一种基于ASE噪声的分布式光纤拉曼测温装置及方法与流程

本发明涉及到分布式光纤传感系统，具体是一种基于ase噪声的分布式光纤拉曼测温装置及方法。

背景技术

大型建筑物如海底隧道、桥梁隧道、摩天大楼、巨型工厂等越来越多，一旦这些场所发生火灾等事故，不但会给国家造成重大的经济损失，还会带来巨大的人员伤亡。例如：2004年3月15日11时许，吉林省吉林市中百商厦发生特大火灾，火灾最终造成54人死亡，70与人受伤，直接经济损失426万元；2008年11月22日，山西省吕梁市离石区金田商务大厦发生火灾，8人死亡；2010年11月15日14时，上海余姚路胶州路一栋高层公寓起火，大火最终导致58人遇难，另有70余人受伤。任何事故都不可能是突然发生的，特别是火灾等事故在发生之前，都会有一些预兆，比如温度会明显高于工作时间的温度或者温度突然上升，及时地发现这些温度变化就会避免事故的发生。因此，发展一个可靠的测温系统对于火灾等事故的预防显得尤为重要。

目前，基于拉曼散射的分布式光纤传感测温系统，能够实现长距离连续光路上的温度信息测量，并且系统成本较低，具有较高的性价比，因此得到广泛的应用。比如，重庆大学金钟燮等人研制的分布式光纤拉曼温度传感系统，实现了1m的空间分辨率，测量距离小于5km[朱海鹏,金钟燮.基于多模光纤的分布式喇曼测温系统,光子学报,2015,44(01),75-79]；中国计量大学张在宣研究团队研制出一套30km远程分布光纤拉曼温度传感器系统，空间分辨率达到4m[张在宣,王剑锋,刘红林,余向东,郭宁,insoos.kim,30km远程分布光纤拉曼温度传感器系统,光电子·激光,2004(10),1174-1177]。现有的分布式光纤拉曼传感技术所使用的激光源主要为脉冲激光。对于脉冲激光，一方面接收端响应精度要求高，信号捕获困难；另一方面，系统监测距离与脉宽成正比，空间分辨率与脉宽成反比，如果为了提高空间分辨率而压窄脉宽会造成监测距离的减小，从而导致监测距离与空间分辨率之间的矛盾问题。目前基于脉冲激光的分布式光纤拉曼传感系统，其空间分辨率均在1米以上，难以满足实际应用的需求。为了解决空间分辨率和监测距离矛盾的问题，一种基于混沌激光的分布式光纤拉曼测温系统被提出[中国专利：zl201110227239.9]，但是，混沌激光通常是由光反馈或光注入，或者是光反馈联合光注入扰动半导体激光器产生，会含有光注入、光反馈引入的周期信号，这会严重影响拉曼测温系统的空间分辨率。同时，产生光谱可调节、相干长度可控的混沌激光信号，需配合调节多个参数，光源结构和实现过程复杂、费时。

因此，有必要发展一种新的拉曼测温系统，使其不但可以解决传统拉曼测温系统存在的空间分辨率和监测距离之间的矛盾，也可以克服由于混沌激光作为传感信号而本身带来系统性能下降的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有分布式拉曼测温系统中存在的问题，提供了一种基于ase噪声的分布式光纤拉曼测温装置及方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于ase噪声信号的分布式光纤拉曼测温装置，包括ase噪声光源、第一可调谐光滤波器、第一1×2光纤耦合器、光电探测器、光环行器、第二1×2光纤耦合器、第二可调谐光滤波器、第一雪崩光电探测器、第一低噪放大器、第三可调谐光滤波器、第二雪崩光电探测器、第二低噪放大器、数据采集卡、计算机、传感光纤；

其中ase噪声光源的输出端通过普通单模光纤跳线与第一可调谐光滤波器的输入端相连，第一可调谐光滤波器的输出端通过普通单模光纤跳线与第一1×2光纤耦合器的入射端相连，第一1×2光纤耦合器的其中一个输出端与光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端通过同轴电缆线与数据采集卡的第一输入端相连；第一1×2光纤耦合器的另一个输出端通过普通单模光纤跳线与光环行器的入射端相连，光环行器的反射端通过普通单模光纤跳线与传感光纤相连，光环行器的输出端通过普通单模光纤跳线与第二1×2光纤耦合器的入射端相连，第二1×2光纤耦合器的其中一个输出端与第二可调谐光滤波器相连，第二可调谐光滤波器的输出端通过普通单模光纤跳线与第一雪崩光电探测器的输入端相连，第一雪崩光电探测器的输出端通过同轴电缆线与第一低噪放大器相连，第一低噪放大器的输出端通过同轴电缆线与数据采集卡的第二输入端相连；第二1×2光纤耦合器的另一个输出端与第三可调谐光滤波器相连，第三可调谐光滤波器的输出端通过普通单模光纤跳线与第二雪崩光电探测器的输入端相连，第二雪崩光电探测器的输出端通过同轴电缆线与第二低噪放大器相连，第二低噪放大器的输出端通过同轴电缆线与数据采集卡的第三输入端相连；数据采集卡的输出端与计算机相连接。

一种基于ase噪声信号的分布式光纤拉曼测温方法，该方法具体工作过程如下：

a.ase噪声光源产生的噪声信号，经过第一可调谐光滤波器，产生光谱带宽合适的噪声光信号，然后通过1×2光纤耦合器分为两路，其中一路光信号作为参考光，并经光电探测器转换为电信号，再输入到数据采集卡；另一路光信号作为泵浦光，通过光环行器进入传感光纤，并在光纤各点处产生拉曼后向散射光，然后拉曼后向散射光通过光环行器的反射端注入到光环行器中，再经光环行器的输出端输出；输出的拉曼后向散射光通过第二1×2光纤耦合器分为两路，其中一路光信号通过第二可调谐光滤波器，滤出后向的斯托克斯光，滤出的斯托克斯光由第一雪崩光电探测器转换为电信号，然后经过第一低噪放大器进行放大，再输入到数据采集卡；经过第二光纤耦合器输出的另一路光信号通过第三可调谐光滤波器滤出反斯托克斯光，然后通过第二雪崩光电探测器转换为电信号，再经过第二低噪放大器进行放大，再输入到数据采集卡中，经过a/d转换之后输入到计算机中；

b.计算机在相应软件的支持下，利用泵浦光后向散射得到的反斯托克斯光的强度随温度线性变化的特性，通过计算反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比得到传感光纤各段的温度信息；通过对斯托克斯光信号与参考光信号之间作互相关运算处理，就可以确定出光纤温度的位置信号。

基于上述过程，与现有的分布式光纤拉曼测温系统相比，本发明所述的一种基于ase噪声源的分布式光纤拉曼测温装置及方法具有如下优点：

（1）空间分辨率决定了分布式传感系统能够识别的在传感光纤上两个温度不同区域之间的最小距离,是分布式传感测温系统的一个关键技术指标。对于基于脉冲光的拉曼测温系统，它是由注入光纤中光脉冲的宽度决定；增加脉冲宽度，会增大监测距离，但是又会导致空间分辨率的降低，因而存在监测距离和空间分辨率矛盾的问题；而本发明采用ase噪声信号，其相关曲线呈现类δ函数的形状，空间分辨率是由斯托克斯光信号与参考光信号之间互相关曲线上相关峰的半高全宽决定的，而与传感距离无关，监测距离长度由信号源的功率大小决定，这从根本上解决了现有基于脉冲光探测的分布式光纤拉曼测温系统中监测距离和空间分辨率之间的矛盾问题。可使测量距离达到100公里以上，空间分辨率达到厘米量级。

（2）发明专利（zl201110227239.9）提供了一种基于混沌激光的分布式光纤拉曼测温系统，可以解决基于脉冲光探测的分布式光纤拉曼测温系统中监测距离和空间分辨率之间的矛盾。但是，混沌激光通常是由光反馈或光注入，或者是光反馈联合光注入扰动半导体激光器产生，会含有光注入、光反馈引入的周期信号，这会严重影响拉曼测温系统的空间分辨率。同时，产生光谱可调节、相干长度可控的混沌激光信号，需配合调节多个参数，光源结构和实现过程复杂、费时。而本发明所用的ase噪声光信号，通过掺铒光纤放大器或半导体光放大器产生。其光谱宽度（或相干长度）的调节，可简单地通过可调光滤波器实现，因此，本申请所述的传感系统的空间分辨率（由ase噪声的相干长度决定）更容易控制。由此可见，采用ase噪声光源不但从根本上有效解决空间分辨率受限的问题，而且可以使系统结构更简单，系统成本更低。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于ase噪声的分布式光纤拉曼测温装置的结构示意图。

图中：1-ase噪声光源、2-第一可调谐光滤波器、3-第一1×2光纤耦合器、4-光电探测器、5-光环行器、6-第二1×2光纤耦合器、7-第二可调谐光滤波器、8-第一雪崩光电探测器、9-第一低噪放大器、10-第三可调谐光滤波器、11-第二雪崩光电探测器、12-第二低噪放大器、13-数据采集卡、14-计算机、15-传感光纤。

具体实施方式

一种基于ase噪声的分布式光纤拉曼测温装置，包括ase噪声光源、第一可调谐光滤波器、第一1×2光纤耦合器、光电探测器、光环行器、第二1×2光纤耦合器、第二可调谐光滤波器、第一雪崩光电探测器、第一低噪放大器、第三可调谐光滤波器、第二雪崩光电探测器、第二低噪放大器、数据采集卡、计算机、传感光纤。

其中ase噪声光源1的输出端通过普通单模跳线与第一可调滤波器2的输入端相连，第一可调谐光滤波器2的输出端通过普通单模光纤跳线与第一1×2光纤耦合器3的入射端相连，第一1×2光纤耦合器3的其中一个输出端与光电探测器4的输入端相连，光电探测器4的输出端通过同轴电缆线与数据采集卡13的其中一个输入端相连；第一1×2光纤耦合器3的另一个输出端通过普通单模光纤跳线与光环行器5的入射端相连，光环行器5的反射端通过普通单模光纤跳线与传感光纤15相连，光环行器5的输出端通过普通单模光纤跳线与第二1×2光纤耦合器6的入射端相连，第二1×2光纤耦合器6的其中的一个输出端与第二可调谐光滤波器7相连，第二可调谐光滤波器7的输出端通过普通单模光纤跳线与第一雪崩光电探测器8的输入端相连，第一雪崩光电探测器8的输出端通过同轴电缆线与第一低噪放大器9相连，第一低噪放大器9的输出端通过同轴电缆线与数据采集卡13的其中一个输入端相连；第二1×2光纤耦合器6的另一个输出端与第三可调谐光滤波器10相连，第三可调谐光滤波器10的输出端通过普通单模光纤跳线与第二雪崩光电探测器11的输入端相连，第二雪崩光电探测器11的输出端通过同轴电缆线与第二低噪放大器12相连，第二低噪放大器12的输出端通过同轴电缆线与数据采集卡13的其中一个输入端相连；数据采集卡的输出端与计算机14相连接。

一种基于ase噪声的分布式光纤拉曼测温方法，该方法具体工作过程如下：

a.ase噪声光源1产生的噪声信号，经过第一可调谐光滤波器2，产生光谱带宽合适的噪声光信号，然后通过1×2光纤耦合器3分为两路，其中一路光信号（下路）作为参考光，并经光电探测器4转换为电信号，再输入到数据采集卡13；另一路光信号（上路）作为泵浦光，通过光环行器5进入传感光纤15，并在光纤各点处产生拉曼后向散射光，然后拉曼后向散射光通过光环行器5的反射端注入到光环行器5中，再经光环行器5的输出端输出。输出的拉曼后向散射光通过第二1×2光纤耦合器6分为两路，其中一路光信号（左路）通过第二可调谐光滤波器7，滤出后向的斯托克斯光，滤出的斯托克斯光进入第一雪崩光电探测器8，将光信号转换为电信号，然后经过第一低噪放大器9进行放大，再输入到数据采集卡13；经过第二光纤耦合器6输出的另一路光信号（右路）通过第三可调谐光滤波器10滤出反斯托克斯光，然后通过第二雪崩光电探测器11转换为电信号，再经过第二低噪放大器12进行放大，再输入到数据采集卡13中，经过a/d转换之后输入到计算机14中；

b.计算机在matlab软件的支持下，利用泵浦光后向散射得到的反斯托克斯光的强度随温度线性变化的特性，通过计算反斯托克斯光与与斯托克斯光的强度比得到光纤各段的温度信息；通过对斯托克斯光信号与参考光信号之间作互相关运算处理，就可以确定出光纤温度的位置信号。

具体实施时，ase噪声光源1的中心波长为1550nm，光谱带宽为5~30ghz；第一可调谐光滤波器2、第二可调谐光滤波器7、第三可调谐光滤波器10采用tm-50型的波长和带宽可调谐光滤波器；第一1×2光纤耦合器3和第二1×2光纤耦合器6耦合比为50:50；第一雪崩光电探测器8和第二雪崩光电探测器11采用fbyphotoelectric,dts1550-da-mm型的雪崩光电探测器；传感光纤15采用多模光纤。