专利名称：一种光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤拉曼温度传感器，特别是光纤拉曼频移器双波长光源自校正 分布式光纤拉曼温度传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术：
近年来，利用光纤拉曼散射光強度受温度调制的效应和光时域反射(OTDR)原理 研制成分布式光纤拉曼温度传感器，它可以在线实时预报现场的温度和温度变化的取向， 在线监测现场温度的变化，在一定的温度范围设置报警温度，是一种本质安全型的线型感 温探测器，已在电力工业、石化企业、大型土木工程和在线灾害监测等领域成功地应用。由于各个波段的光纤损耗是不同的，即光纤损耗存在光谱效应，在分布式光纤拉 曼温度传感器中用反斯托克斯拉曼散射光作为测量温度信号通道，用斯托克斯拉曼散射光 作为测量温度参考通道，由于两个通道在不同波段，测温光纤的损耗不同，在测温系统中用 斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号通道时出现非线性现象，而造成的测温误 差，降低了测温精度，对于固定的波长的光纤损耗可以在解调过程中进行人为校正。张在宣于2009年提出《一种拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传 感器》(中国专利ZL 200920192483. 4)，采用1550nm激光器为主光源，1450nm激光器为副 光源，利用拉曼相关自校正方法解决了中、短程100m-15km在线温度监测中的校正问题。但 需要用主光源和副光源两只光源，比较复杂，造价高，且不能完全满足近年来石油管道、传 输电力电缆的安全健康监测，对远程、超远程自校正分布式光纤拉曼温度传感器的迫切需 求。
发明内容本实用新型的目的是提供一种成本低、信噪比好，稳定性和可靠性好，用一只光纤 脉冲激光器能实现远程30km自校正的光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼 温度传感器。本实用新型的光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包 括光纤脉冲激光器，光纤分路器，由单模光纤和1660nm滤光器组成的光纤拉曼频移器，第 一光纤波分复用器，第二光纤波分复用器，第一光纤开关，传感光纤，第二光纤开关，光电接 收模块，数字信号处理器和工控机。光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过光纤分路器分成两 束，其中一束1550nm波段的激光进入光纤拉曼频移器，经频移13. 2THz到1660nm波段作为 主光源，另一束1550nm波段的激光作为副光源，第一光纤波分复用器具有三个端口，它的 1660nm输入端口与光纤拉曼频移器输出的主光源相连，COM端口与第一光纤开关的一个输 入端相连，1550nm输出端口与第二光纤开关的一个输入端相连，第二光纤波分复用器具有 三个端口，其中的1550nm输入端口与光纤分路器分束的副光源相连，COM端口与第一光纤 开关的另一个输入端相连，1660nm输出端口与第二光纤开关的另一个输入端相连，第一光纤开关的输出端与传感光纤相连，第二光纤开关的输出端与光电接收模块的输入端相连， 光电接收模块的输出端与数字信号处理器的输入端相连，数字信号处理器的输出端与工控 机相连，第一、第二两只光纤开关联动，利用第一光纤开关将第一光纤波分复用器和第二光 纤波分复用器输出的两束激光分时交替地进入传感光纤，利用第二光纤开关将第一光纤波 分复用器和第二光纤波分复用器的输出端分时交替地与光电接收模块相连，当第一光纤开 关通过第一光纤波分复用器与1660nm主光源相连时，第二光纤开关输入端与第一光纤波 分复用器1550nm输出端口相连，将传感光纤的反斯托克斯回波送入光电接收模块；当第一 光纤开关通过第二光纤波分复用器与1550nm副光源相连时，第二光纤开关输入端与第二 光纤波分复用器1660nm输出端口相连，将传感光纤的斯托克斯回波送入光电接收模块。本实用新型中，所说的脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0. lnm，激光 脉冲宽度为10ns，峰值功率为I-IkW可调，重复频率为500Ηζ-20ΚΗζ可调。上述光纤拉曼频移器中1660nm滤光器的中心波长为1660nm，光谱带宽^nm,透过 率98%，对1550nm激光的隔离度> 45dB。本实用新型中，所说的传感光纤是长度为30km的G652通信单模光纤。传感光纤 既是传输介质又是传感介质，铺设在测温现场不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀。工作时，光纤脉冲激光器发出的激光脉冲分别轮流通过第一、第二光纤波分复用 器射入传感光纤，在传感光纤上产生的主激光的反斯托克斯拉曼光子波经第一光纤波分 复用器分束，由光电接收模块转换成模拟电信号并放大，副激光的斯托克斯拉曼光子波经 第二光纤波分复用器分束，由光电接收模块转换成模拟电信号并放大，背向的反斯托克斯 拉曼光和斯托克斯拉曼光两者的强度比，得到光纤各段的温度信息，给出传感光纤上各点 (小段)的温度，利用光时域反射对感温光纤上拉曼光子感温火灾探测点定位(光纤雷达定 位)。通过数字信号处理器解调，经过温度定标，在60秒内得到30km传感光纤上各段的温 度和温度变化量，测温精度士 1°C，在0°C_30(TC范围内进行在线温度监测，由工控机通过 通讯接口、通讯协议进行远程网络传输。光纤拉曼频移器的工作原理光纤拉曼频移器有单模光纤和宽带1660nm滤光器组成。当激光入射到单模光 纤，激光与光纤分子的非线性相互作用，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，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，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，光纤分子的声子频率为 13. 2THz。当入射的1550nm激光功率达到一定阈值后，产生放大的斯托克斯拉曼散射光，光 频移了 13. 2THz，获得了宽光谱带1660nm光，经1660nm滤光器后作为拉曼相关光源的主光 源。光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器的测温原理光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过光纤波分复用器射入传感光纤，激光与光纤分 子的非线性相互作用，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，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，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，光纤分子的声子频率为13. 2THz。光纤分子能 级上的粒子数热分布服从波尔兹曼(Boltzmarm)定律，反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯 拉曼散射光的强度比R(T)
权利要求1.一种光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，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1660nm滤光器(13)组成 的光纤拉曼频移器，第一光纤波分复用器(14)，第二光纤波分复用器(15)，第一光纤开关 (16)，传感光纤(17)，第二光纤开关(18)，光电接收模块(19)，数字信号处理器00)和工 控机(21)，光纤脉冲激光器(10)发出激光脉冲通过光纤分路器(11)分成两束，其中一束 1550nm波段的激光进入光纤拉曼频移器，经频移13. 2THz到1660nm波段作为主光源，另一 束1550nm波段的激光作为副光源，第一光纤波分复用器(14)具有三个端口，它的1660nm 输入端口与光纤拉曼频移器输出的主光源相连，COM端口与第一光纤开关(16)的一个输 入端相连，1550nm输出端口与第二光纤开关(18)的一个输入端相连，第二光纤波分复用器 (15)具有三个端口，其中的1550nm输入端口与光纤分路器(11)分束的副光源相连，COM端 口与第一光纤开关(16)的另一个输入端相连，1660nm输出端口与第二光纤开关(18)的另 一个输入端相连，第一光纤开关(16)的输出端与传感光纤(17)相连，第二光纤开关(18) 的输出端与光电接收模块(19)的输入端相连，光电接收模块(19)的输出端与数字信号处 理器00)的输入端相连，数字信号处理器00)的输出端与工控机相连，第一、第二 两只光纤开关联动，利用第一光纤开关(16)将第一光纤波分复用器(14)和第二光纤波分 复用器(1 输出的两束激光分时交替地进入传感光纤(17)，利用第二光纤开关(18)将第 一光纤波分复用器(14)和第二光纤波分复用器(1 的输出端分时交替地与光电接收模 块(19)相连，当第一光纤开关(16)通过第一光纤波分复用器(14)与1660nm主光源相连 时，第二光纤开关(18)输入端与第一光纤波分复用器(14) 1550nm输出端口相连，将传感 光纤的反斯托克斯回波送入光电接收模块(19)；当第一光纤开关(16)通过第二光纤波分 复用器(15)与1550nm副光源相连时，第二光纤开关(18)输入端与第二光纤波分复用器 (15) 1660nm输出端口相连，将传感光纤的斯托克斯回波送入光电接收模块(19)。
2.根据权利要求1所述的光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传 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. lnm，激光脉冲宽度为 10ns，峰值功率为I-IkW可调，重复频率为500Hz-20KHz可调。
3.根据权利要求1所述的光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度 传感器，其特征是光纤拉曼频移器中1660nm滤光器(13)的中心波长为1660nm，光谱带宽 沘歷，透过率98%，对1550nm激光的隔离度> 45dB。
4.根据权利要求1所述的光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传 感器，其特征在于传感光纤(17)是长度为30km的G652通信单模光纤。
专利摘要本实用新型公开的光纤拉曼频移器双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包括光纤脉冲激光器，光纤分路器，由单模光纤和1660nm滤光器组成的光纤拉曼频移器，两个光纤波分复用器，两个光纤开关，传感光纤，光电接收模块，数字信号处理器和工控机。该传感器用一只光纤脉冲激光器通过光纤拉曼频移器获得拉曼相关双波长光源，自校正在现场使用测温光纤光缆时由于光纤、光缆产生的弯曲和受压拉伸而造成的非线性损耗，克服了测温系统中用斯托克斯拉曼参考通道解调反斯托克斯拉曼信号通道时偏离线性而造成的测温误差。成本低、寿命长、结构简单、信噪比好，可靠性好，适用于远程30公里范围内石化管道，隧道，大型土木工程监测和灾害预报监测。
文档编号G01K11/32GK201885827SQ20102063436
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者张在宣, 王剑锋, 金尚忠 申请人:中国计量学院