專利名稱：脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在分布式光纖傳感器領(lǐng)域，國內(nèi)外有分布式光纖拉曼散射光子溫度傳感器，檢測現(xiàn)場的溫度，國外有分布式光纖布里淵散射光子傳感器檢測現(xiàn)場的應(yīng)變和溫度，由于存在交叉效應(yīng)，不能同時測量光纖的應(yīng)變和溫度，英國南安普敦大學(xué)Newson研究團隊提出采用窄帶激光光源利用光纖的背向自發(fā)反斯托克斯拉曼散射測溫并用自發(fā)光纖布里淵散射效應(yīng)來測量應(yīng)變，但由于光纖布里淵散射的光譜帶寬很窄，因此，測量溫度和應(yīng)變的精度低 (M. N. Allahbabi, Y. T. Cho and Τ. P. Newson, Simulataneous Distributed Measurements of Temperature and Strain using Spontaneous Raman and Brillouin Scattering， Optics Letters, 2005, 1 June, p. 1276-1278)。中國計量學(xué)院張在宣研究團隊提出采用兩個不同光譜帶寬的激光光源，采用寬帶光源的光纖拉曼散射強度比測量光纖的溫度，采用窄帶光源的光纖布里淵散射線的頻移比測量光纖的應(yīng)變，初步解決了應(yīng)變和溫度同時測量的問題(CN101162158)。而近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監(jiān)測，對超遠程50km 全分布式光纖應(yīng)變、溫度傳感網(wǎng)提出了更高的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種脈沖編碼分布式溫度、應(yīng)變同時測量的高精度的分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器。為達到上述目的，本發(fā)明的脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器包括波形發(fā)生器，半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器，半導(dǎo)體外腔窄帶脈沖光纖激光器，光纖分波器，脈沖編碼光調(diào)制器，單向器，摻餌光纖放大器，雙向耦合器，傳感光纖，集成波分復(fù)用器，第一光電接收放大模塊，第二光電接收放大模塊，直接檢測系統(tǒng)，窄帶的透射光纖光柵，環(huán)行器， 相干檢測系統(tǒng)和工控機；波形發(fā)生器的輸入端與工控機相連，波形發(fā)生器的一個輸出端與半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器的輸入端相連，波形發(fā)生器的另一個輸出端與脈沖編碼光調(diào)制器的一個輸入端相連，半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器的輸出端與摻餌光纖放大器的一個輸入端相連，半導(dǎo)體外腔窄帶脈沖光纖激光器的輸出端與光纖分波器的輸入端相連，光纖分波器的一個輸出端與脈沖編碼光調(diào)制器的另一個輸入端相連，光纖分波器的另一個輸出端與環(huán)行器的一個輸入端相連，脈沖編碼光調(diào)制器的輸出端與單向器的輸入端相連，單向器的輸出端與摻餌光纖放大器的另一個輸入端相連，摻餌光纖放大器的輸出端與雙向耦合器的輸入端相連，雙向耦合器的一個輸出端接傳感光纖，雙向耦合器的另一個輸出端與集成波分復(fù)用器的輸入端口相連，集成波分復(fù)用器的第一、第二兩個輸出端口分別經(jīng)第一光電接收放大模塊和第二光電接收放大模塊與直接檢測系統(tǒng)的兩個輸入端相連，集成波分復(fù)用器的第三個輸出端口經(jīng)窄帶的透射光纖光柵與環(huán)行器的另一個輸入端相連，環(huán)行器的輸出端與相干檢測系統(tǒng)的輸入端相連，相干檢測系統(tǒng)的輸出端與工控機相連，直接檢測系統(tǒng)和工控機將采集、累加的編碼脈沖解碼解調(diào)，獲得50km傳感光纖所在現(xiàn)場的溫度信息，相干檢測系統(tǒng)和工控機將采集、累加的編碼脈沖解碼解調(diào)，獲得50km傳感光纖所在現(xiàn)場的應(yīng)變信息，由工控機將傳感光纖上的溫度、應(yīng)變信息通過互聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)傳送給遠程監(jiān)控網(wǎng)。本發(fā)明中，所說的半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器由F-P半導(dǎo)體激光器組成，中心波長為1550nm，光譜寬度為3nm，激光的單位脈沖寬度<6ns。本發(fā)明中，所說的半導(dǎo)體外腔窄帶脈沖光纖激光器的中心波長為1550nm，光譜帶寬為200kHz的IOOmW連續(xù)運行光纖激光器。本發(fā)明中，所說的脈沖編碼光調(diào)制器是鈮酸鋰馬赫-澤德爾調(diào)制器(Mach-Zehnder modulator (MZM))。本發(fā)明中，所說的集成波分復(fù)用器具有四個端口，一個輸入端口，三個輸出端口， 第一輸出端口是1450nm端口，為光纖反斯托克斯拉曼散射光輸出口，第二輸出端口是 1660nm端口，為光纖斯托克斯拉曼散射光輸出口，第三輸出端口是1550nm端口，為光纖瑞利和布里淵散射光輸出口。本發(fā)明中，所說的窄帶的透射光纖光柵是中心波長為1550.08nm，光譜帶寬為 0. Inm,損耗<0. 3dB,隔離度>35dB的光纖光柵。本發(fā)明中，所說的相干檢測系統(tǒng)是頻譜范圍9kHz46. 5GHz的頻譜分析儀，例如安捷倫(Agilent)公司的頻譜分析儀ESA (E4407B)。本發(fā)明的脈沖編碼分布式拉曼、布里淵散光纖傳感器是基于光纖非線性光學(xué)散射的融合原理和波分復(fù)用原理和脈沖編碼原理，將分布式光纖拉曼散射效應(yīng)與光纖布里淵散射效應(yīng)融合成一種新型的脈沖編碼分布式光纖傳感器的測量原理的脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器。實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時測量，提高系統(tǒng)的信噪比，改善測量精度。脈沖編碼分布式拉曼、布里淵散光纖傳感器的編碼解碼原理
本傳感器的序列脈沖編碼是通過S矩陣轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的，S矩陣轉(zhuǎn)換是標準哈達馬得 (Hadamard)轉(zhuǎn)換的一種變式，也可稱為哈達馬得轉(zhuǎn)換。S矩陣的元素均由“0”和“ 1”組成， 這一特點很適用于激光序列脈沖編碼，在實際應(yīng)用中可用“0”代表激光器關(guān)閉，用“ 1”代表激光器開啟。這種采用“0”、“1”的編碼方式又可稱為簡單編碼。而解碼的過程是對應(yīng)的逆 S矩陣轉(zhuǎn)換。由編碼原理推導(dǎo)得知，采用N位的序列脈沖編碼解碼可獲得的信噪比改善為
3/+1
SM^=m⑴
由(1)式可知，信噪比改善隨著編碼位數(shù)的提高而提高。當N 取 255 時SMR255 = ^5Ill 8.02
光纖傳感器的空間定位分辨率由單位的窄脈沖寬度決定，由于采用多脈沖發(fā)射，在提高發(fā)射光子數(shù)的同時又可通過壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率，并且不必提高單個激光脈沖的峰值功率從而又有效地防止了光纖非線性效應(yīng)造成OTDR曲線的變形。光纖拉曼散射的測溫原理反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強度
權(quán)利要求
1.脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是包括波形發(fā)生器(10)，半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器(11)，半導(dǎo)體外腔窄帶脈沖光纖激光器(12)，光纖分波器(13)， 脈沖編碼光調(diào)制器(14)，單向器(15)，摻餌光纖放大器(16)，雙向耦合器(17)，傳感光纖 (18)，集成波分復(fù)用器(19)，第一光電接收放大模塊(20)，第二光電接收放大模塊(21)， 直接檢測系統(tǒng)(22)，窄帶的透射光纖光柵(23)，環(huán)行器(24)，相干檢測系統(tǒng)(25)和工控機 (26);波形發(fā)生器(10)的輸入端與工控機(26)相連，波形發(fā)生器(10)的一個輸出端與半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器(11)的輸入端相連，波形發(fā)生器(10)的另一個輸出端與脈沖編碼光調(diào)制器(14)的一個輸入端相連，半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器(11)的輸出端與摻餌光纖放大器(16)的一個輸入端相連，半導(dǎo)體外腔窄帶脈沖光纖激光器(12)的輸出端與光纖分波器(13)的輸入端相連，光纖分波器(13)的一個輸出端與脈沖編碼光調(diào)制器(14)的另一個輸入端相連，光纖分波器(13)的另一個輸出端與環(huán)行器(24)的一個輸入端相連，脈沖編碼光調(diào)制器(14)的輸出端與單向器(15)的輸入端相連，單向器(15)的輸出端與摻餌光纖放大器(16)的另一個輸入端相連，摻餌光纖放大器(16)的輸出端與雙向耦合器(17)的輸入端相連，雙向耦合器(17)的一個輸出端接傳感光纖(18)，雙向耦合器(17)的另一個輸出端與集成波分復(fù)用器(19)的輸入端口相連，集成波分復(fù)用器(19)的第一、第二兩個輸出端口分別經(jīng)第一光電接收放大模塊(20 )和第二光電接收放大模塊(21)與直接檢測系統(tǒng)(22 ) 的兩個輸入端相連，集成波分復(fù)用器(19)的第三個輸出端口經(jīng)窄帶的透射光纖光柵(23) 與環(huán)行器(24)的另一個輸入端相連，環(huán)行器(24)的輸出端與相干檢測系統(tǒng)(25)的輸入端相連，相干檢測系統(tǒng)(25)的輸出端與工控機(26)相連，直接檢測系統(tǒng)(22)和工控機(26) 將采集、累加的編碼脈沖解碼解調(diào)，獲得50km傳感光纖所在現(xiàn)場的溫度信息，相干檢測系統(tǒng)(25)和工控機(26)將采集、累加的編碼脈沖解碼解調(diào)，獲得50km傳感光纖所在現(xiàn)場的應(yīng)變信息，由工控機將傳感光纖上的溫度、應(yīng)變信息通過互聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)傳送給遠程監(jiān)控網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器(11)由F-P半導(dǎo)體激光器組成，中心波長為1550nm，光譜寬度為 3nm，激光的單位脈沖寬度<6ns。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是半導(dǎo)體外腔窄帶脈沖光纖激光器(12)的中心波長為1550nm，光譜帶寬為200kHz的IOOmW連續(xù)運行光纖激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是脈沖編碼光調(diào)制器(14)是鈮酸鋰馬赫-澤德爾調(diào)制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是集成波分復(fù)用器(19)具有四個端口，一個輸入端口，三個輸出端口，第一輸出端口是1450nm 端口，為光纖反斯托克斯拉曼散射光輸出口，第二輸出端口是1660nm端口，為光纖斯托克斯拉曼散射光輸出口，第三輸出端口是1550nm端口，為光纖瑞利和布里淵散射光輸出口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是窄帶的透射光纖光柵(23)是中心波長為1550. 08nm，光譜帶寬為0. lnm，損耗<0. 3dB，隔離度 >35dB的光纖光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器，其特征是相干檢測系統(tǒng)(25)是頻譜范圍9kHz46. 5GHz的頻譜分析儀。
全文摘要
本發(fā)明的脈沖編碼分布式光纖拉曼、布里淵散射傳感器包括波形發(fā)生器，半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器，半導(dǎo)體外腔窄帶脈沖光纖激光器，光纖分波器，脈沖編碼光調(diào)制器，單向器，摻鉺光纖放大器，雙向耦合器，傳感光纖，集成波分復(fù)用器，兩個光電接收放大模塊，直接檢測系統(tǒng)，窄帶的透射光纖光柵，環(huán)行器，相干檢測系統(tǒng)和工控機。該傳感器采用兩個激光光源，其中，半導(dǎo)體FP腔寬帶光纖激光器利用光纖自發(fā)拉曼散射強度比測溫，另一個半導(dǎo)體外腔窄帶脈沖光纖激光器利用光纖自發(fā)布里淵散射線的頻移測應(yīng)變。采用時間序列編碼激光脈沖，在提高發(fā)射光子數(shù)的同時又可通過壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率，增加系統(tǒng)的信噪比，在空間實現(xiàn)在線溫度和應(yīng)變的同時測量并改善了測量精度。
文檔編號G01B11/16GK102322883SQ20111022627
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者余向東, 張在宣, 李裔, 王劍鋒, 金尚忠, 龔華平 申請人:中國計量學(xué)院