面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置

1.本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置。


背景技术：

2.拉曼分布式光纤传感技术可以同时利用光纤作为传感元件和传输介质，用于探测传感光纤沿线不同位置处的温度场变化。因其具有连续性测温、安全性高、耐腐蚀、本征安全以及抗电磁干扰等优点，在大型基础设施结构健康监测领域，如隧道、电力电缆、输气管道、大坝等重大基础设施工程温度安全监测领域具有重大社会需求和应用前景。该技术可为智慧矿山温度检测提供全方位数据支撑。
3.在传统拉曼分布式光纤传感技术中，为了准确解调温度，定标是最为关键的步骤，这是由于直接测量获得的仅是光纤沿线的相对温度数值，只有进行定标后，才可以测得真实的绝对温度数值。定标过程如下：首先通过将整条传感光纤放置于相同的环境温度t0中，从而获得整条传感光纤在t0温度下各个位置的光强信息，然后根据所需要铺设的测量环境，将传感光纤不同位置的温度设为t，通过传统的温度解调公式计算得出t的数值。也就是说，现有拉曼分布式光纤温度传感解调方法必须在测量之前先进行光纤定标处理，然后基于拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光的光强比值进行分布式温度解调。这种测量方案在实际工程应用中存在三个严重的技术瓶颈。分别是：
4.(1)在测量期间，系统激光器、光电探测器、传感光纤或者系统任一器件更换时就需要重新定标，这严重影响了系统的测量时间，也导致系统解调步骤冗余；
5.(2)当光纤某一点出现严重弯曲或者破损时，测量时就会在该点出现严重的温度误差；
6.(3)系统定标过程中，在拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光通道引入了大量的光噪声，最终导致系统信噪比恶化，从而影响传感系统的传感距离和测温精度等性能；
7.(4)拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光存在200nm的光波长差异，传统系统因为这种光波长差异导致光纤色散，最终严重影响系统的测量精度。
8.此外，由于拉曼分布式光纤传感系统其传感信号为强度极弱的自发拉曼散射信号(其光强仅为入射信号的50db)，且传感光缆多铺设于光纤损耗较大的野外恶劣环境，一旦定标过程中的信号强度测量出现误差，将会导致定标温度测量出现极大偏差，最终的测温结果会受到直接影响，从而极大恶化了传感系统的性能。
9.综上所述，上述技术瓶颈极大地限制了拉曼分布式光纤传感技术的应用，因此有必要对现有拉曼分布式光纤传感装置和温度解调方法进行改进，用以解决现有拉曼分布式光纤传感系统存在的需要通过定标过程来进行温度解调的技术瓶颈，进而提高系统的传感距离、测温精度和温度分辨率等传感性能。


技术实现要素：

10.为了避免上述传统温度解调方案所导致的系统测量精度、传感距离、信噪比恶化和解调步骤冗余的技术瓶颈，本发明提出了一种面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置，以提高智慧矿山温度检测的精度，降低测量时间。
11.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置，包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、光开关、光放大模块，波分复用器、传感光纤、光电探测器、数据采集卡、计算机；
12.所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器的输出端与光开关的两个输入端分别连接，光开关的输出端与光放大模块的输入端连接，光放大模块的第一输出端与波分复用器的端口a连接，第二输出端与波分复用器的端口b连接，波分复用器的端口c和端口d分别于光电探测器和传感光纤的一端连接；
13.所述第一脉冲激光器输出的激光在传感器光纤中产生的拉曼散射斯托克斯光的波长等于第二脉冲激光器输出的激光在传感器光纤中产生的拉曼散射反斯托克斯光的波长；
14.所述第一脉冲激光器输出的激光在传感器光纤中产生的拉曼散射斯托克斯光和第二脉冲激光器输出的激光在传感器光纤中产生的拉曼散射反斯托克斯光返回波分复用器的端口d，经端口c输出至光电探测器探测；
15.光电探测器的输出信号经数据采集卡采集后输出至计算机计算得到传感光纤沿线的温度信息。
16.所述光放大模块包括第一光放大器和第二光放大器。
17.所述第一脉冲激光器的波长为1350nm，第二脉冲激光器的波长为1550nm；
18.所述波分复用器的a端口波长为1350nm，b端口波长为1550nm，c端口波长为1350nm/1450nm/1550nm，d端口波长为1450nm。
19.传感光纤为非线性参量大于10w-1
km-1
的多模非线性光纤。
20.所述光开关为2
×
1的多模光开关，所述所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器为脉冲半导体激光器。
21.所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器输入传感光纤中的入射功率相同。
22.计算机计算得到传感光纤沿线的温度信息的计算公式为：
[0023][0024]
其中，t表示传感光纤在l位置处的温度，f
back
(t,l)表示表示第二脉冲激光器输出的激光在传感光纤的l位置产生的拉曼后向反斯托克斯光与第一脉冲激光器输出的激光在传感光纤的l位置产生的拉曼后向反斯托克斯光的光强比值；k为波尔兹曼常数，δv为拉曼频移，h为普朗克常数。
[0025]
所述第一脉冲激光器和第二脉冲激光器输入传感光纤中的入射功率不同。
[0026]
计算机计算得到传感光纤沿线的温度信息的计算公式为：
[0027][0028]
其中，t表示传感光纤在l位置处的温度，f
back
(t,l)表示表示第二脉冲激光器输出的激光在传感光纤的l位置产生的拉曼后向反斯托克斯光与第一脉冲激光器输出的激光在传感光纤的l位置产生的拉曼后向反斯托克斯光的光强比值；k为波尔兹曼常数，δv为拉曼频移，h为普朗克常数，p1/p2表示第一激光器和第二激光器输出激光的入射功率之比。
[0029]
与现有的分布式光纤传感装置相比，本发明提出的一种面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置，其基于双泵浦波长实现，具有以下有益效果：
[0030]
(1)消除了系统在测量之前的定标过程，优化了系统的测量时间；
[0031]
(2)解决了光纤某一点出现严重弯曲或者破损时，会在该点出现测量误差的技术瓶颈；
[0032]
(3)解决了系统定标过程中，在拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光通道引入了大量光噪声的技术瓶颈，优化了系统的信噪比，最终提高了系统的传感距离、测温精度和温度分辨率；
[0033]
(4)解决了传统系统由于光纤色散导致测量出现误差的技术瓶颈，优化了系统的测量精度。
附图说明
[0034]
图1为本发明实施例一提供的一种面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置的结构示意图；
[0035]
图2为本发明实施例二提供的一种面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置的结构示意图；
[0036]
图中：1：第一脉冲激光器，2：第二脉冲激光器，3：光开关，4：光放大模块，5：波分复用器，6：传感光纤，7：光电探测器，8：数据采集卡，9：计算机，10为第一光放大器，11为第二光放大器。
具体实施方式
[0037]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
实施例一
[0039]
如图1所示，本发明实施例一提供了一种面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置，其基于双泵浦波长实现精度和测量效率的提高，其包括第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2、光开关3、光放大模块4，波分复用器5、传感光纤6、光电探测器7、数据采集卡8、计算机9。
[0040]
具体地，本实施例中，所述第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2的输出端与光开
关3的两个输入端分别连接，光开关3的输出端与光放大模块4的输入端连接，光放大模块4的第一输出端与波分复用器5的端口a连接，第二输出端与波分复用器5的端口b连接，波分复用器5的端口c和端口d分别于光电探测器7和传感光纤6的一端连接。
[0041]
所述第一脉冲激光器1输出的激光在传感器光纤6中产生的拉曼散射斯托克斯光的波长等于第二脉冲激光器2输出的激光在传感器光纤6中产生的拉曼散射反斯托克斯光的波长。
[0042]
所述第一脉冲激光器1输出的激光在传感器光纤6中产生的拉曼散射斯托克斯光和第二脉冲激光器2输出的激光在传感器光纤6中产生的拉曼散射反斯托克斯光返回波分复用器5的端口d，经端口c输出至光电探测器7探测；光电探测器7的输出信号经数据采集卡8采集后输出至计算机9计算得到传感光纤6沿线的温度信息。
[0043]
具体地，本实施例中，所述光放大模块4为掺铒光纤放大器。其包括两个输出端，分别第一脉冲激光器的放大后的激光和第二脉冲激光器的放大后的激光信号。输出光电探测器7为雪崩光电探测器。
[0044]
具体地，本实施例中，所述第一脉冲激光器1的波长为1350nm，第二脉冲激光器2的波长为1550nm；所述波分复用器5的a端口波长为1350nm，b端口波长为1550nm，c端口波长为1350nm/1450nm/1550nm，d端口波长为1450nm。传感光纤5为非线性参量大于10w-1
km-1
的多模非线性光纤，其纤芯直径为62.5nm。所述光开关3为2
×
1的多模光开关，所述第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2为脉冲半导体激光器。
[0045]
进一步地，本实施例中，所述第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2输入传感光纤6中的入射功率相同。
[0046]
下面以第一脉冲激光器的波长为1350nm，第二脉冲激光器2的波长为1550nm为例，来介绍本发明实施例的解调原理。本发明实施例的基于双泵浦波长的高精度拉曼分布式光纤温度传感装置中，以传感光纤中的位置l作为参考点，来获取在传感光纤中产生的拉曼后向散射信号。
[0047]
首先，波长为1350nm的第一脉冲激光器发出的脉冲激光，经过光开关3输入至光放大器中进行放大，此时光开关至波分复用器之间的光路中只有中心波长为1350nm的脉冲激光，放大之后的1350nm的光信号通过波分复用器5后进入传感光纤6，在整条传感光纤6上各点处激发拉曼散射，在这个过程中，该脉冲激光会同时激发出波长为1250nm的拉曼后向反斯托克斯散射光和波长为1450nm的拉曼后向斯托克斯散射光，通过波分复用器的波长筛选，则在传感光纤沿线各点激发的拉曼后向斯托克斯信号中，只有波长为1450nm的拉曼后向斯托克斯散射光返回波分复用器并从其c端口输出后被雪崩光电探测器探测，此时雪崩光电探测器中探测到的波长为1450nm的后向拉曼斯托克斯散射光信号强度为：
[0048][0049]
其中，p1为1350nm激光的入射功率，k表示与后向散射截面有关的系数，s是光纤的后向散射因子，vs(λ)分别表示与波长有关的拉曼斯托克斯散射信号的频率，α0(λ)、αs(λ)分别是与波长有关的入射光和拉曼斯托克斯光在传感光纤中的损耗系数，δv为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，t为传感光纤温度。
[0050]rs
(t)为温度系数，其表达式如下：
[0051][0052]
然后，调节光开关3，使输出波长为1550nm的第二脉冲激光器发出的脉冲激光通过，经过光放大器进行放大后，通过波分复用器4后进入传感光纤，此时光开关至波分复用器之间的光路中只有中心波长为1550nm的脉冲激光，放大之后的1550nm的光信号在整条光纤上各点处激发拉曼散射，在这个过程中，该脉冲激光会同时激发出波长为1450nm的拉曼后向反斯托克斯散射光和波长为1650nm的拉曼后向斯托克斯散射光，经过波分复用器的波长筛选，在传感光纤5沿线各点激发的拉曼后向斯托克斯信号中，只有波长为1450nm的拉曼后向反斯托克斯散射光返回波分复用器4并从其c端口输出后被光电探测器探测，此时光电探测器中探测到的波长为1450nm的后向拉曼反斯托克斯散射光信号强度为：
[0053][0054]
其中，p2为1550nm激光的入射功率，k表示与后向散射截面有关的系数，s是光纤的后向散射因子，v
as
(λ)分别表示与波长有关的拉曼斯托克斯散射信号的频率，α0(λ)、α
as
(λ)分别是与波长有关的入射光和拉曼斯托克斯光在传感光纤中的损耗系数，δv为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，t为传感光纤温度。
[0055]
ra(t)为温度系数，其表达式如下：
[0056][0057]
利用公式(1)和公式(3)计算，在入射功率相同的前提下，即p1＝p2，波长均为1450nm的后向拉曼反斯托克斯散射信号强度与拉曼斯托克斯散射信号强度的比值为：
[0058][0059]
由于此时的后向拉曼反斯托克斯散射信号与拉曼斯托克斯散射信号的波长相同，而且v
as
(λ)、vs(λ)、α
as
(λ)和αs(λ)都是与波长有关的参数，所以公式(5)可以简化为如下：
[0060][0061]
令：
[0062][0063]
由式(6)和(7)可得，最终光纤沿线的温度可表示为：
[0064][0065]
其中，t表示在传感光纤l位置处的温度，f
back
(t,l)表示表示第二脉冲激光器输出的激光在传感光纤的l位置产生的拉曼后向反斯托克斯光与第一脉冲激光器输出的激光在
传感光纤的l位置产生的拉曼后向反斯托克斯光的光强比值，k为波尔兹曼常数，δv为拉曼频移，h为普朗克常数。
[0066]
因此，在实际测量中，本发明无需将整条光纤置于温度相同的环境后再进行定标，只需直接调节两个激光器的输出功率，使入射至传感光纤中的两个不同波长的激光功率相同，即可直接利用公式(8)即可解调出传感光纤l处的温度。此外，在两个激光器输出功率不同的情况下，即p1≠p2，也可以记录输出从波分复用器的d端口输出的1350nm和1550nm激光的功率之比，记为p1/p2，则有：
[0067][0068]
因此，结合式(7)，以及v
as
(λ)、vs(λ)、α
as
(λ)和αs(λ)都是与波长有关的参数有：
[0069][0070]
通过式(10)，即可解调出传感光纤l处的温度。
[0071]
实施例二
[0072]
如图2所示，本发明实施例二提供了一种面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置，与实施例一相同的是，其包括第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2、光开关3、波分复用器5、传感光纤6、光电探测器7、数据采集卡8、计算机9。
[0073]
与实施例一不同的，本实施例中，光放大模块具体包括第一光放大器10和第二光放大器11，第一光放大器10的一端与光开关的一个输出端连接，另一端与波分复用器5的a端口连接，第二光放大器11的一端与光开关的输出端连接，另一端与波分复用器5的b端口连接。
[0074]
此外，光开光3为2
×
2的光开关，其端口a和端口c连接，端口b和端口d连接，通过切换光开关3的状态，可以实现第一脉冲激光器1和第二脉冲激光器2的切换。第一光放大器10和第二光放大器11均为掺铒光纤放大器。
[0075]
本实施例中，光开关3处于第一状态时，其端口a和端口c连通，端口b和端口d断开，第一脉冲激光器发出的脉冲激光，经过光开关2的c端口输入至光第一放大器10中进行放大，此时光开关至波分复用器之间的光路中只有中心波长为1350nm的脉冲激光，放大之后的1350nm的光信号通过波分复用器5的a端口，d端口后进入传感光纤6，在整条传感光纤6上各点处激发拉曼散射，在传感光纤沿线各点激发的拉曼后向斯托克斯信号中，只有波长为为1450nm的拉曼后向斯托克斯散射光返回波分复用器并从其c端口输出后被雪崩光电探测器探测；
[0076]
然后，调节光开关3使其处于第二状态，则其端口a和端口c断开，端口b和端口d连通，输出波长为1550nm的第二脉冲激光器发出的脉冲激光通过光开关的d端口输入至第二光放大器11中进行放大后，通过波分复用器4的电路b端口，d端口后进入传感光纤，此时光开关至波分复用器之间的光路中只有中心波长为1550nm的脉冲激光，放大之后的1550nm的光信号在整条光纤上各点处激发拉曼散射，在传感光纤6沿线各点激发的拉曼后向斯托克
斯信号中，只有波长为1450nm的拉曼后向反斯托克斯散射光返回波分复用器5并从其c端口输出后被光电探测器探测；则计算机9根据两种光开关状态下探测得到的斯托克斯和反斯托克斯光强信号，利用公式(7)可以实现传感光纤沿线的温度检测。
[0077]
综上所述，本发明提供了一种面向智慧矿山温度检测的拉曼分布式光纤温度传感装置，与现有的分布式光纤传感装置相比，其具有以下有益效果：
[0078]
(1)消除了系统在测量之前的定标过程，优化了系统的测量时间；
[0079]
(2)解决了光纤某一点出现严重弯曲或者破损时，会在该点出现测量误差的技术瓶颈；
[0080]
(3)解决了系统定标过程中，在拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光通道引入了大量光噪声的技术瓶颈，无需定标，优化了系统的信噪比，最终提高了系统的传感距离、测温精度和温度分辨率；
[0081]
(4)解决了传统系统由于光纤色散导致测量出现误差的技术瓶颈，优化了系统的测量精度。
[0082]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。