專利名稱：超遠程100km全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其是分布式光纖瑞利與拉曼散射應變、溫度傳感
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背景技術(shù)：
長期以來，國內(nèi)外在工程領(lǐng)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(wǎng)絡，結(jié)構(gòu)很復雜，這類傳感器本身帶電，本質(zhì)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(huán)境中使用，更不適合于應用地質(zhì)災害和火災的現(xiàn) 場。近年來發(fā)展起來的光纖傳感器網(wǎng)能實現(xiàn)大型土木工程、電力工程、石化工業(yè)，交通 橋梁，隧道，地鐵站，大壩、大提和礦業(yè)工程等安全健康監(jiān)控和災害的預報和監(jiān)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(shù)組成的準分布式光纖傳感器網(wǎng)絡，準分布式光纖傳感器網(wǎng)的主要問 題是在點式傳感器之間的光纖僅是傳輸介質(zhì)，因而存在檢測“盲區(qū)”；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(shù)組成的全分布光纖傳 感器網(wǎng)，測量應變和溫度。全分布光纖傳感器網(wǎng)中的光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)，不存 在檢測盲區(qū)。張在宣提出的《全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應變、溫度傳感器》(中國專利 ZL200910099463. 7)提供了一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好，可靠性好的分布式光纖瑞利 與拉曼散射光子應變、溫度傳感器，適用于中、短程0-15km全分布式光纖傳感網(wǎng)的檢測范 圍。但已不能完全滿足近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監(jiān)測，對遠程、超遠程全 分布式光纖瑞利、拉曼和布里淵散射應變、溫度傳感網(wǎng)的迫切需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用光纖拉曼放大技術(shù)的低成本、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好， 可靠性好的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器。本發(fā)明的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括光纖脈沖激光 器，集成型光纖波分復用器，光纖窄帶反射濾光片，光纖分路器，光纖拉曼激光器，IOOkm傳 感光纖，光電接收模塊，數(shù)字信號處理器和工控機。集成型光纖波分復用器具有四個端口， 其中1550nm輸入端口與光纖脈沖激光器相連，COM輸出端口通過光纖濾光片與光纖分路器 的輸入端相連，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，光纖分路器的一個輸出端與光纖拉曼激光器相連，光纖分路器的另一個輸出端接傳感 光纖，光電接收模塊的兩個輸出端分別與數(shù)字信號處理器兩個輸入端口相連，數(shù)字信號處 理器將采集、累加的信號經(jīng)過工控機解調(diào)處理，獲得IOOkm傳感光纖所在現(xiàn)場的應變、溫度 信息并傳送給遠程監(jiān)控網(wǎng)。
上述的脈沖激光器的中心波長為1550nm，光譜寬度為0. lnm，激光脈沖寬度為 10ns，峰值功率為1-100W可調(diào)，重復頻率為500Hz-20KHz可調(diào)。上述的光纖拉曼激光器為連續(xù)激光器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為 0. Inm,功率0-1. 5W可調(diào)。光纖拉曼激光器與IOOkm傳感光纖構(gòu)成一個前向泵浦的C波段 光纖拉曼放大器。上述的光纖濾光片的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. 3nm,對1465nm瑞利散射 光的隔離度> 45dB。光纖窄帶反射濾光片抑制1465nm光纖拉曼激光器在傳感光纖中的背 向瑞利散射，避免瑞利散射光干擾傳感光纖中1450nm波段的反斯托克斯拉曼散射的影響。上述的傳感光纖為100km G652通信單模光纖。光脈沖激光器發(fā)出激光脈沖進入傳感光纖，在傳感光纖中產(chǎn)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，經(jīng)由光纖拉曼激光器與IOOkm傳感光纖構(gòu)成前向泵浦的C波段光纖拉曼放大器放 大后，由集成型光纖波分復用器分束，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(jīng)光電接收模塊，將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號并放大，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(shù)字信號處理器與 應變、溫度解調(diào)軟件解調(diào)并對應變與溫度測進行定標，在60秒內(nèi)得到IOOkm傳感光纖上各 點應變與溫度變化量，測溫精度士2°C，由計算機通訊接口、通訊協(xié)議進行遠程網(wǎng)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(fā)出報警信號。光纖拉曼頻移器的工作原理光纖拉曼頻移器有單模光纖和寬帶1660nm濾光器組成。當激光入射到單模光 纖，激光與光纖分子的非線性相互作用，入射光子被一個光纖分子散射成另一個斯托克斯 光子或反斯托克斯光子，相應的分子完成兩個振動態(tài)之間的躍遷，放出一個聲子稱為斯托 克斯拉曼散射光子，吸收一個聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子，光纖分子的聲子頻率為 13. 2THz。當入射的1550nm激光功率達到一定閾值后，產(chǎn)生放大的斯托克斯拉曼散射光，光 頻移了 13. 2THz，獲得了寬光譜帶1660nm光，經(jīng)1660nm濾光器后作為拉曼相關(guān)光源的主光 源。分布式光纖拉曼放大器原理當入射激光Vtl與光纖分子產(chǎn)生非線性相互作用散射，放出一個聲子稱為斯托克 斯拉曼散射光子，吸收一個聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子Δν，光纖分子的聲子頻率為 13. 2ΤΗζ0ν = ν0 士 Δ ν(1)放大器的開關(guān)增益為Ga = exp (gEP0Leff/Aeff) (2)其中Ptl = I0Aeff是放大器的泵浦光輸入功率，gE是拉曼增益系數(shù)Arff是光纖的有 效截面，Leff為光纖的有效作用長度(考慮了光纖對泵浦的吸收損耗)，其表達式如下
權(quán)利要求
1.超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征是包括光纖脈沖激光器 (10)，集成型光纖波分復用器(11)，光纖窄帶反射濾光片(12)，光纖分路器(13)，光纖拉 曼激光器(14)，IOOkm傳感光纖(15)，光電接收模塊(16)，數(shù)字信號處理器(17)和工控機 (18)。集成型光纖波分復用器(11)具有四個端口，其中1550nm輸入端口與光纖脈沖激光器 (10)相連，COM輸出端口通過光纖濾光片(12)與光纖分路器(13)的輸入端相連，1450nm輸 出端口和1550nm輸出端口分別與光電接收模塊(16)的兩個輸入端相連，光纖分路器(13) 的一個輸出端與光纖拉曼激光器(14)相連，光纖分路器(1 的另一個輸出端接傳感光纖 (15)，光電接收模塊(16)的兩個輸出端分別與數(shù)字信號處理器(17)兩個輸入端口相連，數(shù) 字信號處理器(17)將采集、累加的信號經(jīng)過工控機(18)解調(diào)處理，獲得IOOkm傳感光纖 (15)所在現(xiàn)場的應變、溫度信息并傳送給遠程監(jiān)控網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征 是脈沖激光器(11)的中心波長為1550nm，光譜寬度為0. lnm，激光脈沖寬度為10ns，峰值功 率為1-100W可調(diào)，重復頻率為500Hz-20KHz可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征 是光纖拉曼激光器(14)為連續(xù)激光器，它的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. lnm，功率 0-1. 5W 可調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征 是光纖窄帶反射濾光片(12)的中心波長為1465nm，光譜寬度為0. 3nm，對1465nm瑞利散射 光的隔離度> 45dB。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超遠程IOOkm全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，其特征 是傳感光纖(1 為100km G652通信單模光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開的超遠程100km全分布式光纖瑞利與拉曼散射傳感器，包括光纖脈沖激光器，集成型光纖波分復用器，光纖窄帶反射濾光片，光纖分路器，光纖拉曼激光器，100km傳感光纖，光電接收模塊，數(shù)字信號處理器和工控機。該傳感器采用分布式光纖拉曼放大器，將帶有應變信息的探測激光在傳感光纖中產(chǎn)生背向瑞利散射信號放大，并放大了帶有溫度信息的背向反斯托克斯散射信號，提高了傳感器系統(tǒng)的信噪比，增加了傳感器的測量長度，提高了傳感器的可靠性和空間分辨率，在測量現(xiàn)場溫度的同時能測量現(xiàn)場的形變、裂縫和溫度并且互不交叉。具有成本低、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比好等特點，適用于超遠程100公里范圍內(nèi)石化管道、隧道、大型土木工程監(jiān)測和災害預報監(jiān)測。
文檔編號G01B11/16GK102080954SQ201010566550
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者張在宣, 王劍鋒, 金尚忠 申請人:中國計量學院