一种分布式光纤拉曼温度系统的解调方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子信息技术领域，涉及一种光电传感技术，具体是指一种分布式光 纤拉曼温度系统的解调方法及装置。
【背景技术】
[0002] 分布式光纤拉曼温度传感系统集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控， 一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测区 域的二维和三维分布情况，能在一条长达数千米的传感光纤环路上获得几十、几百甚至几 千条信息，现在传感光纤随制造成本的显著降低变得非常低廉，因此单位信息成本显著降 低。
[0003] 在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其他传感器无法接近的恶劣环境下，分布式光 纤拉曼温度传感系统具有无可比拟的优点。因此自20世纪80年代以来，人们对实现分布 式光纤传感的各种技术展开了广泛研究。分布式光纤温度拉曼传感系统，首先要解决的是 对携带温度信息的光信号的识别和测量位置的确定，光时域反射（OIDR)技术和光频域反 射（0FDR)技术对此提供了很好的解决方法；而对于较长距离的分布测温应用，基于散射机 理的分布传感系统则有着无比的优越性，这是因为此时光纤中所损失的功率直接用于所感 应的信号能量。
[0004] 光纤中最强的散射过程就是瑞利散射，背向散射强度约为入射光的_30dBm，瑞利 散射是由光纤中非传播的局域密度的不均匀和成分的不均匀所致。实验和理论都发现玻 璃（组成光纤的主要成分）的瑞利散射系数的温度灵敏度及其微弱，因此实现基于瑞利散 射的全固光纤的温度分布系统很困难。然而在某些液体中，这种温度灵敏度却很强，如在苯 中，其温度灵敏度高达〇. 〇33dB/K。由于液芯光纤的寿命短，且液体有冰点、沸点的存在，限 制了测温的范围，该方案不能得到实际的应用。目前主要应用的是拉曼散射型和布里渊散 射型。
[0005] 光通过光纤时，光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，从 而发生自发的布里渊散射，散射光的频率相对入射光的频率变化范围在10GHz~11GHz。基 于该技术的传感器的典型结构为布里渊放大器结构（如图3所示），包括脉冲激光器31、隔 离器（32、38)、声光调制器33、示波器34、耦合器（35、37)、敏感光纤36、连续波激光器39和 光谱分析仪310。处于光纤两端的可调谐激光器（脉冲激光器31和连续波激光器39)分 别将经隔离器32和声光调制器33调制的一脉冲光与经隔离器38和耦合器37的一连续光 注入敏感光纤36,当两束光的频率差处于相遇光纤区域中的布里渊增益带宽内时，两束光 就会在作用点产生布里渊放大器效应，相互间发生能量转移，在对两台激光器的频率进行 连续调整的同时，光谱分析仪310通过检测从光纤一端射出的连续光的功率，就可确定光 纤的各小段区域的布里渊增益达到最大时所对应的频率差，所确定的频率差与光纤上各段 区域的布里渊频移相等。因此在光纤与布里渊频移成正比的温度和应变就随之确定。该传 感技术所能达到的测量精度主要依赖于两台激光器的调谐精度。所以该系统较复杂，成本 高，栗浦激光和探测激光必须放在被测光缆的两端，而且不能测断点，对激光器的稳频以及 光源和控制系统的要求很高。因此其应用受到一定限制。
[0006] 拉曼散射是当激光脉冲在光纤中传播时由于光纤分子的热振动和光子相互作用 发生能量交换而产生的。具体地说，如果一部分光能转换成热振动，那么将发出一个比光源 波长长的光称为拉曼斯托克斯光；如果一部分热振动转换为光能，那么将发出一个比光源 波长短的光称为拉曼反斯托克斯光。基于自发拉曼散射的分布式温度传感系统如图2所 示，包括激光驱动器21、激光器22、传感光纤23、波分复用器24、探测器组件25、计算机26、 隔离器27和耦合器28。激光驱动器21驱动激光器22发射的激光经隔离器27与耦合器 28后注入传感光纤23,传感光纤23上自然背向散射经耦合器28和波分复用器24后滤出 斯托克斯光和反斯托克斯光，然后被探测器组件25接收转变为电信号并放大，再经计算机 26的信号处理系统处理转变为温度信号，作为一种双通道测量方法可以有效消除光源的不 稳定和光纤传输损耗与耦合的随机噪声的影响。背向散射拉曼光与入射光的关系为：
[0007] P=qPiR(T)exp(-(a0+ar)L) (1)
[0008] 其中，P为背向散射拉曼光功率，L为传感光纤长度，a。为光纤瑞利散射平均损耗 系数，为光纤拉曼散射平均损耗系数，R(T)为拉曼背向散射因子（含温度T信息），n 为波长等相关因子，PiS入射光功率。
[0009] 拉曼分布式光纤传感系统的唯一不足之处是返回信号相当弱，斯托克斯背向散射 强度约为入射光的-60dBm，反斯托克斯背向散射强度约为入射光的-75dBm，可以说温度信 息淹没在噪声中，为了避免信号处理过程中信号平均时间过长，脉冲激光源的峰值功率相 当高，但不能超过拉曼散射受激的阈值功率（反斯托克斯的阈值功率大于斯托克斯的阈值 功率），并且测量距离越长，阈值功率越小，最大值为拉曼散射受激的阈值功率P广：
[0010] PiCr (1-exp(- (a0+ar)L)) / (a0+ar) =C(2)
[0011] 其中，C为常数。
[0012] 现在利用背向散射瑞利技术可以检测80km以上的光缆物理结构，而报道的拉曼 温度系统单路光纤长度最长只有30km，原因是采用反斯托克斯/瑞利或反斯托克斯/斯托 克斯双路解调方法，反斯托克斯/瑞利解调受制于它们的光纤损耗因子匹配性不佳，据中 国计量学院报道，采用额外增加成本获得反斯托克斯光同波长的瑞利背向散射才做到30km 的拉曼温度系统，反斯托克斯/斯托克斯解调受制于斯托克斯的阈值功率，以上两钟解调 方法无法降低同温平坦度（指外界温度相同，传感光纤上测量温度最大值/最小值）。
【发明内容】
[0013] 本发明旨在针对上述现有技术中存在的问题，提供一种分布式光纤拉曼温度系统 解调方法及装置，能够实现单路折向解调分布式光纤拉曼温度，提高测量精度和同温平坦 度，传感长度可达到20km以上。
[0014] 为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现：
[0015] 本发明提供了一种分布式光纤拉曼温度系统解调方法，以折返传感光纤为对象， 包括以下步骤：
[0016] 步骤一，将激光注入折返传感光纤，获得背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞 利光信息和传感光纤入射端温度信息；
[0017] 步骤二，根据背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞利光信息，将同一测量点 的两个量进行相乘积再开方处理，获得处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] 步骤三，根据处理后的背向散射瑞利光信息获得传感光纤的物理结构；判断传感 光纤是否收到外界入侵，如果是就发出报警信号，否则进入步骤四；
[0019] 步骤四，利用传感光纤入射端的温度信息，解调处理后的背向散射反斯托克斯光 信息，获得传感光纤每一测量点的测量温度。
[0020] 在步骤一的目的在于获得折返传感光纤中的背向散射反斯托克斯光信息、背向散 射瑞利光信息和传感光纤入射端温度信息，可以采用下面讲到的分布式光纤拉曼温度系统 解调装置获得，可以采用能够达到上述目的类似装置获得。在优选的实施方式中，采用周期 性的脉冲激光，获得的背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息是经多次脉冲激 光之后的数字平均值；传感光纤入射端（起点处）温度信息可以由设置在传感光纤起点处 的电子温度计来获得。
[0021] 在步骤二中，由于采用的是折返式传感光纤，同一测量点具有损耗对称的两个量 (前点和后点），对这两个量进行相乘再开方处理，能够有效消除传输损耗的影响。由于没 有进行传统的双路解调，可有效降低同温平坦度。
[0022] 在步骤三中，