专利名称：一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及波分复用器件，特别是涉及一种用于分布式光纤温度传感器的波 分复用器件，属于光纤传感器技术领域。
背景技术：
自1985年J. P. Dakin等人首次成功实现了基于喇曼散射的分布式测温技术以来， 人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术开展了广泛研究，其中基于喇曼散射的分布式 传感技术得到了最为广泛的实际应用。与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有 诸多卓越的优势以光纤本身作为传感媒介，一次测量就可以得到沿光纤分布的数千点温 度信息，实现了连续分布式测量，降低了测量不确定度；测量距离远，测量时间短，适合远程 实时监控；灵敏度高，测量精度高，误报率、漏报率低；耐腐蚀、耐水、耐火、电磁干扰免疫， 可靠性高，维护成本低。基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理是在传感光纤的一端注入激 光脉冲，当激光脉冲在光纤中传播时由于纤芯分子的热振动与光子相互作用而发生能量交 换，产生了喇曼散射。具体的说，当光子的一部分能量传递给分子的热振动时，那么将发出 波长比原来激光波长长的光子，称为喇曼斯托克斯(Raman Stokes)光；当分子热振动的 一部分能量传递给光子时，那么将发出波长比原来激光波长短的光子，称为喇曼反斯托克 斯(Raman Anti-Stokes)光。其中，喇曼反斯托克斯光对温度很敏感，而喇曼斯托克斯光 对温度不敏感，所以人们通常用喇曼反斯托克斯光来解调出温度信息；并且，为了消除光 纤损耗及光源功率波动的影响，通常采用喇曼斯托克斯光作为参考光。喇曼散射技术结合 光时域反射技术(OTDR，Optical Time Domain Ref lectometer)，就能够定位温度信息，从 而实现了分布式光纤温度传感。通常称这种传感技术为Raman-DTS(Raman Distributed Temperature Sensing)。在Raman-DTS中有一个关键技术就是如何分离出喇曼反斯托克斯光和斯托克斯 光，通常需要设计独特的波分复用器件来实现。激光脉冲在光纤中传输的过程中，除了会产 生喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光外，还会产生瑞利散射光，其波长与输入的激光脉冲波 长相同。而且相对于喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光而言，瑞利散射光的强度高很多；通 常，瑞利散射光的强度比斯托克斯光高三个数量级，比反斯托克斯光高四个数量级。因此， 在强瑞利光噪声背景下提取斯托克斯光和反斯托克斯光，以及防止斯托克斯光与反斯托克 斯光相互串扰，成为难点，也是核心技术。为了准确的解调出温度信息，通常对这种波分复 用器件的隔离度要求大于60dB。图2是中国专利数据库中公开的一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器 件的原理模型图(公开号CN 101696896)。其中，21是光环行器，22是反斯托克斯波长的 滤波片，23是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口 1注入，并通过光环行器21输出到 端口 2，端口 2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口 2，并通过光环行器21输出 到反斯托克斯波长的滤波片22 ；反斯托克斯光透射滤波片22，由端口 3输出；斯托克斯光和瑞利散射光被滤波片22反射，并输出到斯托克斯波长的滤波片23，斯托克斯光透射滤波 片23，由端口 4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。这种波分复用器件的隔离 度主要取决于两个滤波片22、23的透射隔离度，通常这样的滤波片的的透射隔离度在35dB 左右。因此，器件的隔离度很难超过40dB，除非设计非常特殊的滤波片，那样必然会大幅度 增加系统成本。图3是中国专利数据库公开的另一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器 件的原理模型图(公开号CN 101696896)。其中，31是1X3双向耦合器，32是反斯托克斯波 长的滤波片，33是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口 1注入，并通过1X3双向耦合器 31输出到端口 2，端口 2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口 2，并通过1X3双向 耦合器31 ；用反斯托克斯波长的滤波片32、斯托克斯波长的滤波片33分别滤出反斯托克斯 光和斯托克斯光，并分别由端口 3和端口 4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。 首先，这种波分复用器件采用的是1X3双向耦合器，会引入约9. 5dB(101og(l/9) = 9. 5dB) 的额外损耗，大大削弱了可以利用的反斯托克斯光和斯托克斯光强度；其次，器件的隔离度 很难超过40dB，除非设计非常特殊的滤波片，原因同上述。如果在分布式光纤温度传感器中使用上述常规的波分复用器件，通常由于隔离度 不够，会造成反斯托克斯光和斯托克斯光的相互串扰，以及瑞利散射光的干扰，这样的话， 就难以获得准确的温度信息和高分辨率，严重情况下甚至导致温度曲线扭曲，系统不能正 常工作。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于分布式光纤温度 传感器的波分复用器件，使其具有高隔离度、低插入损耗；能够可靠的分离出反斯托克斯光 和斯托克斯光，进而可以获得准确的温度信息，提高了系统的温度分辨率。为了实现本实用新型的目的，本实用新型提供的技术方案如下一种用于分布式 光纤温度传感器的波分复用器件，包括壳体上设置的四个端口 ；壳体内设置有具有四端口 的光环行器，所述光环行器的第一端口、第二端口分别直接连接至壳体上的端口 一和端口 二，光环行器的第三端口与壳体上的端口三之间串接有一个瑞利散射波长的光纤光栅、一 个斯托克斯波长的光纤光栅和一个反斯托克斯波长的带通滤波器；所述光环行器的第四端 口和壳体上的端口四之间串接有一个瑞利散射波长的光纤光栅、一个反斯托克斯波长的光 纤光栅和一个斯托克斯波长的带通滤波器；所述光环行器中光路环行的方向为第一端口至 第二端口，第二端口至第三端口，第三端口至第四端口。工作时，激光脉冲从端口一输入，通过光环行器，从端口二输出到外接的传感光纤 中；传感光纤中的背向散射光返回端口二，并通过光环行器的第三端口输出，然后，通过瑞 利散射波长的光纤光栅和斯托克斯波长的光纤光栅，将背向散射光中的绝大部分瑞利散射 光和斯托克斯光分别反射，并由光环行器的第四端口输出，通过反斯托克斯波长的带通滤 波器进一步滤波，最后由波分复用器件端口三输出反斯托克斯光；光环行器的第四端口连 接的瑞利散射波长的光纤光栅和反斯托克斯波长的光纤光栅，将背向散射光中的绝大部分 瑞利散射光和残余的反斯托克斯光分别反射滤除，通过斯托克斯波长的带通滤波器进一步 滤波，最后由波分复用器件端口四输出斯托克斯光。这样就可以分离出斯托克斯光和反斯托克斯光。上述技术方案中，瑞利散射波长的光纤光栅和对应的斯托克斯波长的光纤光栅 或反斯托克斯波长的光纤光栅的位置可以互换。与现有技术相比，本实用新型的有益效果 在于其提供了实现高隔离度的一种波分复用器件，斯托克斯光、反斯托克斯光及瑞利散射 光三者的隔离度都大于65dB，完全满足当前分布式光纤温度传感器对波分复用器件的隔离 度的严苛要求。而且，光纤光栅的插入损耗可以忽略不计，如果按照常规商用光隔离器的单 向插入损耗计为0. 8dB，带通滤波的插入损耗计为0. 6dB，那么从端口一到端口三的插入损 耗为0. 8+0. 8+0. 6 = 2. 2dB，从端 口一到端口四的插入损耗为0. 8+0. 8+0. 8+0. 6 = 3dB, 即反斯托克斯光和斯托克斯光的插入损耗分别为2. 2dB和3dB，完全能够满足当前分布式 光纤温度传感器对波分复用器件的插入损耗的要求。因此，在分布式光纤温度传感器利用 本实用新型的波分复用器件，能够获得准确的温度信息，提高系统的温度分辨率。上述连接光环行器、光纤光栅、带通滤波器等光纤器件的光纤为单模光纤或多模 光纤，对应的光纤器件为单模器件或多模器件。壳体上的端口可为法兰盘、光纤跳线或没有 跳线接头的光纤。反斯托克斯波长的带通滤波器可以是由干涉薄膜滤波片，或者其他类型 的滤波片构成的带通式滤波器；斯托克斯波长的带通滤波器可以是由干涉薄膜滤波片，或 者其他类型的滤波片构成的带通式滤波器。为进一步保证光的反射和耦合效果，所述的瑞利散射波长的光纤光栅的中心波长 和反射带宽与瑞利散射光匹配；它的反射带宽满足在系统整个工作温度范围内均能够覆盖 瑞利散射波长，反射率大于99. 9%，即透射隔离度大于30dB。所述的斯托克斯波长的光纤 光栅的中心波长和反射带宽与斯托克斯光匹配；它的反射带宽满足在系统整个工作温度范 围内均能够覆盖斯托克斯波长，反射率大于99. 9 %，即透射隔离度大于30dB。同样地，所述 的反斯托克斯波长的光纤光栅的中心波长和反射带宽与反斯托克斯光匹配；它的反射带宽 满足在系统整个工作温度范围内均能够覆盖反斯托克斯波长，它的反射率大于99. 9%，即 透射隔离度大于30dB。所述的反斯托克斯波长的带通滤波器的中心波长和透射带宽与反 斯托克斯光匹配；它的透射带宽满足在系统整个工作温度范围内均能够覆盖反斯托克斯波 长，它的透射隔离度大于35dB。所述的斯托克斯波长的带通滤波器的中心波长和透射带宽 与斯托克斯光匹配，它的透射带宽满足在系统整个工作温度范围内均能够覆盖反斯托克斯 波长，它的透射隔离度大于35dB。因此，反斯托克斯光与瑞利散射光、斯托克斯光的隔离度 都大于65dB ；斯托克斯光与瑞利散射光、反斯托克斯光的隔离度也大于65dB。为减少壳体内外热量的传递，进一步获得更加准确的温度分布信号，所述的壳体 内设有隔热层。该隔热层可以是真空腔、空气层或者热的不良导体构成的复合层，以阻止热 量的传递。
图1是本实用新型的原理模型图。图2是背景技术文件之一(公开号CN 101696896)的原理模型图。图3是背景技术文件之二(公开号CN 101696896)的原理模型图。图4是实施例中波分复用器件的隔热壳体的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图具体讲述本实用新型的技术方案如图1和4，为用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件，其主要包括壳体18， 壳体18为如图4所示带有保温层的隔热壳体，该壳体为双层双层塑料，包括外层壳41和内 层壳42，中间为空气隔热层43，壳体18上设置有四根FC/APC接头的光纤跳线，作为四个 端口，分别表示为端口一、端口二、端口三和端口四；壳体内设置有具有四端口的光环行器 11，光环行器11的第一端口 1、第二端口 2分别直接连接至壳体上的端口一和端口二，光环 行器11的第三端口 3与壳体18上的端口三之间串接有一个瑞利散射波长的光纤光栅12、 一个斯托克斯波长的光纤光栅13和一个反斯托克斯波长的带通滤波器14 ；光环行器11的 第四端口 4和壳体上的端口四之间串接有一个瑞利散射波长的光纤光栅15、一个反斯托克 斯波长的光纤光栅16和一个斯托克斯波长的带通滤波器17 ；光环行器11中光路环行的方 向为第一端口 1至第二端口 2，第二端口 2至第三端口 3，第三端口 3至第四端口 4;上述各 器件均采用光纤相连接，光路的连接过程均用光纤熔接机完成，光纤采用光通信中通用的 单模光纤，相应的器件为单模器件。瑞利散射波长的光纤光栅的中心波长和反射带宽与瑞利散射光匹配;斯托克斯波长 的光纤光栅的中心波长和反射带宽与斯托克斯光匹配；反斯托克斯波长的光纤光栅的中心波 长和反射带宽与反斯托克斯光匹配。反斯托克斯波长的带通滤波器的中心波长和透射带宽与 反斯托克斯光匹配；斯托克斯波长的带通滤波器的中心波长和透射带宽与斯托克斯光匹配。本实施例中，因为瑞利散射波长为1550nm，带宽为lnm，所以光纤光栅12及15的 中心波长均为1550nm，反射带宽为3nm，反射率为99. 9% ；因斯托克斯波长约为1663nm，带 宽约为3nm，所以光纤光栅13的中心波长为1663nm，反射带宽为5nm，反射率为99. 9% ；带 通滤波器17的中心波长为1663nm，透射带宽为5nm，透射隔离度和插入损耗分别为35dB和 0.6dB。因为反斯托克斯波长约为1450nm，带宽约为3nm，所以光纤光栅16的中心波长为 1450nm，反射带宽为5nm，反射率为99. 9%。带通滤波器14的中心波长为1450nm，透射带宽 为5nm，透射隔离度和插入损耗分别为35dB和0. 6dB。工作时，激光脉冲从端口一输入，通过光环行器11，从端口二输出到外接的传感光 纤中；传感光纤中的背向散射光返回端口二，并通过光环行器11的第三端口 3输出，然后， 通过瑞利散射波长的光纤光栅12和斯托克斯波长的光纤光栅13，将背向散射光中的绝大 部分瑞利散射光和斯托克斯光分别反射，并由光环行器的第四端口 4输出，通过反斯托克 斯波长的带通滤波器14进一步滤波，最后由波分复用器件的端口三输出反斯托克斯光；光 环行器的第四端口 4连接的瑞利散射波长的光纤光栅15和反斯托克斯波长的光纤光栅16， 将背向散射光中的绝大部分瑞利散射光和残余的反斯托克斯光分别反射滤除，通过斯托克 斯波长的带通滤波器17进一步滤波，最后由波分复用器件端口四输出斯托克斯光。这样就 可以分离出斯托克斯光和反斯托克斯光。上述技术方案中，壳体上的端口还可为法兰盘或没有跳线接头的光纤。瑞利散射 波长的光纤光栅和对应的斯托克斯波长的光纤光栅或反斯托克斯波长的光纤光栅的位置 也可互换。本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本 领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件，其特征在于包括壳体上设置的 四个端口 ；壳体内设置有具有四端口的光环行器，所述光环行器的第一端口、第二端口分别 直接连接至壳体上的端口一和端口 二，光环行器的第三端口与壳体上的端口三之间串接有 一个瑞利散射波长的光纤光栅、一个斯托克斯波长的光纤光栅和一个反斯托克斯波长的带 通滤波器；所述光环行器的第四端口和壳体上的端口四之间串接一个瑞利散射波长的光纤 光栅、一个反斯托克斯波长的光纤光栅和一个斯托克斯波长的带通滤波器；所述光环行器 中光路环行的方向为第一端口至第二端口，第二端口至第三端口，第三端口至第四端口。
2.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件，其特征在于 连接各光纤器件的光纤为单模光纤或多模光纤，对应的光纤器件为单模器件或多模器件。
3.根据权利要求1或2所述的用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件，其特征在 于所述壳体上的端口为法兰盘、光纤跳线或没有跳线接头的光纤。
4.根据权利要求1或2所述的分布式光纤温度传感器的波分复用器件，其特征在于 所述的瑞利散射波长的光纤光栅的中心波长和反射带宽与瑞利散射光匹配；所述的斯托克 斯波长的光纤光栅的中心波长和反射带宽与斯托克斯光匹配；所述的反斯托克斯波长的光 纤光栅的中心波长和反射带宽与反斯托克斯光匹配。
5.根据权利要求1或2所述的分布式光纤温度传感器的波分复用器件，其特征在于 所述的反斯托克斯波长的带通滤波器的中心波长和透射带宽与反斯托克斯光匹配；所述的 斯托克斯波长的带通滤波器的中心波长和透射带宽与斯托克斯光匹配。
6.根据权利要求1或2所述的分布式光纤温度传感器的波分复用器件，其特征在于 所述的壳体内设有隔热层。
专利摘要本实用新型公开了光纤传感器领域内的一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件，包括壳体上设置的四个端口；壳体内设置有具有四端口的光环行器，光环行器的第一、第二端口分别直接连接至壳体上的端口一和端口二，光环行器的第三端口与壳体上的端口三之间串接有瑞利散射波长的光纤光栅、斯托克斯波长的光纤光栅和反斯托克斯波长的带通滤波器；光环行器的第四端口和壳体上的端口四之间串接瑞利散射波长的光纤光栅、反斯托克斯波长的光纤光栅和斯托克斯波长的带通滤波器；光环行器中光路环行的方向从第一端口逐级至第四端口。该器件能可靠的分离出反斯托克斯光和斯托克斯光，进而可以获得准确的温度信息，提高了系统的温度分辨率。
文档编号G01K1/12GK201852652SQ201020601090
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月11日 优先权日2010年11月11日
发明者周金龙, 朱冬宏, 田群 申请人:金海新源电气江苏有限公司