一部分光能轉換成熱振動，那么將發(fā)出一個比光源波長長的光稱為拉曼斯托克斯光；如果一部分熱振動轉換為光能，那么將發(fā)出一個比光源波長短的光稱為拉曼反斯托克斯光。基于自發(fā)拉曼散射的分布式溫度傳感系統(tǒng)如圖2所示，包括激光驅(qū)動器21、激光器22、傳感光纖23、波分復用器24、探測器組件25、計算機26、隔離器27和耦合器28。激光驅(qū)動器21驅(qū)動激光器22發(fā)射的激光經(jīng)隔離器27與耦合器28后注入傳感光纖23，傳感光纖23上自然背向散射經(jīng)耦合器28和波分復用器24后濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，然后被探測器組件25接收轉變?yōu)殡娦盘柌⒎糯螅俳?jīng)計算機26的信號處理系統(tǒng)處理轉變?yōu)闇囟刃盘枺鳛橐环N雙通道測量方法可以有效消除光源的不穩(wěn)定和光纖傳輸損耗與耦合的隨機噪聲的影響。背向散射拉曼光與入射光的關系為：

P＝ηP_iR(T)exp(-(α₀+α_r)L)(1)

其中，P為背向散射拉曼光功率，L為傳感光纖長度，α₀為光纖瑞利散射平均損耗系數(shù)，α_r為光纖拉曼散射平均損耗系數(shù)，R(T)為拉曼背向散射因子(含溫度T信息)，η為波長等相關因子，P_i為入射光功率。