专利名称：脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，属于光纤传感技术领域。
背景技术：
在分布式光纤传感器领域，国内外有分布式光纤拉曼散射光子温度传感器，检测现场的温度，国外有分布式光纤布里渊散射光子传感器检测现场的应变和温度，由于存在交叉效应，不能同时测量光纤的应变和温度，英国南安普敦大学Newson研究团队提出采用窄带激光光源利用光纤的背向自发反斯托克斯拉曼散射测温并用自发光纤布里渊散射效应来测量应变，但由于光纤布里渊散射的光谱带寬很窄，因此，测量温度和应变的精度低 (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)。中国计量学院张在宣研究团队提出采用两个不同光谱带宽的激光光源，采用宽带光源的光纤拉曼散射强度比测量光纤的温度，采用窄带光源的光纤布里渊散射线的频移比测量光纤的应变，初步解决了应变和温度同时测量的问题(CN101162158)。而近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对超远程50km 全分布式光纤应变、温度传感网提出了更高的需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种脉冲编码分布式温度、应变同时测量的高精度的分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器。为达到上述目的，本发明的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器包括波形发生器，半导体FP腔宽带光纤激光器，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器，光纤分波器，脉冲编码光调制器，单向器，掺餌光纤放大器，双向耦合器，传感光纤，集成波分复用器，第一光电接收放大模块，第二光电接收放大模块，直接检测系统，窄带的透射光纤光栅，环行器， 相干检测系统和工控机；波形发生器的输入端与工控机相连，波形发生器的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器的输入端相连，波形发生器的另一个输出端与脉冲编码光调制器的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器的输出端与掺餌光纤放大器的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器的输出端与光纤分波器的输入端相连，光纤分波器的一个输出端与脉冲编码光调制器的另一个输入端相连，光纤分波器的另一个输出端与环行器的一个输入端相连，脉冲编码光调制器的输出端与单向器的输入端相连，单向器的输出端与掺餌光纤放大器的另一个输入端相连，掺餌光纤放大器的输出端与双向耦合器的输入端相连，双向耦合器的一个输出端接传感光纤，双向耦合器的另一个输出端与集成波分复用器的输入端口相连，集成波分复用器的第一、第二两个输出端口分别经第一光电接收放大模块和第二光电接收放大模块与直接检测系统的两个输入端相连，集成波分复用器的第三个输出端口经窄带的透射光纤光栅与环行器的另一个输入端相连，环行器的输出端与相干检测系统的输入端相连，相干检测系统的输出端与工控机相连，直接检测系统和工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的温度信息，相干检测系统和工控机将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的应变信息，由工控机将传感光纤上的温度、应变信息通过互联网或无线网传送给远程监控网。本发明中，所说的半导体FP腔宽带光纤激光器由F-P半导体激光器组成，中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。本发明中，所说的半导体外腔窄带脉冲光纤激光器的中心波长为1550nm，光谱带宽为200kHz的IOOmW连续运行光纤激光器。本发明中，所说的脉冲编码光调制器是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器(Mach-Zehnder modulator (MZM))。本发明中，所说的集成波分复用器具有四个端口，一个输入端口，三个输出端口， 第一输出端口是1450nm端口，为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口，第二输出端口是 1660nm端口，为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口，第三输出端口是1550nm端口，为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。本发明中，所说的窄带的透射光纤光栅是中心波长为1550.08nm，光谱带宽为 0. Inm,损耗<0. 3dB,隔离度>35dB的光纤光栅。本发明中，所说的相干检测系统是频谱范围9kHz46. 5GHz的频谱分析仪，例如安捷伦(Agilent)公司的频谱分析仪ESA (E4407B)。本发明的脉冲编码分布式拉曼、布里渊散光纤传感器是基于光纤非线性光学散射的融合原理和波分复用原理和脉冲编码原理，将分布式光纤拉曼散射效应与光纤布里渊散射效应融合成一种新型的脉冲编码分布式光纤传感器的测量原理的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器。实现温度和应变的同时测量，提高系统的信噪比，改善测量精度。脉冲编码分布式拉曼、布里渊散光纤传感器的编码解码原理
本传感器的序列脉冲编码是通过S矩阵转换来实现的，S矩阵转换是标准哈达马得 (Hadamard)转换的一种变式，也可称为哈达马得转换。S矩阵的元素均由“0”和“ 1”组成， 这一特点很适用于激光序列脉冲编码，在实际应用中可用“0”代表激光器关闭，用“ 1”代表激光器开启。这种采用“0”、“1”的编码方式又可称为简单编码。而解码的过程是对应的逆 S矩阵转换。由编码原理推导得知，采用N位的序列脉冲编码解码可获得的信噪比改善为
3/+1
SM^=m⑴
由(1)式可知，信噪比改善随着编码位数的提高而提高。当N 取 255 时SMR255 = ^5Ill 8.02
光纤传感器的空间定位分辨率由单位的窄脉冲宽度决定，由于采用多脉冲发射，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，并且不必提高单个激光脉冲的峰值功率从而又有效地防止了光纤非线性效应造成OTDR曲线的变形。光纤拉曼散射的测温原理反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度
权利要求
1.脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是包括波形发生器(10)，半导体FP腔宽带光纤激光器(11)，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器(12)，光纤分波器(13)， 脉冲编码光调制器(14)，单向器(15)，掺餌光纤放大器(16)，双向耦合器(17)，传感光纤 (18)，集成波分复用器(19)，第一光电接收放大模块(20)，第二光电接收放大模块(21)， 直接检测系统(22)，窄带的透射光纤光栅(23)，环行器(24)，相干检测系统(25)和工控机 (26);波形发生器(10)的输入端与工控机(26)相连，波形发生器(10)的一个输出端与半导体FP腔宽带光纤激光器(11)的输入端相连，波形发生器(10)的另一个输出端与脉冲编码光调制器(14)的一个输入端相连，半导体FP腔宽带光纤激光器(11)的输出端与掺餌光纤放大器(16)的一个输入端相连，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器(12)的输出端与光纤分波器(13)的输入端相连，光纤分波器(13)的一个输出端与脉冲编码光调制器(14)的另一个输入端相连，光纤分波器(13)的另一个输出端与环行器(24)的一个输入端相连，脉冲编码光调制器(14)的输出端与单向器(15)的输入端相连，单向器(15)的输出端与掺餌光纤放大器(16)的另一个输入端相连，掺餌光纤放大器(16)的输出端与双向耦合器(17)的输入端相连，双向耦合器(17)的一个输出端接传感光纤(18)，双向耦合器(17)的另一个输出端与集成波分复用器(19)的输入端口相连，集成波分复用器(19)的第一、第二两个输出端口分别经第一光电接收放大模块(20 )和第二光电接收放大模块(21)与直接检测系统(22 ) 的两个输入端相连，集成波分复用器(19)的第三个输出端口经窄带的透射光纤光栅(23) 与环行器(24)的另一个输入端相连，环行器(24)的输出端与相干检测系统(25)的输入端相连，相干检测系统(25)的输出端与工控机(26)相连，直接检测系统(22)和工控机(26) 将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的温度信息，相干检测系统(25)和工控机(26)将采集、累加的编码脉冲解码解调，获得50km传感光纤所在现场的应变信息，由工控机将传感光纤上的温度、应变信息通过互联网或无线网传送给远程监控网。
2.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是半导体FP腔宽带光纤激光器(11)由F-P半导体激光器组成，中心波长为1550nm，光谱宽度为 3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。
3.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是半导体外腔窄带脉冲光纤激光器(12)的中心波长为1550nm，光谱带宽为200kHz的IOOmW连续运行光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是脉冲编码光调制器(14)是鈮酸锂马赫-泽德尔调制器。
5.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是集成波分复用器(19)具有四个端口，一个输入端口，三个输出端口，第一输出端口是1450nm 端口，为光纤反斯托克斯拉曼散射光输出口，第二输出端口是1660nm端口，为光纤斯托克斯拉曼散射光输出口，第三输出端口是1550nm端口，为光纤瑞利和布里渊散射光输出口。
6.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是窄带的透射光纤光栅(23)是中心波长为1550. 08nm，光谱带宽为0. lnm，损耗<0. 3dB，隔离度 >35dB的光纤光栅。
7.根据权利要求1所述的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器，其特征是相干检测系统(25)是频谱范围9kHz46. 5GHz的频谱分析仪。
全文摘要
本发明的脉冲编码分布式光纤拉曼、布里渊散射传感器包括波形发生器，半导体FP腔宽带光纤激光器，半导体外腔窄带脉冲光纤激光器，光纤分波器，脉冲编码光调制器，单向器，掺鉺光纤放大器，双向耦合器，传感光纤，集成波分复用器，两个光电接收放大模块，直接检测系统，窄带的透射光纤光栅，环行器，相干检测系统和工控机。该传感器采用两个激光光源，其中，半导体FP腔宽带光纤激光器利用光纤自发拉曼散射強度比测温，另一个半导体外腔窄带脉冲光纤激光器利用光纤自发布里渊散射线的频移测应变。采用时间序列编码激光脉冲，在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，增加系统的信噪比，在空间实现在线温度和应变的同时测量并改善了测量精度。
文档编号G01B11/16GK102322883SQ20111022627
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者余向东, 张在宣, 李裔, 王剑锋, 金尚忠, 龚华平 申请人:中国计量学院