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    怎么玩重庆时时彩赢钱: 多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器.pdf

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    多拉 散射 效应 融合 远程 光纤 测温 传感器
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110264324.2

    申请日:

    2011.09.06

    公开号:

    CN102359830A

    公开日:

    2012.02.22

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G01K 11/32申请日:20110906授权公告日:20130403终止日期:20140906|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01K 11/32申请日:20110906|||公开
    IPC分类号: G01K11/32 主分类号: G01K11/32
    申请人: 中国计量学院
    发明人: 康娟; 张在宣; 李晨霞; 张文平; 王剑峰; 沈常宇; 董新永; 金尚忠
    地址: 310018 浙江省杭州市下沙高教园区学源街258号
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110264324.2

    授权公告号:

    |||102359830B||||||

    法律状态公告日:

    2015.10.28|||2013.04.03|||2012.04.04|||2012.02.22

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器,利用拉曼频移器产生1660nm波段宽光谱激光作为系统测量用光源,结合拉曼放大效应放大系统光源使可测温的传感光纤长度增加。传感光纤中产生的带有温度信息的反斯托克斯光经C波段的拉曼放大器放大后,通过匹配的窄带滤光片去除瑞利散射光,解调后获得传感光纤上的温度信息。本发明的优点在于:1660nm系统光源被拉曼放大后可提高传感光纤的测温长度,带有温度信息的反斯托克斯拉曼光被移到1550nm光纤低损耗区后结合C波段的拉曼放大器提高了系统的信噪比。该系统适用于超远程100公里及以上范围的石化管道,隧道等需灾害预报监测场合。

    权利要求书

    1: 多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 其特征是包括光纤脉冲激光器 (10), 光纤分路器 (11), 由单模光纤 (12) 和光纤滤光器 (13) 组成的光纤拉曼频移器, 延时 光纤 (14), 光纤合波器 (15), 光纤波分复用器 (16), 光纤耦合器 (17), 拉曼激光器 (18), 传 感光纤 (19), 光纤反射滤光器 (20), 光纤反射滤光器 (21), 光电接收???(22), 数字信号处 理器 (23) 和工控机 (24)。光纤分路器 (11) 的输入端口与光纤脉冲激光器 (10) 相连, 两个 输出端口分别与单模光纤 (12)、 延时光纤 (14) 相连 ; 光纤合波器 (15) 的两个输入端口与 延时光纤 (14)、 光纤滤光器 (13) 相连, 输出端口与光纤波分复用器 (16) 的输入端口相连 ; 光纤波分复用器 (16) 有三个输出端口, COM 输出端口与光纤反射滤光器 (20) 的输入端口 相连, 1660nm 输出端口与光电接收???(22) 的一个输入端口相连, 1550nm 的输出端口与光 纤反射滤光器 (21) 的输入端口相连 ; 光纤耦合器 (17) 的两个输入端口与光纤反射滤光器 (20)、 拉曼激光器 (18) 相连, 输出端口与传感光纤 (19) 相连。
    2: 根据权利要求 1 所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 其特征是脉 冲激光器 (10) 的中心波长为 1550nm, 光谱宽度为 0.2nm, 激光脉冲宽度为 10-30ns 可调, 峰 值功率为 1-100W 可调, 重复频率为 500-800Hz 可调。
    3: 根据权利要求 1 所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 其特征是光 纤分路器 (11) 的分支比为 80/20, 光纤合波器 (15) 的分支比为 60/40。
    4: 根据权利要求 1 所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 其特征是光 纤拉曼频移器, 其特征是单模光纤 (12) 为 800 米, 光纤滤光器 (13) 的中心波长为 1660nm, 光谱带宽 28nm, 透过率 98%, 对 1550nm 激光的隔离度> 45dB。
    5: 根据权利要求 1 所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 其特征是延 时光纤 (14) 的长度为 805-820 米的普通单模光纤。
    6: 根据权利要求 1 所述的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 其特征是光 纤反射滤光器 (20) 的中心波长为 1450nm, 光谱宽度为 0.5nm, 反射率 95%, 对 1450nm 激光 的隔离度> 45dB ; 光纤反射滤光器 (21) 的中心波长为 1550nm, 光谱宽度为 0.5nm, 反射率 95%, 对 1550nm 激光的隔离度> 45dB。

    说明书


    多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器

        技术领域 本发明属于分布式光纤传感测温领域, 涉及多拉曼散射效应融合的超远程光纤测 温传感器。该系统适用远程 100km 及以上需实时灾害监测场合。
         技术背景 近年来, 利用光纤分布式传感器实现在线实时预报现场的温度及其变化趋势基于 操作简单、 可应用于恶劣环境等优点获得了广泛的关注和研究。该类传感器利用光纤拉曼 散射光推度受温度调制的效应和光时域反射原理实现温度的监控, 可对石化工业, 交通桥 梁, 隧道等进行安全健康监控和灾害的预报与监测。张在宣于 2009 年提出 《全分布式光纤 瑞利与拉曼散射光子应变、 温度传感器》 发明专利, 利用对温度敏感的反斯托克斯散射光强 与瑞利散射光强或斯托克斯散射光强的比来获得温度信息, 该方法可以克服由于光源波动 而导致的测量误差, 但仅适用于中、 短程 100m-15km 在线温度监测, 不能完全满足近年来石 油管道、 传输电力电缆等对远程、 超远程分布式光纤拉曼测温传感器的迫切需求。
         本发明采用基于受激拉曼散射效应的拉曼频移器把测试光源从传统的窄带 1550nm 波段频移到宽谱 1660nm 波段, 抑制了相干噪声的同时将传感光纤中带有温度信息 的反斯托克斯散射光, 移到 1550nm 光纤低损耗波段, 提高了系统的信噪比。把拉曼放大效 应融合到宽谱 1660nm 波段, 使系统测试光能量最高增益达 17dB, 等同于提高了传感光纤长 度约 40km。 融合了 C 波段光纤拉曼放大器, 放大了 1550nm 波段的反斯托克斯拉曼光, 最高增 益可达 25dB, 提高了系统信噪比, 降低了弱信号检查的难度。该测温系统具备测量距离远、 测温精度高、 系统解调简单等优点, 适用于超远程 100km 全分布式光纤温度传感网, 用来防 止管道, 隧道等各种可能的灾害。
         发明内容 本发明的目的是提供一种多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 可实现 信噪比好、 分辨率高的超远程 100km 分布式光纤测温功能。
         本发明的技术解决方案如下 :
         多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 包括光纤脉冲激光器, 光纤分路 器, 由单模光纤和光纤滤光器组成的光纤拉曼频移器, 延时光纤, 光纤合波器, 光纤波分复 用器, 光纤耦合器, 拉曼激光器, 传感光纤, 两个光纤反射滤光器, 光电接收???, 数字信号 处理器和工控机。光纤分路器的输入端口与光纤脉冲激光器相连, 两个输出端口分别与 单模光纤、 延时光纤相连 ; 光纤合波器的两个输入端口与延时光纤、 光纤滤光器相连, 输出 端口与光纤波分复用器的输入端口相连 ; 光纤波分复用器有三个输出端口, COM 输出端口 与中心波长为 1450nm 的光纤反射滤光器输入端口相连, 1660nm 输出端口与光电接收???(22) 的一个输入端口相连, 1550nm 的输出端口与中心波长为 1550nm 光纤反射滤光器的输 拉曼激 入端口相连 ; 光纤耦合器的两个输入端口与中心波长为 1450nm 的光纤反射滤光器、 光器相连, 输出端口与传感光纤相连。
         本发明中, 所提及的脉冲激光器的中心波长为 1550nm, 光谱宽度为 0.2nm, 激光脉 冲宽度为 10-30ns 可调, 峰值功率为 1-100W 可调, 重复频率为 500-800Hz 可调 ; 所提及的 光纤分路器的分支比为 80/20, 光纤合波器的分支比为 60/40 ; 所提及的光纤拉曼频移器由 800 米单模光纤和光纤滤光器组成, 其中滤光器的中心波长为 1660nm, 光谱带宽 28nm, 透过 率 98%, 对 1550nm 激光的隔离度> 45dB ; 所提及的延时光纤长度为 805-820 米的普通单 模光纤 ; 所提及的光纤反射滤光器 (20) 的中心波长为 1450nm, 光谱宽度为 0.5nm, 反射率 95%, 对 1450nm 激光的隔离度> 45dB ; 光纤反射滤光器 (21) 的中心波长为 1550nm, 光谱宽 度为 0.5nm, 反射率 95%, 对 1550nm 激光的隔离度> 45dB。
         本发明的有益效果在于 :
         本发明的多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 采用受激拉曼散射原理 实现拉曼频移器、 两个波段的拉曼放大器效应, 采用自发拉曼散射效应实现全分布式光纤 测温。 不同波段的拉曼放大器起到两个作用 : 一是放大了系统光源的能量, 增加了测温光纤 长度 ; 二是放大了反斯托克斯光强度, 提高了系统信噪比, 降低了弱信号检测的难度。与传 统的光纤测温传感器相比, 该系统测温距离远、 测试精度高, 结构简单。本发明适用于超远 程需连续温度测量的场合, 来防止管道, 隧道等各种可能的灾害。 附图说明
         图 1 是多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器结构示意图。具体实施方式
         以下结合附图对本发明进一步描述。
         参见图 1 所示, 多拉曼散射效应融合的超远程光纤测温传感器, 包括光纤脉冲激 光器 10, 光纤分路器 11, 由单模光纤 12 和光纤滤光器 13 组成的光纤拉曼频移器, 延时光纤 14, 光纤合波器 15, 光纤波分复用器 16, 光纤耦合器 17, 拉曼激光器 18, 传感光纤 19, 光纤反 射滤光器 20, 光纤反射滤光器 21, 光电接收???22, 数字信号处理器 23 和工控机 24。
         光纤分路器 11 的输入端口与光纤脉冲激光器 10 相连, 两个输出端口分别与单模 光纤 12、 延时光纤 14 相连 ; 光纤合波器 15 的两个输入端口与延时光纤 14、 光纤滤光器 13 相 连, 输出端口与光纤波分复用器 16 的输入端口相连 ; 光纤波分复用器 16 有三个输出端口, COM 输出端口与光纤反射滤光器 20 的输入端口相连, 1660nm 输出端口与光电接收???22 的一个输入端口相连, 1550nm 的输出端口与光纤反射滤光器 21 的输入端口相连 ; 光纤耦合 器 17 的两个输入端口与光纤反射滤光器 20、 拉曼激光器 18 相连, 输出端口与传感光纤 19 相连。
         上述的脉冲激光器的中心波长为 1550nm, 光谱宽度为 0.2nm, 激光脉冲宽度为 10-30ns 可调, 峰值功率为 1-100W 可调, 重复频率为 500-800Hz 可调。
         上述的光纤分路器的分支比为 80/20, 光纤合波器的分支比为 60/40。
         上述的光纤拉曼频移器, 它由 800 米单模光纤和光纤滤光器组成。其中滤光器的 中心波长为 1660nm, 光谱带宽 28nm, 透过率 98%, 对 1550nm 激光的隔离度> 45dB。
         上述的延时光纤长度为 805-820 米的普通单模光纤。
         上述的光纤反射滤光器 20 的中心波长为 1450nm, 光谱宽度为 0.5nm, 反射率 95%,对 1450nm 激光的隔离度> 45dB ; 光纤反射滤光器 21 的中心波长为 1550nm, 光谱宽度为 0.5nm, 反射率 95%, 对 1550nm 激光的隔离度> 45dB。
         本发明基于以下三个原理 :
         (1) 基于受激拉曼散射效应的光纤拉曼频移器的工作原理
         光纤拉曼频移器由单模光纤和宽带 1660nm 滤光器组成。当一束 1550nm 脉冲激光 入射到单模光纤, 激光与光纤分子发生非线性相互作用, 入射光子被一个光纤分子散射成 另一个斯托克斯光子或反斯托克斯光子, 放出一个声子称为斯托克斯散射光子, 在传感光 纤里产生了频移 13.2THz 的 1660nm 斯托克斯光, 当入射的 1550nm 激光功率达到一定阈值 后, 大部分入射光转化为斯托克斯光 ( 受激状态 )。当由入射激光源分出的另一束 1550nm 激光与 1660nm 斯托克斯拉曼光入射到同一根传感光纤时, 两束光在相遇处产生非线性相 互作用, 产生放大的斯托克斯光 ( 放大倍数与两束光功率的比值相关 ), 获得了融合拉曼放 大效应的宽谱 1660nm 波段激光, 作为系统测试光源, 最高增益可达 17dB, 相当于延长测温 光纤长度 40km。
         (2) 分布式光纤拉曼放大器工作原理
         对于光纤拉曼放大器, 泵浦功率只有超过某一阈值时, 才有可能会对信号产生受 激拉曼放大, 使光纤里的斯托克斯波在光纤介质内快速增加, 大部分泵浦光的功率都可以 转换成斯托克斯光, 具备拉曼放大作用, 其放大的开关增益为
         GA = exp(gRP0Leff/Aeff) (1)
         其中 P0 = I0Aeff 是放大器的泵浦光输入功率, gR 是拉曼增益系数 Aeff 是光纤的有 效截面, Leff 为光纤的有效作用长度 ( 考虑了光纤对泵浦的吸收损耗 )。
         增益可以抑制光纤的传输损耗, 提高系统的信噪比, 降低弱信号检查系统的难度。
         (3) 基于自发拉曼散射效应的全分布式光纤测温传感器原理
         当入射激光与光纤分子产生非线性相互作用, 放出一个声子称为斯托克斯拉曼散 射光子, 吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子。光纤分子能级上的粒子数热分布服 从波尔兹曼定律, 在光纤里反斯托克斯背向拉曼散射光强为
         Ia = I0·va4Ra(T)exp[-(α0+αa)·L] (2)
         它受到光纤温度的调制, 温度调制函数 Ra
         Ra(T) = [exp(hΔv/kT)-1]-1 (3)
         h 是波朗克常数, Δv 是一光纤分子的声子频率, 为 13.2THz, k 是波尔兹曼常数, T 是凯尔文绝对温度。
         在本发明中采用光纤瑞利通道做参考信号, 用反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光 利光强度的比值来检测温度
         由光纤拉曼光时域反射 (OTDR) 曲线在光纤检测点的反斯托克斯拉曼散射光和瑞 散射光利光强度比, 得到光纤各段的温度信息。
        

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