专利名称：一种超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及集成光纤Raman放大器的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，属于光纤传感器技术领域。
背景技术：
在分布式光纤传感器领域，国内外有分布式光纤拉曼散射光子温度传感器检测现场的温度，国外有分布式光纤布里渊散射光子传感器检测现场的应变和温度，由于存在交叉效应，不能同时测量光纤的应变和温度，英国南安普敦大学Newson研究团队提出采用窄带激光光源利用光纤的背向自发反斯托克斯拉曼散射测温并用自发光纤布里渊散射效应来测量应变，但由于光纤布里渊散射的光谱带寬很窄，因此，测量温度和应变的精度低(M. N. Allahbabi, Y. T. Cho and Τ. P. Newson, Simulataneous Distributed Measurements of Temperature and Strain using Spontaneous Raman and Brillouin Scattering, Optics Letters, 2005, 1 June, p. 1276-1278)。中国计量学院张在宣研究团队提出采用两个不同光谱带宽的激光光源，采用宽带光源的光纤拉曼散射强度比测量光纤的温度，采用窄带光源的光纤布里渊散射线的频移比测量光纤的应变，初步解决了应变和温度同时测量的问题(张在宣等《超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器》， ZL200710156868.0);中国计量学院余向东，张在宣等提出将脉冲编码技术应用于全分布式光纤传感器(余向东，张在宣等《采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器》， CN101819073A)在光纤传感系统中采用脉冲编码技术提高了发射信号光子数，使得背向拉曼散射光强度提高，改善了系统的信噪比，从而大大提高了系统的信噪比。融合脉冲编码技术，光纤拉曼散射、布里渊散射技术，受激拉曼放大技术可有效地提高测量距离和测量精度，满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对超远程IOOkm全分布式光纤应变、温度传感网的迫切需求。
发明内容本实用新型的目的是提出一种超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，以实现增加系统的测量长度，同时提高测量温度和应变的精度。本实用新型的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器包括波形发生器，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器，半导体FP腔宽带光纤激光器，光纤分波器，脉冲编码光调制器，光纤合波器，单向器，光纤拉曼激光器，泵浦-信号光纤耦合器，双向耦合器， 超远程单模光纤，光纤光栅窄带反射滤光器，波分复用器，两个光电接收模块，直接检测系统，两个窄带光纤光栅滤光器，通过环行器，相干检测系统和工控机，工控机的输出端与波形发生器的输入端相连，波形发生器的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器的输入端相连，波形发生器的另一个输出端与脉冲编码光调制器的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器的输出端与光纤合波器的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器的输出端与光纤分波器的输入端相连，光纤分波器的一个输出端与脉冲编码光调制器的另一个输入端相连，光纤分波器的另一个输出端经第二窄带光纤光栅滤光器与通过环行器的一个输入端相连，脉冲编码光调制器的输出端与光纤合波器的另一个输入端相连，光纤合波器的输出端与单向器的输入端相连，单向器的输出端与泵浦-信号光纤耦合器的一个输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器的另一个输入端与光纤拉曼激光器相连，泵浦-信号光纤耦合器的输出端与双向耦合器的输入端相连，双向耦合器的一个输出端连接超远程单模光纤，双向耦合器的另一个输出端经光纤光栅窄带反射滤光器与波分复用器的输入端相连，波分复用器的一个输出端经第一光电接收模块与直接检测系统的一个输入端相连，波分复用器的另一个输出端经第二光电接收模块与直接检测系统的另一个输入端相连，波分复用器的第三个输出端与第一窄带光纤光栅滤光器的输入端相连，直接检测系统的输出端与工控机的一个输入端相连，第一窄带光纤光栅滤光器的输出端与通过环行器的另一个输入端相连，通过环行器的输出端经相干检测系统与工控机的另一个输入端相连。本实用新型中，所述的半导体FP腔宽带光纤激光器由F-P半导体激光器组成，其中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。本实用新型中，所述的半导体外腔窄带脉冲光纤激光器是中心波长为1555nm，光谱带宽为200kHz的20mW连续运行的光纤激光器。本实用新型中，所述的编码光调制器是铌酸锂马赫-泽德尔调制器(Mach-Zehnder modulator (MZM))。本实用新型中，所述的光纤拉曼激光器是波长为1465nm的功率可调光纤拉曼激光器。它与泵浦-信号光纤耦合器与超远程IOOkm单模光纤组合成一只增益可调的前向泵浦分布式光纤拉曼放大器。本实用新型中，所述的光纤光栅窄带反射滤波器是高反射率、高隔离度(大于 35dB)，波长为1465nm窄带光谱间隔为0. 3nm的光纤光栅反射滤波器。本实用新型中，所述的波分复用器具有四个端口，一个输入端口，三个输出端口， 第一输出端口是1450nm端口，为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口，第二输出端口是 1660nm端口，为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口，第三输出端口是1550nm端口，为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。本实用新型中，所述的第一窄带光纤光栅滤光器是中心波长为1555. 08nm，光谱带宽为0. lnm，损耗<0. 3dB，隔离度>35dB的光纤光栅。第二窄带光纤光栅滤光器是中心波长为1555. Onm，光谱带宽为0. lnm，损耗<0. 3dB，隔离度>35dB的光纤光栅。本实用新型中，所述的相干检测系统是频谱范围9kHz46. 5GHz的频谱分析仪。超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器是基于光纤非线性光学散射融合原理、波分复用原理和脉冲编码原理，利用光纤受激拉曼散射效应，自发拉曼散射的温度效应和自发布里渊散射应变效应和光时域反射原理制成的测量温度和应变的传感器。脉冲编码分布式拉曼、布里渊散射光纤传感器的编码解码原理本传感器的序列脉冲编码是通过S矩阵转换来实现的，S矩阵转换是标准哈达马得(Hadamard)转换的一种变式，也可称为哈达马得转换。S矩阵的元素均由“0”和“1”组成，这一特点很适用于激光序列脉冲编码，在实际应用中可用“0”代表激光器关闭，用“ 1，， 代表激光器开启。这种采用“0”、“1”的编码方式又可称为简单编码。而解码的过程是对应的逆S矩阵转换。
5[0016]由编码原理推导得知，采用N位的序列脉冲编码解码可获得的信噪比改善为
权利要求1.一种超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是包括波形发生器(9)，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器(10)，半导体FP腔宽带光纤激光器(11)，光纤分波器(12)，脉冲编码光调制器(13)，光纤合波器(14)，单向器(15)，光纤拉曼激光器 (16)，泵浦-信号光纤耦合器(17)，双向耦合器(18)，超远程单模光纤(19)，光纤光栅窄带反射滤光器(20)，波分复用器(21)，两个光电接收模块(22、23)，直接检测系统(24)，两个窄带光纤光栅滤光器(25、沈)，通过环行器(27 )，相干检测系统(28 )和工控机09)，工控机 (29)的输出端与波形发生器(9)的输入端相连，波形发生器(9)的一个输出端与半导体FP 腔宽带光纤激光器(11)的输入端相连，波形发生器(9)的另一个输出端与脉冲编码光调制器(13)的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器(11)的输出端与光纤合波器(14) 的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器(10)的输出端与光纤分波器(12)的输入端相连，光纤分波器(12)的一个输出端与脉冲编码光调制器(13)的另一个输入端相连，光纤分波器(12)的另一个输出端经第二窄带光纤光栅滤光器(26)与通过环行器(27) 的一个输入端相连，脉冲编码光调制器(13)的输出端与光纤合波器(14)的另一个输入端相连，光纤合波器(14)的输出端与单向器(15)的输入端相连，单向器(15)的输出端与泵浦-信号光纤耦合器(17)的一个输入端相连，泵浦-信号光纤耦合器(17)的另一个输入端与光纤拉曼激光器(16)相连，泵浦-信号光纤耦合器(17)的输出端与双向耦合器(18) 的输入端相连，双向耦合器(18)的一个输出端连接超远程单模光纤(19)，双向耦合器(18) 的另一个输出端经光纤光栅窄带反射滤光器(20)与波分复用器(21)的输入端相连，波分复用器(21)的一个输出端经第一光电接收模块(22)与直接检测系统(24)的一个输入端相连，波分复用器(21)的另一个输出端经第二光电接收模块(23)与直接检测系统(24)的另一个输入端相连，波分复用器(21)的第三个输出端与第一窄带光纤光栅滤光器(25)的输入端相连，直接检测系统(24)的输出端与工控机09)的一个输入端相连，第一窄带光纤光栅滤光器(25)的输出端与通过环行器(27)的另一个输入端相连，通过环行器(27)的输出端经相干检测系统(28)与工控机09)的另一个输入端相连。
2.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是半导体FP腔宽带光纤激光器(11)的中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。
3.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是半导体外腔窄带脉冲光纤激光器(10)的中心波长为1555nm，光谱带宽为200kHz的 20mff连续运行的光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是脉冲编码光调制器(13)是铌酸锂马赫-泽德尔调制器。
5.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于光纤拉曼激光器(16)是波长为1465nm的功率可调光纤拉曼激光器。
6.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于光纤光栅窄带反射滤波器(20)是波长为1465nm窄带光谱间隔为0. 3nm的光纤光栅反射滤波器。
7.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是波分复用器(21)具有四个端口，一个输入端口，三个输出端口，第一输出端口是1450nm端口，为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口，第二输出端口是1660nm端口，为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口，第三输出端口是1550nm端口，为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。
8.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征在于第一窄带光纤光栅滤光器(25)是中心波长为1555. 08nm，光谱带宽为0. lnm，损耗 <0. 3dB，隔离度>35dB的光纤光栅；第二窄带光纤光栅滤光器(26)是中心波长为1555. Onm, 光谱带宽为0. lnm，损耗<0. 3dB,隔离度>35dB的光纤光栅。
9.根据权利要求1所述的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器，其特征是相干检测系统(28)是频谱范围9kHz46. 5GHz的频谱分析仪。
专利摘要本实用新型公开的超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器是利用脉冲编码原理，光纤受激拉曼散射效应，自发拉曼散射的温度效应和自发布里渊散射应变效应和光时域反射原理制成的测量温度和应变的传感器。将放大的脉冲编码反向反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射光分别通过两个光电接收模块输入直接检测系统解码解调，测量两者的强度比，得到光纤各段的温度信息。将放大的脉冲编码反向光纤布里渊散射光与外腔窄带光纤激光器的本地光拍频进行相干检测，通过解码解调测量频移得到光纤各段的应变信息。该传感器采用时间序列编码激光脉冲可有效增加入射传感光纤的光子数，改善传感系统的信噪比。增加测量长度，改善测量精度和空间分辨率。
文档编号G01D5/30GK202195825SQ20112028644
公开日2012年4月18日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者余向东, 张在宣, 李裔, 王剑锋, 龚华平 申请人:中国计量学院