专利名称：混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种混沌激光相关高空间分辨率全分布式光纤瑞利与拉曼散射应变、温度传感器。
背景技术：
近年来发展起来的光纤传感器网能实现大型土木工程、电力工程、石化工业，交通桥梁，隧道，地铁站，大坝、大提和矿业工程等安全健康监控和灾害的预报和监测。光纤传感器有两大类一类是以光纤光栅(FBG)和光纤法白(F-P)等点式传感器“挂”(布设)在光纤上，采用光时域技术组成的准分布式光纤传感器网络，准分布式光纤传感器网的主要问题是在点式传感器之间的光纤仅是传输介质，因而存在检测“盲区”；另一类利用光纤的本征特性，光纤瑞利、拉曼和布里渊散射效应，采用光时域(OTDR)技术组成的全分布光纤传感器网，测量应变和温度。全分布光纤传感器网中的光纤既是传输介质又是传感介质，不存在检测盲区。张在宣教授提出的《全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器》(中国发明专利200910099463. 7，2010年9月授权)提供了一种成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好的分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器。但难以提高传感系统的空间分辨率，王云才教授研究团队提出将混沌激光相关法用于0TDR，空间分辨率达到了 6cm (王安帮，王云才，混沌激光相关法光时域反射测量技术，中国科学，信息科学，2010年，第40 卷，第3期，1-7页)但无法测量传感光纤上各点温度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，本发明具有高空间分辨率、低成本、结构简单、信噪比好、可靠性高等特点ο本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种混沌激光相关全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，包括半导LD激光器，第一偏振控制器，光纤环行器，第一光纤分路器，可调光衰减器第二偏振控制器，单向器，掺饵光纤放大器EDFA，第二光纤分路器，光纤波分复用器，传感光纤，光纤延迟线，第一光电接收模块，第二光电接收模块数字信号处理器和计算机。半导体LD激光器经第一偏振控制器与光纤环行器的一个输入端口相接，光纤环行器的一个输出端与第一光纤分路器输入端相连，第一光纤分路器的一个输出端与可调光衰减器的输入端相连，可调光衰减器的输出端通过第二偏振控制器与光纤环行器一个输入端相连，再经第一偏振控制器反馈给半导体LD激光器；第一光纤分路器的另一个输出端经单向器与掺饵光纤放大器EDFA相连，掺饵光纤放大器EDFA的输出端与第二光纤分路器输入端相连，第二光纤分路器的一个输出端与光纤波分复用器的输入端相连，光纤波分复用器的一个输出端与传感光纤相连，第二光纤分路器的另一个输出端经光纤延迟线与第一光电接收模块相连，第一光电接收模块输出端与数字信号处理器和计算机相连；光纤波分复用器的1550nm输出端口与数字信号处理器和计算机相连，光纤波分复用器的1450nm输出端口与数字信号处理器和计算机相连。进一步地，所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，混沌激光器是由半导体LD激光器经第一偏振控制器与光纤环行器的一个输入端口相接，光纤环行器的一个输出端与第一光纤分路器输入端相连，第一光纤分路器的一个输出端与可调光衰减器的输入端相连，可调光衰减器的输出端通过第二偏振控制器与光纤环行器一个输入端相连，再经第一偏振控制器反馈给半导体LD激光器组成。半导体LD激光器是半导体DFB 激光器，工作波长为1550nm，输出功率为lOcffim。第一光纤分路器的分支比为20:80。进一步地，所述的传感光纤是通信用30km G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。进一步地，所述的光纤延迟线是由一段单模光纤组成，用于标定传感系统的零点。 第二光纤分路器的另一个输出端经光纤延迟线与第一光电接收模块(22)相连，构成参考光路，第二光纤分路器的分支比为5:95，当传感系统不接入传感光纤时(相当于传感光纤的零点)，测量探测光与参考光相关曲线，选择光纤延迟线的长度，使相关曲线峰值处于零点。进一步地，所述的第一光电接收模块是由宽带低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成，第二光电接收放大模块采用两路宽带低噪音的^GaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成。进一步地，所述的数字信号处理器是一个相关处理器，将本地参考信号与传感光纤回波的1550nm瑞利信号和1450nm反斯托克斯拉曼信号进行相关处理，由计算机处理后显示温度和应变的信息。混沌激光发出时间序列激光脉冲进入传感光纤，在传感光纤中产生的背向瑞利散射、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波，背向瑞利散射、反斯托克斯拉曼散射光子波， 由光纤波分复用器分朿，带有应变信息的背向瑞利散射光和带有温度信息的反斯托克斯拉曼散射探测光分别经光电接收放大模块，将光信号转换成模拟电信号并放大，经数字信号处理器采集、累加与混沌激光的本地参考光作相关处理后，由瑞利散射光的强度比得到应变的信息，给出传感光纤上各应变探测点的应变，应变变化速度和方向；由反斯托克斯拉曼散射光与瑞利散射光的强度比，扣除应变的影响得到光纤各段的温度信息，各感温探测点的温度，温度变化速度和方向，应变与温度的检测不存在交叉效应，利用光时域反射对传感光纤上的检测点定位(光纤雷达定位)。在60秒内得到30km传感光纤上各点应变与温度变化量，测温精度士 2°C，空间分辨率小于15cm，由计算机通讯接口、通讯协议进行远程网络传输，当传感光纤上检测点达到设定的应变或温度报警设定值时，向报警控制器发出报警信号。混沌激光相关全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器的相关原理
半导体激光器在受到光反馈时持续地产生随机起伏的宽带，低相关噪声的混沌激光， 其相关曲线具有S函数形状，半导体激光器的非线性混沌振荡的带寬可大于15GHz，实现与测量长度无关的高分辨率、高精度的测量。设参考光为f (t)，探测光为g (t) =Kf (t-τ )； 互相关函数
权利要求
1.一种混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，它包括半导体LD激光器(10)、第一偏振控制器(11)、光纤环行器(12)、第一光纤分路器(13)、可调光衰减器(14)、第二偏振控制器(15)、单向器(16)、掺饵光纤放大器EDFA(17)、第二光纤分路器(18)、光纤波分复用器(19)、传感光纤(20)、光纤延迟线(21)、第一光电接收模块(22)、 第二光电接收模块(23)、数字信号处理器(24)和计算机(25)等；其中，所述半导体LD激光器(10)经第一偏振控制器(11)与光纤环行器(12)的一个输入端口相接，光纤环行器(12) 的输出端与第一光纤分路器(13)输入端相连，第一光纤分路器(13)的一个输出端与可调光衰减器(14)的输入端相连，可调光衰减器(14)的输出端通过第二偏振控制器(15)与光纤环行器(12)的另一个输入端相连，再经第一偏振控制器(11)反馈给半导体LD激光器 (10);第一光纤分路器(13)的另一个输出端经单向器(16)与掺饵光纤放大器EDFA (17)相连，掺饵光纤放大器EDFA (17)的输出端与第二光纤分路器(18)输入端相连，第二光纤分路器(18)的一个输出端与光纤波分复用器(19)的输入端相连，光纤波分复用器(19)的一个输出端与传感光纤(20)相连，第二光纤分路器(18)的另一个输出端经光纤延迟线(21)与第一光电接收模块(22)相连，第一光电接收模块(22)输出端与数字信号处理器(24)相连； 光纤波分复用器(19)的1550nm输出端口和1450nm输出端口均与数字信号处理器(24)相连，数字信号处理器(24)和计算机(25)相连。
2.根据权利要求1所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，所述半导体LD激光器(10)、第一偏振控制器(11)、光纤环行器(12)、第一光纤分路器 (13)、可调光衰减器(14)和第二偏振控制器(15)组成混沌激光器；所述半导体LD激光器 (10)是半导体DFB激光器，其工作波长为1550nm，输出功率为IOdBm ；第一光纤分路器(13) 的分支比为20:80。
3.根据权利要求1的传感光纤(20)是通信用30kmG652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。
4.根据权利要求1所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，所述光纤延迟线(21)是由一段单模光纤组成，用于标定传感系统的零点；第二光纤分路器(18)的另一个输出端经光纤延迟线(21)与第一光电接收模块(22)相连，构成参考光路，第二光纤分路器(18)的分支比为5:95。
5.根据权利要求1所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，所述第一光电接收模块(22)是由宽带低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成，第二光电接收放大模块(23 )采用两路宽带低噪音的MGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片和三级主放大器组成。
6.根据权利要求1所述的混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征在于，所述数字信号处理器(24)是一个相关处理器，将本地参考信号与传感光纤回波的 1550nm瑞利信号和1450nm反斯托克斯拉曼信号进行相关处理，由计算机(25)处理后显示温度和应变的信息。
全文摘要
本发明公开了一种混沌激光相关全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，它是根据混沌激光相关原理、光纤瑞利与拉曼融合散射传感原理、利用光时域反射原理对测点进行定位制成的；该传感器采用混沌激光器，在时域上随机起伏的光脉冲序列，通过传感光纤的反向探测光与本地参考光的相关处理，提高了传感器系统的空间分辨率；有效地增加了入射光纤的光子数，提高了传感器系统的信噪比，提高了传感器的测量长度与测量精度，在测量现场温度的同时能测量现场的形变、裂缝，与测量温度互不交叉。具有成本低、寿命长、结构简单、高空间分辨率和信噪比好等特点，适用于30公里范围内高空间分辨率15cm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G01K11/32GK102322811SQ201110227239
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月10日 优先权日2011年8月10日
发明者余向东, 张在宣, 王剑锋 申请人:中国计量学院