专利名称：采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤温度传感器，特别是分布式光纤拉曼温度传感器。
背景技术：
分布光纤温度传感器系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器 系统，在 系统中光纤既是传输媒体也是传感媒体。分布式光纤拉曼温度传感器利用光纤的喇曼光谱 效应，光纤所处空间各点温度场调制了光纤中传输的光载波，经解调后，将空间温度场的信 息实时显示出来。它是一个特殊的光纤通信系统；利用光纤的光时域的反射(Optical time domain reflection简称OTDR)技术，由光纤中光的传播速度和背向光回波的时间，对所测 温度点定位，它又是一个典型的光纤激光温度雷达系统。分布式光纤拉曼温度传感器可以 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。典型的分布式光纤拉曼温度传感器一般采用激光脉冲作为泵蒲信号，用反斯托克 斯拉曼散射光作为测量温度信号通道，斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考通道。由于 光纤上被则温度点的空间定位分辨率由激光脉冲宽度决定，为了获得更高的空间分辨率， 需要将激光脉冲宽度压窄，但压窄激光脉冲宽度带来的后果是激光的有效光子数变少了， 使得斯托克斯和反欺托克斯散射光强度变小从而使温度信号的信噪比降低，影响到测温精 度。随着系统测程增加，这一问题越发显得严重。为了解决这一问题，传统的办法是增加激 光窄脉冲的发射功率，但增加发射功率到一定程度后拉曼散射光会出现非线性效应，使温 度解调变得极为困难。另一种办法是增加信号采集次数，通过多次平均来提高信噪比，但这 样却增加了系统的工作时间，从而降低了测温的实时反应能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器， 以有效解决传统光纤分布温度传感器“提高空间分辨率_降低信噪比，提高信噪比-降低空 间分辨率或增加测量时间”这一矛盾，提高测温精度。本发明的采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器，包括具有拉曼频 移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块，掺铒光纤放大器，带通滤光片，具有四个端口的 集成型光纤波分复用器，两个光电接收放大模块，编码解码解调数字信号处理器，光纤温度 取样环，本征型测温光纤，数字式温度探测器和PC机。光纤耦合多脉冲半导体激光发射模 块的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连，掺铒光纤放大器的输出端与带通滤光片的一 端相连，带通滤光片的另一端与集成型光纤波分复用器的输入端口相连，集成型光纤波分 复用器的第一输出端口与光纤温度取样环的一端相连，光纤温度取样环的另一端与本征型 测温光纤相连，集成型光纤波分复用器的第二和第三输出端口分别与第一和第二光电接收 放大模块的输入端相连，第一和第二光电接收放大模块的输出端分别与编码解码解调数字信号处理器的两个输入端相连，数字式温度探测器的输出端与编码解码解调数字信号处理器第三个输入端相连，编码解码解调数字信号处理器的输出端与光纤耦合多脉冲半导体激 光发射模块的输入端相连，编码解码解调数字信号处理器的通讯接口连接PC机。为了保证光纤温度取样环温度定标的准确性，可将光纤温度取样环和数字式温度 探测器紧挨置于同一个隔热的容器内。本征型测温光纤铺设在测温现场，测温光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀， 光纤既是传输介质又是传感介质。工作时，光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块由编码解 码解调数字信号处理器送出的按255 X 255S矩阵转换规则排列的序列255位编码脉冲驱动 并发出相应的255位编码脉冲光，该编码脉冲光经掺铒光纤放大器放大，获得足够大的光 功率，经带通滤光片滤光后输给集成型光纤波分复用器，并通过集成型光纤波分复用器射 入本征型测温光纤。在本征型测温光纤上产生的激光反斯托克斯拉曼、斯托克斯拉曼光子 波经集成型光纤波分复用器分束，分别由第一、第二光电接收放大模块转换成模拟电信号 并放大输给编码解码解调数字信号处理器，编码解码解调数字信号处理器将接收到的两路 模拟电信号分别逐点采集并转换成数字信号进行解码，恢复出反应背向反斯托克斯拉曼光 和斯托克斯拉曼光强度的值，该两值之比反应出光纤各段的温度信息，通过高速数据处理 器解调并结合数字温度探测器测出的取样环温度值进行温度定标，给出本征型温光纤上各 点(小段)的温度，并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)，在40秒内得到本征型测温光纤上各段的温度和温度变化量，测温精度士 1°C， 在0°C -300°C范围内进行在线温度监测。编码解码解调数字信号处理器将数据结果通过通 讯接口、通讯协议传输给PC机，进行图形显示、温度报警控制。本发明的有益效果在于本发明的采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器，用激光序列编码 脉冲作为发射源，大大提高了发射信号光子数，使得背向拉曼散射光强度大大提高，从而大 大提高了系统的信噪比。该传感器的空间定位分辨率由单位的窄脉冲宽度决定，由于采用 序列编码脉冲发射，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨 率，并且不必提高单个激光脉冲的峰值功率从而又有效防止了光纤非线性效应；同时，由于 采用了编码、解码技术，大大提高了系统对信号的提取、辨别能力，在花费同样测量时间下 能获得更好的信噪比。该发明有效解决了传统光纤分布温度传感器“提高空间分辨率-降 低信噪比，提高信噪比-降低空间分辨率或增加测量时间”这一予盾问题，可实现超远程、高 空间分辨率的分布光纤温度传感系统。
图1是采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器的示意图。图2是序列脉冲编码及对应的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号波形图，其中 a)为三位序列单脉冲及对应的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号波形，b)为三位编码序 列脉冲及对应的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号波形。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，本发明的采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器，包括 具有拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块21，掺铒光纤放大器19，带通滤光片 20，具有四个端口的集成型光纤波分复用器11，两个光电接收放大模块12、13，编码解码解 调数字信号处理器14，光纤温度取样环17，本征型测温光纤18，数字式温度探测器16和PC 机15。光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块21的输出端与掺铒光纤放大器19的输入端 相连，掺铒光纤放大器19的输出端与带通滤光片20的一端相连，带通滤光片20的另一端 与集成型光纤波分复用器11的输入端口相连，集成型光纤波分复用器11的第一输出端口 与光纤温度取样环17的一端相连，光纤温度取样环17的另一端与本征型测温光纤18相 连，集成型光纤波分复用器11的第二和第三输出端口分别与第一和第二光电接收放大模 块12、13的输入端相连，第一和第二光电接收放大模块12、13的输出端分别与编码解码解 调数字信号处理器14的两个输入端相连，数字式温度探测器16的输出端与编码解码解调 数字信号处理器14第三个输入端相连，编码解码解调数字信号处理器14的输出端与光纤 耦合多脉冲半导体激光发射模块21的输入端相连，编码解码解调数字信号处理器14的通 讯接口连接PC机15。本发明中的拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块21的中心波长可以为1550nm，光谱宽度< 5nm，激光的单位脉冲宽度< 6ns ；带通滤光片20光谱带宽为8nm，通 带波纹< 0. 3dB，插入损耗< 0. 3dB。本发明中的集成型光纤波分复用器11由光纤双向耦合器、光纤平行光路、反斯托 克斯拉曼散射光宽带滤光片和斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片集成，具有4个端口。对应 1550nm中心波长的拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块，光纤波分复用器的输 入端口的波长为1550nm，三个输出端口的波长分别为1550nm、1450nm和1650nm。其中， 1450nm反斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片的中心波长为1450nm，光谱带宽为36nm，通带波 纹< 0. 3dB，插入损耗< 0. 3dB，对1550nm光的隔离度> 35dB。1650nm斯托克斯拉曼散射光 宽带滤光片的中心波长为1650nm，光谱带宽为38nm，通带波纹< 0. 3dB，插入损耗< 0. 3dB， 对1550nm光的隔离度> 35dB。本发明中的拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块21也适用于其它波 段的波长，例如1060nm，1310nm等。本发明中的第一、第二光纤光电接收放大模块13，14，分别由光纤耦合的低噪音 InGaAs光电雪崩二极管、低噪音AD8015前置放大器以及由AD8129和AD8361构成的可调增 益主放大器构成。本发明中的编码解码解调数字信号处理器可采用以德州仪器公司(Tl)生产的 ADS62P49采集芯片为核心的高速采集器和以美国模拟器件公司(AD)生产的ADSP-BF561芯 片为核心的高速数字处理器组成的编码解码解调数字信号处理器。本发明中的数字式温度探测器采用18B20数字式温度探测器。本发明中的本征型测温光纤为光通仪用62. 5/125多模光纤，测温光纤长度为 IOOm 50km。本发明中的光纤温度取样环采用50米光通仪用62. 5/125多模光纤绕成多圈小环 形成。采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度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。下面结合一个3位的编码解码过程来进一步阐述原理。如图2(a)所示，Pjt)、P2(t)、P3(t)分别代表脉宽和间距均为τ的激光脉冲，
分别代表对应脉冲的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号。三位的S矩
阵为<formula>formula see original document page 6</formula>
用S矩阵转换的结果为<formula>formula see original document page 6</formula>
图2(b)所示的ρ^υ+κα^κακκα^ρ^υ+κα)即为用s矩阵转换后的3 位编码激光脉冲序列。在图2(b) ψ R1 (t) +R3 (t), R2 (t) +R3 (t), R1 (t) +R2 (t)分别代表编码 激光脉冲序列P^tHP3 (t)、P2(t)+P3 (OUtHP2 (t)的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信 号。设 R' !(t), R' 2(t)、R' 3(t)分别代表 R1U^R3 (t)、R2 (t)+R3UhR1 (t)+R2 (t)实际 测得的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号。ei(t)、e2(t)、e3(t)分别代表对R1UHR3⑴、 R2(t)+R3W^R1 (t)+R2(t)实际检测中引入的噪声。则: ρ,(0 R2(t) 二 S R1Q) + e2{t)(3)设晃W、J2(t),云3(0为解码后恢复的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号 则
(ol [夂叫 Γ1 -1 中；⑴ _I2(t) =S~{ R2(t) -- -1 1 1 R2(t)(4)
R,(t) |_i ;(0j L1 1 -1J^)-由⑷式可得(0 = - fc (0 - R2 (0 + κ (θ] = R1 (0 + g|(0~ef) + g3(0(5)
2 2^2 (r) 二丄[- R; (0 + R2 (0 + κ (0] = R2 (0 + "gl(0 + gf) + g3(0(6)
2Mt) = \ k (0 + R2 ⑴-R3 ⑴]=R: (0 +幼)(7)由(5)(6) (7)式可得
<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>
设噪声ei(t)是非相关的，具有零均值，其方差为σ 2，则噪声的均值和均方差可表 述为E[e,(t + )] = 0,E^11 (t + ^J =σ2( = 1,2,3) (9)E[ei(t)ej(t+4)] = 0((i Φ j)or(i = j, ζ 共 0))由(8) (9)式可得最终恢复的背向反斯托克斯(或斯托克斯)信号均方差为<formula>formula see original document page 7</formula>
采用传统3次平均的均方差为σ 73，对应传统3次平均法采用3位脉冲序列编码 解码获得的信噪比改善为
<formula>formula see original document page 7</formula>(U) 按上述方法类推，采用N位的序列脉冲编码解码可获得的信噪比改善为<formula>formula see original document page 7</formula>(12)由(12)式可知，信噪比改善随着编码位数的提高而提高。当N 取 255 时-.SNR议= 8.02采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器的测温原理1.光纤光时域反射(OTDR)原理当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均勻性，会产生瑞 利散射，在时域里，入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤 中所走过的路程为2L，2L = VXt，V为光在光纤中传播的速度，V = C/n，C为真空中的光 速，η为光纤的折射率。在t时刻测量到的是离光纤入射端光纤长度为L处局域的背向瑞 利散射光。用光时域反射技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置，对测量点 进行定位，因此也可称为光纤激光雷达。在空间域里，光纤的瑞利背向散射光子通量<formula>formula see original document page 7</formula>
Φ6 在光纤入射端的激光脉冲的光子通量；Κκ 与光纤瑞利散射截面相关的系数； V0 入射激光的频率；S为光纤的背向散射因子；α。为入射光子频率处光纤的损耗；L为局 域处离入射端的光纤长度<formula>formula see original document page 7</formula>
2.光纤Raman背向散射及其温度效应在频域里，喇曼散射光子分为斯托克斯和反斯托克斯喇曼散射光子
斯托克斯喇曼散射光子vs = ν0-Δν(15)反斯托克斯喇曼散射光子va = ν0+Δν (16)Δ ν 光纤声子的振动频率Δν = 1. 32 X IO13Hz。
在光纤L处局域的斯托克斯喇曼散射光子通量= Ks*S v ·φ€.οχρ[-(α0 +as)'L]*Rs{T)(17)在光纤L处局域的反斯托克斯喇曼散射光子通量<formula>formula see original document page 8</formula>(18)Ks, Ka分别是与光纤斯托克斯和反斯托克斯喇曼散射截面有关的系数；S为光纤的 背向散射因子；vs，Va分别为光纤斯托克斯和反斯托克斯喇曼散射光子频率；α。，α s，α a分 别为入射光、斯托克斯喇曼散射光、反斯托克斯喇曼散射光的光纤传输损耗；L为光纤待测 局域处的长度；RS (T)，Ra(T)分别为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，与 光纤局域处的温度有关。Rs(T) = [1-exp (-hAv/kT)]-1 (19)Ra(T) = [exp (h Δ v/kT)-1](20)式中h为普朗克常数；k为波耳兹曼常数，一般解调方法是用斯托克斯喇曼散射 OTDR曲线来解调反斯托克斯喇曼散射OTDR曲线
「 4叙=.exp(-hAv/kl)·exp[-{aa-as)l](21)当已知取样环Ltl处温度T = Ttl时，由(21)式得
<formula>formula see original document page 8</formula>
(21)式除(22)
<formula>formula see original document page 8</formula>
从(23)式
<formula>formula see original document page 8</formula>在(24)式中均为已知，则可得到局域L处的温度Τ。本发明的分布式光纤拉曼温度传感器适用于255位序列脉冲编码解码，也适用于 其它位数的编码，例如127位等。
权利要求
采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是包括具有拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块(21)，掺铒光纤放大器(19)，带通滤光片(20)，具有四个端口的集成型光纤波分复用器(11)，两个光电接收放大模块(12)、(13)，编码解码解调数字信号处理器(14)，光纤温度取样环(17)，本征型测温光纤(18)，数字式温度探测器(16)和PC机(15)。光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块(21)的输出端与掺铒光纤放大器(19)的输入端相连，掺铒光纤放大器(19)的输出端与带通滤光片(20)的一端相连，带通滤光片(20)的另一端与集成型光纤波分复用器(11)的输入端口相连，集成型光纤波分复用器(11)的第一输出端口与光纤温度取样环(17)的一端相连，光纤温度取样环(17)的另一端与本征型测温光纤(18)相连，集成型光纤波分复用器(11)的第二和第三输出端口分别与第一和第二光电接收放大模块(12)、(13)的输入端相连，第一和第二光电接收放大模块(12)、(13)的输出端分别与编码解码解调数字信号处理器(14)的两个输入端相连，数字式温度探测器(16)的输出端与编码解码解调数字信号处理器(14)第三个输入端相连，编码解码解调数字信号处理器(14)的输出端与光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块(21)的输入端相连，编码解码解调数字信号处理器(14)的通讯接口连接PC机(15)。
2.根据权利要求1所述的采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器，其特 征是光纤温度取样环(17)和数字式温度探测器(16)紧挨置于同一个隔热的容器内。
3.根据权利要求1所述的采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器，其 特征是拉曼频移的光纤耦合多脉冲半导体激光发射模块(21)的中心波长为1550nm，光 谱宽度<5nm，激光的单位脉冲宽度< 6ns;带通滤光片(20)光谱带宽为8nm，通带波纹 < 0. 3dB，插入损耗< 0. 3dB。
全文摘要
本发明公开了采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器，它是基于S矩阵转换对信号进行编码和解码，利用光纤拉曼光强度受温度调制的效应和光时域反射原理进行光纤在线定位测温的分布式光纤测温系统。该传感器使用序列多位激光脉冲编码解码技术，在花费同样测量时间下能获得更好的信噪比，并且提高了发射光子数，可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，对单个激光脉冲的峰值功率要求的降低又可有效地防止光纤非线性效应。该发明有效解决了传统光纤分布温度传感器“提高空间分辨率-降低信噪比，提高信噪比-降低空间分辨率或增加测量时间”这一矛盾，提高了测温精度。可应用于超远程、高空间分辨率的分布光纤温度传感系统。
文档编号G01K11/32GK101819073SQ20101016959
公开日2010年9月1日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者余向东, 张在宣, 张文生 申请人:中国计量学院