專利名稱：融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖光纜測(cè)試及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光時(shí)域反射儀(OTDR)是光纖通信中光纖光纜測(cè)試的主要儀表，它是采用時(shí)域測(cè)量的方法，發(fā)射具有一定寬度的光脈沖并注入被測(cè)光纖，然后通過(guò)檢測(cè)光纖中返回的瑞利散射及菲涅爾反射光信號(hào)功率沿時(shí)間軸的分布曲線，即可探知被測(cè)光纖的長(zhǎng)度及損耗等物理特性。同時(shí)，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，可對(duì)光纖鏈路中的事件點(diǎn)及故障點(diǎn)精確定位，其最重要的特點(diǎn)是單端無(wú)損測(cè)試，測(cè)試速度快，故障定位準(zhǔn)確。光纖傳感器與光纖通信屬于一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，甚至所用的傳感光纖就是普通的通信光纜。分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖的相關(guān)物理特性對(duì)被測(cè)量場(chǎng)的空間和時(shí)間行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)水庫(kù)大壩、橋梁、隧道、輸油氣管線、大型倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、大型變壓器和輸電線路等溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布的有效監(jiān)測(cè)有著重要的應(yīng)用價(jià)值。在科研和工程技術(shù)中有許多場(chǎng)合需要確定溫度和應(yīng)變的分布。例如長(zhǎng)距離輸油管道、通信電纜或電力電纜等管道的沿線溫度場(chǎng)分布，大型電力變壓器內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，橋梁、大壩、倉(cāng)庫(kù)、大型建筑隧道、高壓容器、航天器機(jī)身等的溫度分布，電子冶金化工等許多行業(yè)的生產(chǎn)中也都需要對(duì)多個(gè)溫度點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，如測(cè)量存儲(chǔ)易燃易爆或其它物質(zhì)的大型存儲(chǔ)罐的溫度分布，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型設(shè)備以及回轉(zhuǎn)設(shè)備的溫度分布等。傳統(tǒng)的電溫度傳感器不能工作在強(qiáng)電磁環(huán)境中，也不宜在易燃易爆環(huán)境或腐蝕性環(huán)境中工作。對(duì)于采用點(diǎn)式溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的分布測(cè)量還存在難于安裝、難于布線、難于維護(hù)的問(wèn)題。分布式光纖溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)沿光纖連續(xù)分布的溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量，測(cè)試用光纖的跨距可達(dá)幾十千米，空間分辨率高，誤差小，與單點(diǎn)或多點(diǎn)準(zhǔn)分布測(cè)量相比具有較高的性能價(jià)格比。如中國(guó)發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)?00910099463. 7，提供了一種新型的分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應(yīng)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(cè)范圍。但是需要處理三路信號(hào)，使用到三個(gè)雪崩二極管，成本相對(duì)較高，信號(hào)處理較復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比好，可靠性好的融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)。本實(shí)用新型的融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)，包括光纖脈沖激光器、光纖耦合器、光纖波分復(fù)用濾波器、傳感光纖、第一光電接收模塊、第二光電接收模塊、數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊和計(jì)算機(jī)；所述光纖耦合器的輸入端與光纖脈沖激光器相連，光纖耦合器的第二輸出端與第一光電接收模塊相連，光纖波分復(fù)用濾波器包括與光纖耦合器的第一輸出端相連的1550nm輸入端、與傳感光纖相連的COM輸出端和與第二光電接收模塊的輸入端相連的1450nm輸出端，第一光電接收模塊的輸出端與數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊的第一輸入端連接，第二光電接收模塊的輸出端與數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊的第二輸入端相連，數(shù)字信號(hào)處理模塊與計(jì)算機(jī)相互連接，所述的光纖脈沖激光器發(fā)出的光脈沖通過(guò)光纖波分復(fù)用濾波器射入傳感光纖，在傳感光纖中產(chǎn)生的背向瑞利散射和反斯托克斯拉曼散射光子波，經(jīng)光纖波分復(fù)用濾波器分束，背向瑞利散射光返回光纖耦合器后經(jīng)過(guò)第一光電接收模塊，同時(shí)帶有溫度信息的反斯托克斯拉曼散射光子波經(jīng)第二光電接收模塊，兩路信號(hào)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)并放大。當(dāng)只用瑞利散射光信息可以作為光時(shí)域反射計(jì)，而由反斯托克斯拉曼散射光與瑞利散射光的強(qiáng)度比，扣除應(yīng)變的影響可以得到光纖各感溫探測(cè)點(diǎn)的溫度。通過(guò)數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊解調(diào)光纖各點(diǎn)的瑞利散射信號(hào)和溫度信號(hào)，然后將所有信號(hào)通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)的上位機(jī)取得通信，通過(guò)上位機(jī)可以形象地觀察到光纖各點(diǎn)的光時(shí)域反射信號(hào)以及各點(diǎn)的溫度信號(hào)。最好是，所述光纖脈沖激光器的中心波長(zhǎng)為1550nm，線寬為20kHz，激光脈沖寬度為10ns，其峰值功率的范圍大小可調(diào)，范圍為5W-30W，其重復(fù)頻率為的大小可調(diào)，范圍為 IkHz-IOKHz。最好是，光纖耦合器的分光比為99. 9-95 % :0.01-5 %。最好是，傳感光纖為烽火62. 5/125 μ m漸變型多模光纖。最好是，第一光電接收模塊為一般的光電二極管pin管或者是雪崩二極管APD，第二光電接收模塊以APD作為光電探測(cè)器。最好是，光纖波分復(fù)用濾波器的通道隔離度大于45dB。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)(1)本實(shí)用新型融合光時(shí)域反射計(jì)和分布式光纖拉曼溫度傳感器，使系統(tǒng)具有兩用性，既可以用作光纖通信中光纖光纜測(cè)試又可以作為光纖溫度傳感。(2)實(shí)際應(yīng)用中，用瑞利散射光解調(diào)反斯托克斯光的方法可以省去一個(gè)濾光片和一個(gè)APD，成本較低，經(jīng)濟(jì)上具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。(3)用瑞利散射光解調(diào)反斯托克斯光的方法比用斯托克斯光解調(diào)反斯托克斯光的相對(duì)溫度靈敏度高。
圖1本實(shí)用新型分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)，其特征是包括光纖脈沖激光器1、光纖耦合器2、光纖波分復(fù)用濾波器3、傳感光纖4、第一光電接收模塊5、 第二光電接收模塊6、數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊7和計(jì)算機(jī)8，光纖耦合器2的輸入端與光纖脈沖激光器1相連，光纖波分復(fù)用濾波器3具有三個(gè)端口，其中1550nm輸入端口與光纖耦合器2第一輸出端相連，COM輸出端口與傳感光纖4相連，1450nm輸出端口與第二光電接收模塊6的輸入端相連，光纖耦合器2的第二輸出端與第一光電接收模塊5相連，第一光電接收模塊5和第二光電接收模塊6的兩個(gè)輸出端分別與數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊7的兩個(gè)輸入端口相連，數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊7與計(jì)算機(jī)8相互連接。其中，光纖脈沖激光器1的中心波長(zhǎng)為1550nm，線寬為20kHz，激光脈沖寬度為 IOns,峰值功率為5W-30W可調(diào)，重復(fù)頻率為IkHz-IOKHz可調(diào)。鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的10km，空間分辨率為1米，具有10，000個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊采用前端放大器、AD采集卡、FPGA控制模塊及DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片共同組成的。AD采集卡采用intersil公司的具有130MHz帶寬、14位的AD芯片。DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片采用TI公司的32位浮點(diǎn)處理芯片。所述的光纖脈沖激光器1發(fā)出的光脈沖通過(guò)光纖波分復(fù)用濾波器3射入傳感光纖4，在傳感光纖4中產(chǎn)生的背向瑞利散射和反斯托克斯拉曼散射光子波，經(jīng)光纖波分復(fù)用濾波器3分束，背向瑞利散射光返回光纖耦合器2后經(jīng)過(guò)第一光電接收模塊5，同時(shí)帶有溫度信息的反斯托克斯拉曼散射光子波經(jīng)第二光電接收模塊6，兩路信號(hào)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)并放大。當(dāng)只用瑞利散射光信息可以作為光時(shí)域反射計(jì)，而由反斯托克斯拉曼散射光與瑞利散射光的強(qiáng)度比，扣除應(yīng)變的影響可以得到光纖各感溫探測(cè)點(diǎn)的溫度。通過(guò)數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊7解調(diào)光纖各點(diǎn)的瑞利散射信號(hào)和溫度信號(hào)，然后將所有信號(hào)通過(guò) USB與計(jì)算機(jī)8的上位機(jī)取得通信，通過(guò)上位機(jī)可以形象地觀察到光纖各點(diǎn)的光時(shí)域反射信號(hào)以及各點(diǎn)的溫度信號(hào)。光時(shí)域反射計(jì)工作原理當(dāng)激光不斷射入到光纖中時(shí)，光纖本身會(huì)不斷產(chǎn)生反向的瑞利散射，通過(guò)測(cè)量分析這些反向散射光的功率，可以得到沿光纖長(zhǎng)度分布的衰減曲線。采用這種技術(shù)，一根光纖中的連接點(diǎn)、耦合點(diǎn)以及斷點(diǎn)的位置很容易被測(cè)量到，而且如果光纖有一段彎曲過(guò)大或者被過(guò)重外部物體所壓制等情況也可以被測(cè)量到。如附圖1所示，由激光器發(fā)出的光脈沖射入到一段光纖中光纖開(kāi)始端，通過(guò)耦合器分束到一個(gè)光電探測(cè)器上。這種后向散射光可以分為兩種類型一種是由于光纖的斷面和光纖與光纖之間連接處的反射；另一種是瑞利散射光。實(shí)際上，光在光纖中傳播時(shí)除了散射所引起的損耗外，光纖介質(zhì)對(duì)傳播光還有吸收作用，只不過(guò)按目前的生產(chǎn)能力，雜質(zhì)已能被控制在很低程度，這種吸收相對(duì)于散射光來(lái)講就會(huì)小很多。當(dāng)功率為
Z13，頻率為、的入射光到光纖中去，光電探測(cè)器所探測(cè)到的后向光纖Z處的瑞利散射光為4 = 4 4(1)式中Κ 是與光纖瑞利散射界面有關(guān)的系數(shù)，i 為后向散射的系數(shù)，q,是入射光在光纖中的傳輸損耗。分布式光纖拉曼溫度傳感器原理當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播，在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，反射之中有一小部分的反射光的方向正好與入射光的方向相反(稱為“背向”)。這種背向反射光的強(qiáng)度與光纖中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度(該點(diǎn)的光纖的環(huán)境溫度)越高，反射光的強(qiáng)度也越大。也就是說(shuō)， 背向反射光的強(qiáng)度可以反映出反射點(diǎn)的溫度。利用這個(gè)現(xiàn)象，若能測(cè)量出背向反射光的強(qiáng)度，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，這就是利用光纖測(cè)量溫度的基本原理。而系統(tǒng)的空間定位功能則通過(guò)測(cè)量從激光脈沖發(fā)出到背向反射光回來(lái)的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)。以下用公式來(lái)表
達(dá)當(dāng)波長(zhǎng)為冬的激光入射到光纖中，它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生后向散射光波， 這些后向散射光波中除有一與入射光波長(zhǎng)相同的瑞利譜線 π之外，在其兩側(cè)，還存在著斯托克斯線(stokes)式
權(quán)利要求1.融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)，其特征在于，包括光纖脈沖激光器(1)、光纖耦合器(2)、光纖波分復(fù)用濾波器(3)、傳感光纖(4)、第一光電接收模塊 (5)、第二光電接收模塊(6)、數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊(7)和計(jì)算機(jī)(8)；所述光纖耦合器 (2)的輸入端與光纖脈沖激光器(1)相連，光纖耦合器(2)的第二輸出端與第一光電接收模塊(5)相連；光纖波分復(fù)用濾波器(3)包括與光纖耦合器(2)的第一輸出端相連的1550nm 輸入端、與傳感光纖(4)相連的COM輸出端和與第二光電接收模塊(6)的輸入端相連的 1450nm輸出端，第一光電接收模塊(5)的輸出端與數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊(7)的第一輸入端連接，第二光電接收模塊(6)的輸出端與數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊(7)的第二輸入端相連，數(shù)字信號(hào)處理模塊(7)的與計(jì)算機(jī)(8)相互連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)， 其特征在于，所述光纖脈沖激光器(1)的中心波長(zhǎng)為1550nm，線寬為20kHz，激光脈沖寬度為10ns，峰值功率為5W-30W，重復(fù)頻率為lkHz-10KHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)， 其特征在于，光纖耦合器(2)的分光比為99.9-95 % =0.01-5 %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)， 其特征在于，傳感光纖(4)為烽火62. 5/125 μ m漸變型多模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)， 其特征在于，第一光電接收模塊(5)為光電二極管pin管或者是雪崩二極管APD，第二光電接收模塊(6)以APD作為光電探測(cè)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)， 其特征在于，光纖波分復(fù)用濾波器(3)的通道隔離度大于45dB。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)的融合光時(shí)域反射計(jì)與分布式光纖拉曼溫度傳感器的系統(tǒng)，基于光時(shí)域反射測(cè)量原理，以及光纖拉曼散射原理，實(shí)現(xiàn)光纖線路檢測(cè)以及分布式光纖溫度傳感。包括光纖脈沖激光器、光纖耦合器、光纖波分復(fù)用濾波器、傳感光纖、光電接收模塊、數(shù)字采集及信號(hào)處理模塊和計(jì)算機(jī)。該傳感器成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、信噪比好，可靠性好，適用于50km范圍內(nèi)的光纖通信線路檢測(cè)，以及10km范圍石化管道、鐵路及公路隧道、電纜傳輸?shù)雀袦鼗馂?zāi)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01K11/32GK202197280SQ201120320849
公開(kāi)日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者潘競(jìng)順, 謝建豪, 陳鑾雄, 黃旭光 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)