專利名稱：分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中的受激拉曼散射補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中的受激拉曼散射補償方法。
背景技術(shù)：
分布式光纖溫度傳感器是近年來發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場的光纖傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用拉曼散射效應(yīng)和OTDR技術(shù)實現(xiàn)對敏感光纖所處溫度場的分布式測量。與傳統(tǒng)電溫度傳感器相比，光纖溫度傳感器具有靈敏度高、抗強電磁干擾、本質(zhì)安全、 重量輕、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于電力電纜、地鐵隧道、煤礦巷道、石油儲罐、大型建筑結(jié)構(gòu)的溫度監(jiān)控和火災(zāi)報警。雖然拉曼型分布式光纖溫度傳感器的研究已相對成熟，國內(nèi)外眾多研究單位和公司也推出了自己的研究成果和產(chǎn)品，但仍然存在著一些不完善的地方，OTDR過程中的受激拉曼散射便是其中一個重要問題。目前分布式光纖溫度傳感器發(fā)展的方向是一，長距離；二，高精度。傳輸距離越長，需要的泵浦光功率越高，而較高的泵浦光功率和較長的傳輸距離都極易導(dǎo)致受激拉曼散射的發(fā)生(因為受激拉曼散射閾值隨泵浦光功率和傳輸距離的增加而減小)；分布式光纖溫度傳感器精度越高需要的信噪比越大，信噪比增大一方面要求增加信號光功率，另一方面要求降低噪聲，而信號光功率的增大要求增加泵浦光功率，這樣同樣容易導(dǎo)致受激拉曼散射的發(fā)生。因此，補償OTDR過程中的受激拉曼散射對于推動分布式光纖溫度傳感器的發(fā)展具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中的受激拉曼散射補償方法。采用本發(fā)明可以消除受激拉曼散射的影響，提高溫度測量的精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是現(xiàn)有的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)多以自發(fā)拉曼散射為測溫機理，利用自發(fā)拉曼散射信號光作為攜帶溫度信息的載體，而傳感器系統(tǒng)用光源一般為脈沖激光器，其輸出脈沖光重復(fù)頻率較大導(dǎo)致其功率并不能準確測量，因此，在分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中就容易出現(xiàn)由于對光源功率控制不準而產(chǎn)生受激拉曼散射的現(xiàn)象，由于受激拉曼散射信號對溫度不敏感，不能攜帶溫度信息，所以就導(dǎo)致了分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)測溫精度不高、 測溫不準確等問題，為了解決這些問題，本發(fā)明公布了一種分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中的受激拉曼散射補償方法，具體步驟如下(1)在初始條件為入射泵浦光強度是I ‘ p0 (0)、光纖長度為L時，計算前向傳輸時， 在光纖長度L處的自發(fā)拉曼散射信號I' S。(L)，入射泵浦光I' p。(0)經(jīng)過L距離的前向傳輸和L處的瑞利散射后，后向傳輸光強衰減為Iptl(L) ；I' s0(L)經(jīng)過L處的瑞利散射后，后向傳輸光強衰減為Istl(L)；(2)將Iptl(L)和Istl(L)分別作為后向傳輸時受激拉曼散射的泵浦光和信號光，L作為傳輸距離，利用龍格庫塔方法數(shù)值計算受激散射過程，得出受激拉曼散射信號光Is(L)；(3)重復(fù)步驟( ，求出泵浦光和信號光在光纖上任意點ζ處反射后的受激拉曼散射過程，得出自發(fā)拉曼散射信號Is0(Z)和受激拉曼散射信號Is(Z)；(4)根據(jù)下式得出自發(fā)拉曼散射信號因受激而放大的倍數(shù)A(Z)，A (z) = Is (ζ)/Is0 (ζ)(1)(5)用實驗所得ζ處的受激信號除以Α(ζ)，得出真實的自發(fā)拉曼散射信號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明通過理論計算光纖中的受激拉曼散射和自發(fā)拉曼散射，得到了沿光纖長度上任意一點的自發(fā)拉曼散射由于受激而放大的倍數(shù)，通過對沿光纖長度上任意一點的受激拉曼散射進行補償，得到真實的自發(fā)拉曼散射信號，從而保持了原始信號的準確性，提高了分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的測溫精度；2、本發(fā)明通過對沿光纖長度上任意一點的受激拉曼散射進行補償，消除了由于受激拉曼散射導(dǎo)致的原始信號尾端上翹的畸變，從而使得解調(diào)后的溫度曲線更準確，提高了分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的測溫準確性；3、由于分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于電力電纜、地鐵隧道、煤礦巷道、石油儲罐等方面，根據(jù)實際應(yīng)用的需要，往往要求分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)可以實現(xiàn)長距離的分布式溫度測量。若要實現(xiàn)長距離測量，就必須提高泵浦光的功率，而較高的泵浦光功率和較長的傳輸距離都極易導(dǎo)致受激拉曼散射的發(fā)生，所以受激拉曼散射一直以來都是阻礙長距離分布式溫度傳感器系統(tǒng)發(fā)展的主要因素之一。本發(fā)明通過對沿光纖長度上任意一點的受激拉曼散射進行補償，消除了受激拉曼散射的影響，從而為實現(xiàn)長距離分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)提供了可能，滿足了實際應(yīng)用的需要。4、隨著分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟，分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是向著高精度方向發(fā)展，而分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的精度越高需要的信噪比越大，信噪比增大一方面要求增加信號光功率，另一方面要求降低噪聲，而信號光功率的增大要求增加泵浦光的功率，而泵浦光功率增大到受激拉曼散射閾值就會導(dǎo)致受激拉曼散射的產(chǎn)生。本發(fā)明通過對光纖長度上任意一點的受激拉曼散射進行補償，消除了受激拉曼散射的影響，從而可以適當增加泵浦光功率，提高系統(tǒng)的信噪比，從而實現(xiàn)高精度的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)。5、本發(fā)明通過對受激拉曼散射進行補償，消除了受激拉曼散射的影響，提高了分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)用光源的功率，使得產(chǎn)生的信號光的功率也得到提高。信號光功率的提高降低了系統(tǒng)對放大電路的要求，使得放大電路不必為了追求高的信噪比而犧牲帶寬，從而提高了放大電路的帶寬。6、本發(fā)明通過對受激拉曼散射進行補償，消除了受激拉曼散射的影響，提高了分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)用光源的功率，使得產(chǎn)生的信號光的功率也得到提高。信號光功率的增強削弱了系統(tǒng)中雜散光的影響，降低了對波分復(fù)用器件的要求，使得分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的標定和系統(tǒng)參數(shù)的確定都更準確和更具有普遍適用性，從而為分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的批量研制提供了參考。7、本發(fā)明通過對受激拉曼散射進行補償，消除了受激拉曼散射的影響，提高了分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)用光源的功率，使得產(chǎn)生的信號光的功率也得到提高。信號光功率的增加使得系統(tǒng)在運行過程中不易受到外界環(huán)境的影響，從而增強了分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。


圖1為本發(fā)明流程圖；圖2為理論計算受激散射中泵浦光和信號光沿光纖長度的變化；圖3為理論計算光纖不同位置處反射的信號光受激及補償后的強度；圖4為實驗測量光纖不同位置處反射的信號光；圖5為實驗測量光纖不同位置處反射的信號光經(jīng)補償后的強度；圖6為實驗測量光纖不同位置處反射的信號光受激及補償后的強度。
具體實施例方式下面就結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步介紹。如圖1所示為本發(fā)明流程圖，下面就對本發(fā)明的每個步驟進行介紹。(1)首先計算泵浦光前向傳輸時，在初始條件為入射泵浦光強度為Γ PC1(0)、光纖長度為L時，計算在光纖長度為L處產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射信號I' s0 (L) 0其中入射泵浦光Γ ρ0(0)經(jīng)過L距離的前向傳輸和光纖L處的瑞利散射后，后向傳輸光強衰減為Iptl(L)。 I' s0(L)經(jīng)過光纖L處的瑞利散射后，后向傳輸光強衰減為Istl(L)。上述后向傳輸泵浦光和信號光Iptl(L)、Is0(L)的計算公式為Ip0(L) = I' p0(0)exp(-apL) Γρ(2)Is0(L) = UpsIp0(L)T0Tjrp( 3 )其中，a p為泵浦頻率處的光纖損耗系數(shù)，Γρ、Γ s分別為泵浦光、信號光在光纖單位長度上的后向散射系數(shù)，T0為泵浦光脈沖寬度。ν = c/n是光在光纖中傳播時的光速，c 為真空中的光速，η為光纖折射率。PsS信號光散射系數(shù)，與溫度有關(guān)，可表示為Ps = --. 1ΑΙ7η^( 4 )
1-βχρ(-Δ￡/ kT)其中，ΔΕ = h (Vtl-Vs)，為泵浦光與信號光能量差，h為普朗克常數(shù)，V0為泵浦光頻率，Vs為信號光頻率。k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。特定入射泵浦光強度Γ ρ0(0)可由激光器輸出功率以及光纖參數(shù)獲得，具體的計算方法如下4。(0)4(5)其中Pci為激光器輸出光平均功率，Ptl ^ PpT0f, Pp為激光器輸出脈沖峰值功率，f為脈沖重復(fù)頻率，Aeff為有效纖芯截面。(2)將從步驟⑴得到的Iptl(L)和Istl(L)分別作為后向傳輸時受激拉曼散射的初始泵浦光和初始信號光，L作為受激拉曼散射作用距離，利用龍格庫塔法數(shù)值計算后向傳輸受激拉曼散射過程，得出初始信號光經(jīng)過受激拉曼散射過程之后的光強Is(L)。
利用龍格庫塔法數(shù)值求解受激拉曼散射的過程如下耦合波方程為
dh dz
= Sr1P1S-ccS1S
dl ω
~ = LSR1P1S-ccP1P dz仞‘’“
(6) (7)初始條件為Is(O) = Is0(L) Ip(O) = Ip0(L)
(8) (9)
其中，&為拉曼增益系數(shù)，α s為信號頻率處的光纖損耗系數(shù)，ωρ、Os為泵浦光和信號光的圓頻率。利用龍格庫塔法，結(jié)合初始條件，對耦合波方程進行數(shù)值求解，可得出受激拉曼散射信號光Is (L)。(3)重復(fù)步驟O)，求出泵浦光和信號光在光纖長度L上的任意點ζ處反射后的受激拉曼散射過程，理論計算得出光纖長度L上的每一點ζ處對應(yīng)的自發(fā)拉曼散射信號光 Is0(z)和受激拉曼散射信號光Is(Z)，ζ為長度變量，取值范圍為0 L。(4)用步驟(3)中得到的ζ處的受激拉曼散射信號Is(Z)除以ζ處的自發(fā)拉曼散射信號Istl(Z),得出整個光纖長度上自發(fā)拉曼散射信號因受激而放大的倍數(shù)，即A (z) = Is (ζ)/Is0 (ζ)(1)(5)用實驗測量得到的受激拉曼散射信號除以理論計算得到的相應(yīng)點ζ處的 A (ζ)，得出實驗中真實的自發(fā)拉曼散射信號。實施例(1)首先進行理論計算。選取主要參數(shù)如下泵浦光峰值功率Pp = 10W，有效纖芯截面Aeff = 3068 μ m2，光纖長度L = 6550m，泵浦光脈沖寬度Ttl = 10ns，絕對溫度T = 300k, 光纖折射率η = 1.5。(2)根據(jù)選取的參數(shù)，運用以下公式計算后向傳輸泵浦光光強Iptl (L = 6550m)和后向傳輸信號光光強IS。(L = 6550m)Ip0 (L = 6550) = I' p0 (0) exp (-α pX 6550) Γ p(1)Ix0(L = 6550) = iVpsIp0(6550)Γ0Γν ITp( 2 )其中，α p為泵浦頻率處的光纖損耗系數(shù)，Γρ、Γ s分別為泵浦光、信號光在光纖單位長度上的后向散射系數(shù)，T0為泵浦光脈沖寬度。ν = c/n是光在光纖中傳播時的光速，c 為真空中的光速，η為光纖折射率。P s為信號光散射系數(shù)，與溫度有關(guān)。(3)后向傳輸泵浦光光強Iptl (L = 6550m)和后向傳輸信號光光強Istl (L = 6550m) 分別作為后向傳輸時受激拉曼散射的初始泵浦光和初始信號光，光纖長度L = 6550m作為受激拉曼散射作用距離，使用龍格庫塔法，利用耦合波方程結(jié)合初始條件數(shù)值計算受激拉曼散射信號Is (L = 6550m)，耦合波方程和初始條件如下耦合波方程為^gRIpIs-asIs(3)
dzdlη ω , Λ .于=~—gRIph-CtpIp( 4 ) dz (os初始條件為Is(O) = Is0 (L = 6550m)(5)Ip(O) = Ip0 (L = 6550m)(6)其中，&為拉曼增益系數(shù)，α s為信號頻率處的光纖損耗系數(shù)，ωρ、cos為泵浦光和信號光的圓頻率。(4)設(shè)定ζ為長度變量，取值范圍為Om 6550m，重復(fù)步驟O)，求出Iptl(L = ζ) 和Istl (L = ζ)，重復(fù)步驟(3)，數(shù)值計算在光纖上每一點ζ處反射的信號光受激的情況，計算出Istl(Z)和Is(Z)，Is(Z)的計算結(jié)果如圖2中虛線stokes所示。將Is(Z)和Istl(Z)相除， 得到整個光纖上自發(fā)拉曼散射信號光因受激拉曼散射而放大的倍數(shù)A(Z)。理論計算中每隔(5/3)m選取一點，所以6550m —共計算3930點即可，計算結(jié)果如圖3中實線所示，圖中 St-RS表示受激拉曼散射，Sp-RS表示補償后的自發(fā)拉曼散射，N表示采集數(shù)據(jù)點數(shù)。(5)選取光纖長度L = 6550m，泵浦光峰值功率為IOW的一組實驗數(shù)據(jù)，用實驗測量的信號光除以理論計算的相應(yīng)點處的A (ζ)進行補償驗證，如圖3、圖4、圖5所示，可以看出，經(jīng)過受激拉曼散射補償，在光纖上每一點(ζ)處反射的信號光由受激拉曼散射信號光成為自發(fā)拉曼散射信號光。本發(fā)明未詳細說明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
權(quán)利要求
1.一種分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中的受激拉曼散射補償方法，其特征在于包括以下步驟(1)在初始條件為入射泵浦光強度是ΓPC1(0)、光纖長度為L時，計算前向傳輸時，在光纖長度L處的自發(fā)拉曼散射信號I' S。(L)，入射泵浦光I' p。(0)經(jīng)過L距離的前向傳輸和L處的瑞利散射后，后向傳輸光強衰減為Iptl(L) ；I' s0(L)經(jīng)過L處的瑞利散射后，后向傳輸光強衰減為Istl(L)；(2)將Iptl(L)和Istl(L)分別作為后向傳輸時受激拉曼散射的泵浦光和信號光，L作為傳輸距離，利用龍格庫塔方法數(shù)值計算受激散射過程，得出受激拉曼散射信號光Is(L)；(3)重復(fù)步驟O)，求出泵浦光和信號光在光纖上任意點ζ處反射后的受激拉曼散射過程，得出自發(fā)拉曼散射信號Is0(Z)和受激拉曼散射信號Is(Z)；(4)根據(jù)下式得出自發(fā)拉曼散射信號因受激而放大的倍數(shù)A(Z)，A (z) = Is (ζ)/Is0 (ζ)(1)(5)用實驗所得ζ處的受激信號除以Α(ζ)，得出真實的自發(fā)拉曼散射信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中的受激拉曼散射補償方法，其特征在于在所述步驟(1)中后向傳輸泵浦光和信號光Iptl(L)Ustl(L)的計算公式為Ip0(L) = I' p0(0)exp(-apL) Γρ(2)UL) = \vPJp0(L)T0Ts/rp(3)其中，a p為泵浦頻率處的光纖損耗系數(shù)，Γρ、Γ s分別為泵浦光、信號光在光纖單位長度上的后向散射系數(shù)，T0為泵浦光脈沖寬度；ν = c/n是光在光纖中傳播時的光速，c為真空中的光速，η為光纖折射率；P s為信號光散射系數(shù)，與溫度有關(guān)，可表示為P=----(4)、1-εχρ(-Δ￡/Α;Γ)其中，Δ E = h (V0-Vs)，為泵浦光與信號光能量差，h為普朗克常數(shù)，V0為泵浦光頻率，Vs 為信號光頻率；k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中的受激拉曼散射補償方法，其特征在于在所述步驟( 用龍格庫塔法數(shù)值求解受激拉曼散射的過程如下耦合波方程為$ =。。L-asIs(5)dJ^ = -^gRIpIs-ccpIp(6)dz cos H初始條件為Is(O) = Is0(L)(7)Ip(O) = Ip0(L)(8)其中，&為拉曼增益系數(shù)，a s為信號頻率處的光纖損耗系數(shù)，ωρ、cos為泵浦光和信號光的圓頻率。利用龍格庫塔法，結(jié)合初始條件，對耦合波方程進行數(shù)值求解，可得出受激拉曼散射信號光Is (L)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中的受激拉曼散射補償方法，包括(1)計算特定泵浦光功率和特定光纖長度處，前向傳輸自發(fā)拉曼散射信號光功率經(jīng)L處的瑞利散射后的后向傳輸光強和泵浦光經(jīng)前向傳輸和L處的瑞利散射后的后向傳輸光強的步驟；(2)利用龍格庫塔方法數(shù)值計算受激散射過程，得出受激拉曼散射信號光的步驟；(3)根據(jù)步驟(2)獲得光纖任意點z處自發(fā)拉曼散射信號和受激拉曼散射信號的步驟；(4)獲得自發(fā)拉曼散射信號因受激而放大的倍數(shù)的步驟；(5)根據(jù)放大倍數(shù)得出真實的自發(fā)拉曼散射信號。采用本發(fā)明可以消除受激拉曼散射的影響，提高溫度測量的精度。
文檔編號G01K11/32GK102410887SQ201110257290
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者李小彥, 楊瀟君, 王學鋒, 王巍, 藍天, 趙政鑫 申請人:北京航天時代光電科技有限公司