一種基于少模光纖的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)和測(cè)溫方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于少模光纖的拉曼分 布式測(cè)溫系統(tǒng)和測(cè)溫方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度傳感系統(tǒng)在公路、隧道、橋梁、水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施，高壓線纜，煤礦井下，石 油化工領(lǐng)域等地方有著非常廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的單點(diǎn)移動(dòng)式或者多個(gè)電子傳感器組網(wǎng)實(shí)現(xiàn) 的分布式測(cè)量方式存在難以安裝，難以維護(hù)，容易受到電磁干擾等缺點(diǎn)?；诠饫w型的分布 式溫度傳感器是改良上述傳感系統(tǒng)缺點(diǎn)的一種有效手段，而且光纖具有插入損耗低，探測(cè) 距離長(zhǎng)，容易鋪設(shè)等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，不受電磁干擾，系統(tǒng)簡(jiǎn)單安全。
[0003] 在分布式光纖傳感器中，分布式拉曼溫度傳感器利用了光纖中的拉曼散射原理， 通過(guò)光纖傳播過(guò)程中的背向拉曼散射光作為傳感信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整條光纖鏈路中各點(diǎn)的 溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0004] 現(xiàn)有的拉曼測(cè)溫系統(tǒng)采用的傳感光纖為多模光纖或單模光纖。對(duì)于基于多模光纖 的分布式拉曼傳感系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于多模光纖具有大的模場(chǎng)面積和高拉曼增益系數(shù)，其劣 勢(shì)在于多模光纖的損耗較大，導(dǎo)致探測(cè)距離受限，由于模間色散引入的串?dāng)_導(dǎo)致傳感的空 間分辨率不足。對(duì)于基于單模光纖的分布式拉曼傳感系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于損耗較小，其劣勢(shì)在 于模場(chǎng)面積較小，因此輸入光功率受限，探測(cè)距離受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于少模光纖的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)和測(cè)溫方法，改善了現(xiàn)有技 術(shù)中的多模光纖和單模光纖的探測(cè)距離較小的技術(shù)問(wèn)題。
[0006] 本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于少模光纖的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)，所述測(cè)溫系統(tǒng)包括：
[0007] 脈沖激光光源，用于發(fā)出脈沖激光；
[0008] 耦合器，對(duì)所述脈沖激光進(jìn)行耦合，并輸出；
[0009] 特殊連接，連接所述親合器和所述少模光纖；
[0010] 少模光纖，所述耦合器輸出的脈沖激光通過(guò)所述特殊連接進(jìn)入所述少模光纖，所 述脈沖激光在所述少模光纖內(nèi)傳播的過(guò)程中，產(chǎn)生背向散射光；
[0011] 拉曼濾波器，與所述耦合器連接，所述背向散射光經(jīng)過(guò)所述耦合器的背向輸出端 口輸入到所述拉曼濾波器，所述拉曼濾波器將拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分別濾 波后從兩個(gè)端口輸出；
[0012] 兩個(gè)光電探測(cè)器，分別接收從所述兩個(gè)端口輸出的拉曼斯托克斯散射光和拉曼反 斯托克斯散射光，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并輸出電信號(hào)；
[0013] 信號(hào)處理器，對(duì)所述兩個(gè)光電探測(cè)器的輸出電信號(hào)進(jìn)行處理，得到溫度信息。
[0014] 優(yōu)選地，所述測(cè)溫系統(tǒng)還包括連接所述信號(hào)處理器和所述脈沖激光光源同步源， 用于脈沖激光光源和信號(hào)處理器之間的同步觸發(fā)。
[0015] 優(yōu)選地，所述親合器分光比為50:50。
[0016] 優(yōu)選地，所述特殊連接為橋纖或拉錐方式。
[0017] 優(yōu)選地，所述脈沖激光光源包括連續(xù)光激光器、調(diào)制器、信號(hào)源和光放大器。
[0018] 優(yōu)選地，所述連續(xù)光激光器的線寬為IOMHz。
[0019] 優(yōu)選地，所述調(diào)制器為聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、馬赫澤德調(diào)制器中的一種。
[0020] 優(yōu)選地，所述光放大器為摻鉺光纖放大器或半導(dǎo)體光放大器。
[0021] 本申請(qǐng)還提供一種測(cè)溫方法，應(yīng)用于所述的測(cè)溫系統(tǒng)中，所述方法包括：
[0022] 對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度標(biāo)定，在參考溫度為T(mén)。的少模光纖中，雪崩光電二極管測(cè) 出的背向拉曼反斯托克斯散射功率Pas (T。）和拉曼斯托克斯散射功率PS(T。）的比值為：
(式1)其中，Kas和Kj別為 反斯托克斯散射截面和斯托克斯散射截面，VaJP V s為反斯托克斯光和斯托克斯光的頻率， h為普朗克常數(shù)，Av為拉曼頻移，k為玻爾茲曼常數(shù)，CiaJP a s分別為反斯托克斯光和斯 托克斯光在少模光纖中傳輸?shù)膿p耗系數(shù)，L為光纖長(zhǎng)度；
[0023] 任意溫度T下所述兩個(gè)光電探測(cè)器輸出的比值為：
[0025] 本申請(qǐng)有益效果如下：
[0026] 本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谏倌９饫w的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)，由于光纖傳輸損耗較小，模 間色散遠(yuǎn)小于普通的多模光纖，因此，不僅增加了測(cè)溫系統(tǒng)的探測(cè)距離，而且還提高了測(cè)溫 系統(tǒng)的空間分辨率。解決了現(xiàn)有的多模光纖的分布式拉曼測(cè)溫系統(tǒng)光纖傳輸損耗較大，且 由于模間色散的影響，所導(dǎo)致測(cè)溫系統(tǒng)的探測(cè)距離和空間分辨率受限的技術(shù)問(wèn)題。
[0027] 本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谏倌９饫w的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)，模場(chǎng)面積較單模光纖而言較 大，能夠容忍更高的入纖光功率，提升探測(cè)距離，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于單模光纖的分布式 拉曼測(cè)溫系統(tǒng)的傳感光纖的模場(chǎng)面積較小，入纖光功率受限，探測(cè)距離受限的技術(shù)問(wèn)題。
[0028] 另外，為了解決發(fā)射與接收單模器件與少模光纖模場(chǎng)失配的問(wèn)題，引入了特殊連 接方式，如橋纖、拉錐等技術(shù)，在保證單模光纖與少模光纖低連接損耗的同時(shí)只激勵(lì)少模光 纖的基模LPOl。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述 中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些 實(shí)施例。
[0030] 圖1為本申請(qǐng)一較佳實(shí)施方式一種基于少模光纖的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 本申請(qǐng)實(shí)施例通過(guò)提供一種基于少模光纖的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)和測(cè)溫方法，改 善了現(xiàn)有技術(shù)中的多模光纖和單模光纖的探測(cè)距離較小的技術(shù)問(wèn)題。
[0032] 本申請(qǐng)實(shí)施例中的技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，總體思路如下：
[0033] 本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于少模光纖的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)，所述測(cè)溫系統(tǒng)包括：脈沖 激光光源，用于發(fā)出脈沖激光；耦合器，對(duì)所述脈沖激光進(jìn)行耦合，并輸出；特殊連接，連接 所述耦合器和所述少模光纖；少模光纖，所述耦合器輸出的脈沖激光通過(guò)所述特殊連接進(jìn) 入所述少模光纖，所述脈沖激光在所述少模光纖內(nèi)傳播的過(guò)程中，產(chǎn)生背向散射光；拉曼濾 波器，與所述耦合器連接，所述背向散射光經(jīng)過(guò)所述耦合器的背向輸出端口輸入到所述拉 曼濾波器，所述拉曼濾波器將拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分別濾波后從兩個(gè)端口 輸出；兩個(gè)光電探測(cè)器，分別接收從所述兩個(gè)端口輸出的拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯 托克斯散射光，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并輸出電信號(hào)；信號(hào)處理器，對(duì)所述兩個(gè)光電探測(cè)器的輸出 電信號(hào)進(jìn)行處理，得到溫度信息。
[0034] 本申請(qǐng)?zhí)峁┑幕谏倌９饫w的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)，由于光纖傳輸損耗較小，模 間色散遠(yuǎn)小于普通的多模光纖，因此，不僅增加了測(cè)溫系統(tǒng)的探測(cè)距離，而且還提高了測(cè)溫 系統(tǒng)的空間分辨率。解決了現(xiàn)有的多模光纖的分布式拉曼測(cè)溫系統(tǒng)光纖傳輸損耗較大，且 由于模間色散的影響，所導(dǎo)致測(cè)溫系統(tǒng)的探測(cè)距離和空間分辨率受限的技術(shù)問(wèn)題。
[0035] 為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)上 述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0036] 本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于少模光纖的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)，如圖1所示，為本申請(qǐng)一 較佳實(shí)施方式一種基于少模光纖的拉曼分布式測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。所述測(cè)溫系統(tǒng)包括 脈沖激光光源11、耦合器12、特殊連接13、少模光纖14、拉曼濾波器15、光電探測(cè)器16和 17、信號(hào)處理器18和同步源19。
[0037] 所述脈沖激光光源11用于發(fā)出脈沖激光。在本實(shí)施方式中，所述脈沖激光光源可 以包括連續(xù)光激光器、調(diào)制器、信號(hào)源和光放大器。其中，連續(xù)光激光器的線寬為10MHz，調(diào) 制器可以為聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、馬赫澤德調(diào)制器等，信號(hào)源用于調(diào)制光信號(hào)，光放大 器可以為摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器等。在其它實(shí)施方式中，所述脈沖激光光源11 的結(jié)構(gòu)并不局限于上述類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)的合適的大功率脈沖激光光源也可應(yīng)用于本 系統(tǒng)。
[0038] 所述耦合器12將脈沖激光光源11發(fā)出的脈沖激光耦合進(jìn)后續(xù)傳感系統(tǒng)并接收背 向散射光并輸出，耦合器12對(duì)于拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光所在的頻率損耗較 低。在本實(shí)施方式中，所述耦合器12分光比為50:50,且在拉曼斯托克斯散射和拉曼反斯托 克斯散射光譜處的損耗較低，損耗在3. 5dB以下。
[0039] 特殊連接13連接所述親合器和所述少模光纖，特殊連接13可以為橋纖、拉錐等方 式，脈沖激光經(jīng)所述耦合器12耦合后通過(guò)特殊連接13進(jìn)入到少模光纖。在保證單模光