[發明專利]一種單端注入多芯光纖的拉曼傳感測溫系統及方法

有效

• 申請號: 202011005451.6
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112129426B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 項勇;鄭喆軒;楊華東;黨云麗;黎單馳;耿夢楣;夏濤;田艷林
• 申請（專利權）人: 長飛光纖光纜股份有限公司
• 主分類號: G01K11/324
• 分類號: G01K11/324;G02B6/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

1.一種單端注入多芯光纖拉曼傳感測溫系統，包括脈沖激光器、波分復用器、光電轉換模塊和信號采集模塊，其特征在于：設置信號處理模塊和扇入扇出模塊，所述扇入扇出模塊包括扇入模塊和扇出模塊，扇入模塊包括扇入模塊芯1，扇出模塊包括扇出模塊纖芯1和扇出模塊纖芯2，

對多芯光纖進行測溫時，從中任取兩根纖芯進行測量，記為多芯光纖芯1和多芯光纖芯2，脈沖激光器產生泵浦脈沖，經過波分復用器注入扇入模塊纖芯1中，通過多芯光纖芯1后，從扇出模塊纖芯1輸出并經過單模光纖注入扇出模塊纖芯2中，通過多芯光纖芯2返回扇入模塊，構成光纖環路，實現對多芯光纖芯1和多芯光纖芯2的同時測量；多芯光纖芯1和多芯光纖芯2產生的拉曼散射信號經波分復用器濾出斯托克斯和反斯托克斯光信號，進入光電轉換模塊轉換為電信號；在脈沖激光器同步控制信號的觸發下，信號采集模塊同步采集拉曼散射信號，平均后的信號輸入信號處理模塊進行溫度解調；

測溫時無需切換端口，無需布置光纖環路，使用單根多芯光纖進行測溫，無需使用光開關切換端口，只需一次測量就得到測溫結果，消除波長相關損耗和局部損耗帶來的測溫誤差，提高測溫精度；

光電轉換模塊由兩個APD光電探測器組成，光電轉換模塊產生的電信號被信號采集模塊同步采集，信號采集模塊包含模數轉換器，采集得到的信號輸入信號處理模塊解調溫度；多芯光纖前若干部分置于恒溫箱中作為參考光纖，中間若干部分置于冷水浴中；后若干部分置于熱水浴中；測溫過程中，能夠采用的設置方案有，設置恒溫箱溫度為12℃，室溫為12℃，冷水浴設置溫度為0℃，熱水浴設置溫度為15℃，冷水浴和熱水浴控溫精度±0.5℃；

通過將兩根纖芯同一位置處信號相乘求幾何平均，得到雙端測量結果，傳感光纖上的每一點的波長相關損耗均相等，消除靜態波長相關損耗對溫度測量的影響；

首先在已知溫度下進行定標，將測量結果與定標結果相除，消除與位置相關常數系數的影響，進一步提高測溫精度。

2.根據權利要求1所述單端注入多芯光纖拉曼傳感測溫系統，其特征在于：所述多芯光纖纖芯數量大于2，不同纖芯具有相同的折射率分布，不同纖芯長度差異小于5cm/km，纖芯間串擾小于-40dB/km。

3.根據權利要求1所述單端注入多芯光纖拉曼傳感測溫系統，其特征在于：所述扇入扇出模塊1550nm波長插入損耗小于1.5dB，回波損耗大于45dB，纖芯間串擾小于-50dB。

4.一種單端注入多芯光纖拉曼傳感測溫方法，其特征在于：用于如權利要求1至3任一項所述的單端注入多芯光纖拉曼傳感測溫系統。

5.根據權利要求4所述單端注入多芯光纖拉曼傳感測溫方法，其特征在于：測溫過程包括以下步驟，

步驟1，設多芯光纖總長度為L，測量得到的多芯光纖芯1和多芯光纖芯2的斯托克斯和反斯托克斯光信號總長度為2L，斯托克斯和反斯托克斯光信號上z位置和2L-z位置都對應多芯光纖上z位置，z位置的環境溫度為T(z)，則z位置和2L-z位置的反斯托克斯和斯托克斯光信號比分別為：

其中，P_as(z)和P_s(z)分別為光纖位置z處反斯托克斯和斯托克斯光功率，C_as(z)和C_s(z)是由光纖位置z決定的常數，h為普朗克常數，Δν為拉曼散射光與入射光的頻率差，k為玻爾茲曼常數，α_as(x)、α_s(x)分別為反斯托克斯光、斯托克斯光在光纖位置x處的損耗；

步驟2，根據步驟1所得結果，得到z位置反斯托克斯雙端測量信號P_{as_Double}(z)和斯托克斯雙端測量信號P_{s_Double}(z)，進而得到z位置斯托克斯和反斯托克斯光信號雙端測量結果為：

考慮時間t，將α_as(z)、α_s(z)表示為α_as(z,t)、α_s(z,t)，多芯光纖芯1和多芯光纖芯2的z位置分別對應測量結果中的z與2L-z處，

α_as(z,t)＝α_as(2L-z,t)

α_s(z,t)＝α_s(2L-z,t)

得到

雙端測量斯托克斯和反斯托克斯光信號在傳感光纖每一位置處的波長相關損耗都相同，為

步驟3，通過定標消除常數C_as和C_s的影響，實現如下，

在多芯光纖中取一段置于恒溫狀態作為參考，基于這段恒溫光纖，在t0時刻，對多芯光纖上任一點z，在已知光纖溫度分布Temp0(z,t0)下，其反斯托克斯和斯托克斯雙端測量信號分別為P_{as_Double}(z,t0)和P_{s_Double}(z,t0)，雙端測量定標結果為：

在t1時刻，對多芯光纖上任一點z，在待測光纖溫度分布Temp1(z,t1)下進行測量，反斯托克斯和斯托克斯雙端測量信號分別為P_{as_Double}(z,t1)和P_{s_Double}(z,t1)，雙端測量結果為：

t1時刻測量結果與t0時刻定標結果相除，得到：

步驟4，設z0為恒溫光纖上一點，在其t0時刻溫度Temp0(z0,t0)和t1時刻溫度Temp1(z0,t1)均已知的情況下，計算得到波長相關損耗為：

計算恒溫光纖上Δα的平均值作為

步驟5，對于多芯光纖上除恒溫光纖外其他任一點z，測量結果與定標結果相除為：

在Δα已經求解出的情況下，得到：

從而實現解調得到多芯光纖上的溫度曲線。