一種分布式光纖拉曼溫度系統(tǒng)的解調(diào)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光電傳感技術(shù)，具體是指一種分布式光 纖拉曼溫度系統(tǒng)的解調(diào)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)集傳感與傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量與監(jiān)控， 一次測定就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域的一維分布圖，將光纖架設(shè)成光柵狀，就可測定被測區(qū) 域的二維和三維分布情況，能在一條長達(dá)數(shù)千米的傳感光纖環(huán)路上獲得幾十、幾百甚至幾 千條信息，現(xiàn)在傳感光纖隨制造成本的顯著降低變得非常低廉，因此單位信息成本顯著降 低。
[0003] 在具有強(qiáng)電磁干擾或易燃易爆以及其他傳感器無法接近的惡劣環(huán)境下，分布式光 纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此自20世紀(jì)80年代以來，人們對實(shí)現(xiàn)分布 式光纖傳感的各種技術(shù)展開了廣泛研究。分布式光纖溫度拉曼傳感系統(tǒng)，首先要解決的是 對攜帶溫度信息的光信號的識別和測量位置的確定，光時(shí)域反射（OIDR)技術(shù)和光頻域反 射（0FDR)技術(shù)對此提供了很好的解決方法；而對于較長距離的分布測溫應(yīng)用，基于散射機(jī) 理的分布傳感系統(tǒng)則有著無比的優(yōu)越性，這是因?yàn)榇藭r(shí)光纖中所損失的功率直接用于所感 應(yīng)的信號能量。
[0004] 光纖中最強(qiáng)的散射過程就是瑞利散射，背向散射強(qiáng)度約為入射光的_30dBm，瑞利 散射是由光纖中非傳播的局域密度的不均勻和成分的不均勻所致。實(shí)驗(yàn)和理論都發(fā)現(xiàn)玻 璃（組成光纖的主要成分）的瑞利散射系數(shù)的溫度靈敏度及其微弱，因此實(shí)現(xiàn)基于瑞利散 射的全固光纖的溫度分布系統(tǒng)很困難。然而在某些液體中，這種溫度靈敏度卻很強(qiáng)，如在苯 中，其溫度靈敏度高達(dá)〇. 〇33dB/K。由于液芯光纖的壽命短，且液體有冰點(diǎn)、沸點(diǎn)的存在，限 制了測溫的范圍，該方案不能得到實(shí)際的應(yīng)用。目前主要應(yīng)用的是拉曼散射型和布里淵散 射型。
[0005] 光通過光纖時(shí)，光子和光纖中因自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲子會產(chǎn)生非彈性碰撞，從 而發(fā)生自發(fā)的布里淵散射，散射光的頻率相對入射光的頻率變化范圍在10GHz~11GHz?；?于該技術(shù)的傳感器的典型結(jié)構(gòu)為布里淵放大器結(jié)構(gòu)（如圖3所示），包括脈沖激光器31、隔 離器（32、38)、聲光調(diào)制器33、示波器34、耦合器（35、37)、敏感光纖36、連續(xù)波激光器39和 光譜分析儀310。處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器（脈沖激光器31和連續(xù)波激光器39)分 別將經(jīng)隔離器32和聲光調(diào)制器33調(diào)制的一脈沖光與經(jīng)隔離器38和耦合器37的一連續(xù)光 注入敏感光纖36,當(dāng)兩束光的頻率差處于相遇光纖區(qū)域中的布里淵增益帶寬內(nèi)時(shí)，兩束光 就會在作用點(diǎn)產(chǎn)生布里淵放大器效應(yīng)，相互間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，在對兩臺激光器的頻率進(jìn)行 連續(xù)調(diào)整的同時(shí)，光譜分析儀310通過檢測從光纖一端射出的連續(xù)光的功率，就可確定光 纖的各小段區(qū)域的布里淵增益達(dá)到最大時(shí)所對應(yīng)的頻率差，所確定的頻率差與光纖上各段 區(qū)域的布里淵頻移相等。因此在光纖與布里淵頻移成正比的溫度和應(yīng)變就隨之確定。該傳 感技術(shù)所能達(dá)到的測量精度主要依賴于兩臺激光器的調(diào)諧精度。所以該系統(tǒng)較復(fù)雜，成本 高，栗浦激光和探測激光必須放在被測光纜的兩端，而且不能測斷點(diǎn)，對激光器的穩(wěn)頻以及 光源和控制系統(tǒng)的要求很高。因此其應(yīng)用受到一定限制。
[0006] 拉曼散射是當(dāng)激光脈沖在光纖中傳播時(shí)由于光纖分子的熱振動(dòng)和光子相互作用 發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的。具體地說，如果一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動(dòng)，那么將發(fā)出一個(gè)比光源 波長長的光稱為拉曼斯托克斯光；如果一部分熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換為光能，那么將發(fā)出一個(gè)比光源 波長短的光稱為拉曼反斯托克斯光?；谧园l(fā)拉曼散射的分布式溫度傳感系統(tǒng)如圖2所 示，包括激光驅(qū)動(dòng)器21、激光器22、傳感光纖23、波分復(fù)用器24、探測器組件25、計(jì)算機(jī)26、 隔離器27和耦合器28。激光驅(qū)動(dòng)器21驅(qū)動(dòng)激光器22發(fā)射的激光經(jīng)隔離器27與耦合器 28后注入傳感光纖23,傳感光纖23上自然背向散射經(jīng)耦合器28和波分復(fù)用器24后濾出 斯托克斯光和反斯托克斯光，然后被探測器組件25接收轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒎糯?，再?jīng)計(jì)算機(jī) 26的信號處理系統(tǒng)處理轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟刃盘?，作為一種雙通道測量方法可以有效消除光源的不 穩(wěn)定和光纖傳輸損耗與耦合的隨機(jī)噪聲的影響。背向散射拉曼光與入射光的關(guān)系為：
[0007] P=qPiR(T)exp(-(a0+ar)L) (1)
[0008] 其中，P為背向散射拉曼光功率，L為傳感光纖長度，a。為光纖瑞利散射平均損耗 系數(shù)，為光纖拉曼散射平均損耗系數(shù)，R(T)為拉曼背向散射因子（含溫度T信息），n 為波長等相關(guān)因子，PiS入射光功率。
[0009] 拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)的唯一不足之處是返回信號相當(dāng)弱，斯托克斯背向散射 強(qiáng)度約為入射光的-60dBm，反斯托克斯背向散射強(qiáng)度約為入射光的-75dBm，可以說溫度信 息淹沒在噪聲中，為了避免信號處理過程中信號平均時(shí)間過長，脈沖激光源的峰值功率相 當(dāng)高，但不能超過拉曼散射受激的閾值功率（反斯托克斯的閾值功率大于斯托克斯的閾值 功率），并且測量距離越長，閾值功率越小，最大值為拉曼散射受激的閾值功率P廣：
[0010] PiCr (1-exp(- (a0+ar)L)) / (a0+ar) =C(2)
[0011] 其中，C為常數(shù)。
[0012] 現(xiàn)在利用背向散射瑞利技術(shù)可以檢測80km以上的光纜物理結(jié)構(gòu)，而報(bào)道的拉曼 溫度系統(tǒng)單路光纖長度最長只有30km，原因是采用反斯托克斯/瑞利或反斯托克斯/斯托 克斯雙路解調(diào)方法，反斯托克斯/瑞利解調(diào)受制于它們的光纖損耗因子匹配性不佳，據(jù)中 國計(jì)量學(xué)院報(bào)道，采用額外增加成本獲得反斯托克斯光同波長的瑞利背向散射才做到30km 的拉曼溫度系統(tǒng)，反斯托克斯/斯托克斯解調(diào)受制于斯托克斯的閾值功率，以上兩鐘解調(diào) 方法無法降低同溫平坦度（指外界溫度相同，傳感光纖上測量溫度最大值/最小值）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明旨在針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種分布式光纖拉曼溫度系統(tǒng) 解調(diào)方法及裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)單路折向解調(diào)分布式光纖拉曼溫度，提高測量精度和同溫平坦 度，傳感長度可達(dá)到20km以上。
[0014] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0015] 本發(fā)明提供了一種分布式光纖拉曼溫度系統(tǒng)解調(diào)方法，以折返傳感光纖為對象， 包括以下步驟：
[0016] 步驟一，將激光注入折返傳感光纖，獲得背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞 利光信息和傳感光纖入射端溫度信息；
[0017] 步驟二，根據(jù)背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞利光信息，將同一測量點(diǎn) 的兩個(gè)量進(jìn)行相乘積再開方處理，獲得處理后的背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞 利光信息；
[0018] 步驟三，根據(jù)處理后的背向散射瑞利光信息獲得傳感光纖的物理結(jié)構(gòu)；判斷傳感 光纖是否收到外界入侵，如果是就發(fā)出報(bào)警信號，否則進(jìn)入步驟四；
[0019] 步驟四，利用傳感光纖入射端的溫度信息，解調(diào)處理后的背向散射反斯托克斯光 信息，獲得傳感光纖每一測量點(diǎn)的測量溫度。
[0020] 在步驟一的目的在于獲得折返傳感光纖中的背向散射反斯托克斯光信息、背向散 射瑞利光信息和傳感光纖入射端溫度信息，可以采用下面講到的分布式光纖拉曼溫度系統(tǒng) 解調(diào)裝置獲得，可以采用能夠達(dá)到上述目的類似裝置獲得。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，采用周期 性的脈沖激光，獲得的背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息是經(jīng)多次脈沖激 光之后的數(shù)字平均值；傳感光纖入射端（起點(diǎn)處）溫度信息可以由設(shè)置在傳感光纖起點(diǎn)處 的電子溫度計(jì)來獲得。
[0021] 在步驟二中，由于采用的是折返式傳感光纖，同一測量點(diǎn)具有損耗對稱的兩個(gè)量 (前點(diǎn)和后點(diǎn)），對這兩個(gè)量進(jìn)行相乘再開方處理，能夠有效消除傳輸損耗的影響。由于沒 有進(jìn)行傳統(tǒng)的雙路解調(diào)，可有效降低同溫平坦度。
[0022] 在步驟三中，