一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，包括由大功率窄脉冲光源、光纤拉曼耦合器、第一光接收模块、第二光接收模块、AD采集卡及微处理器组成的主机和传感光纤，其特征在于：在传感光纤上嵌入由光放大器、光纤环形器、及光纤波分复用耦合器组成的集成光中继放大光模块。本发明的优点是：集成光中继放大光模块可以放大在传感光纤中损耗的窄脉冲激光，增强后段传感光纤中自发后向拉曼散射光的强度，提高分布式光纤拉曼温度传感器系统的信噪比；在传感光纤中级联N级集成光中继放大光模块，使得N段传感光缆分段分时进行测量，从而提高了温度测量精度，真正实现了分布式光纤拉曼温度传感器的超远程测量。
【专利说明】一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感【技术领域】，尤其涉及一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置。
【背景技术】
[0002]在分布式光纤传感器中，利用光纤自发拉曼散射光强度受温度调制的原理和光时域反射原理制成的分布式光纤拉曼温度传感器，具有广阔的应用市场。由于光在光纤中传输时光功率会发生损耗，以及受传感器系统信噪比的限制，测量长度一直不能满足需要。
[0003]国家知识产权局2008年4月16日公开的名为“超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器”的发明专利中公开了一种远程分布式光纤温度传感器，该分布式光纤温度传感器利用光纤受激拉曼散射效应，通过在传感器中嵌入光纤拉曼放大器，放大接收到的后向拉曼散射光，可以实现IOOkm的测量距离。然而脉冲光在光纤中传输时,随着光功率的衰减，当衰减到某个值后就不能产生拉曼散射光或者非常微弱，所以远距离处的光纤内无拉曼散射光或者微弱的拉曼散射光无法到达该分布式光纤温度传感器的光纤拉曼放大器内。
[0004]该发明公布的分布式光纤温度传感器并不能从根本上解决长距离测量带来的测量不精确问题，且在实际应用中，光纤拉曼放大器价格昂贵，大大提高了设备的成本。
【发明内容】
[0005]为了解决现有分布式光纤温度传感装置测量距离不够长的问题，本发明提供一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置。
[0006]本发明的目的是这样实现的:一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，包括主机和传感光纤，其特征在于:在传感光纤上间隔嵌入集成光中继放大光模块。
[0007]所述集成光中继放大光模块包括一个输入端和一个输出端，其作用是分别连接前后两段传感光纤，放大经前段传感光纤损耗的脉冲激光并注入到后段传感光纤中。
[0008]所述集成光中继放大光模块由光放大器、光纤波分复用耦合器和光纤环形器组成，前段传感光纤和光纤波分复用稱合器的输入端相连，光纤波分复用稱合器的输出端和光放大器的输入端相连，光放大器的输出端和光纤环形器的输入端相连，光纤环形器的一个输出端和后段传感光纤相连，另一输出端即反馈端和光纤波分复用耦合器相连。
[0009]所述光纤环形器和光纤波分复用耦合器也可以采用光纤耦合器代替。
[0010]所述集成光中继放大光模块有N块，可以实现N级级联，从而真正实现分布式光纤温度传感装置的超远程测量。
[0011]所述主机由大功率窄脉冲光源、光纤拉曼耦合器、第一光接收模块、第二光接收模块、AD采集卡、微处理器组成，大功率窄脉冲光源的输出端和光纤拉曼耦合器的输入端通过光纤相连，光纤拉曼耦合器的反馈端和传感以光纤相连，光纤拉曼耦合器的两个输出端分别和第一光接收模块、第二光接收模块相连，第一光接收模块和第二光接收模块的输出端分别和AD采集卡的两个输入端相连，AD采集卡的输出端和微处理器相连。[0012]所述AD采集卡是双通道高速高精度分布式测温专用AD采集卡。
[0013]后向拉曼散射光分为携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光(Ant1-stokes)和作为参考信号的后向斯托克斯拉曼散射光(Stokes)。光纤拉曼耦合器内含有Ant1-stokes滤光片和Stokes滤光片，能将接收到的后向喇漫散射光分离为Ant1-stokes光和Stokes光。
[0014]大功率窄脉冲激光光源发出的窄脉冲激光通过光纤拉曼耦合器注入到传感光纤中，在传感光纤上间隔嵌有N块集成光中继放大光模块，在光纤中损耗的窄脉冲激光在集成光中继放大光模块中放大，增强了后段传感光纤中自发后向拉曼散射光的强度。N只级联的集成光中继放大光模块使传感光纤分段分时进行测量，可以实现NXL(每段传感光纤的长度)距离的温度监测。在传感光纤中产生的后向拉曼散射光经光纤拉曼耦合器分离，得到携带温度信号的后向Ant1-stokes光和作为参考信号的后向Stokes光，自此便完成了光信号的接收工作。
[0015]从Ant1-stokes滤波片分离出来的Ant1-stokes光和Stokes滤波片分离出来的Stokes光再分别进入第一光接收模块和第二光接收模块进行光电转换，再经前级放大电路放大，从而完成信号的光电探测工作。此时信号已由光功率形式转换成电平形式。拉曼散射信号Ant1-stokes和Stokes的输出电压值与AD采集卡的模拟输入相匹配。
[0016]第一光电接收模块和第二光电接收模块的输出端分别接入AD采集卡进行模数转换及数据预处理，从而得到数据预处理结果，再由微处理器对数据预处理结果进行信号处理、分析计算，便最终得到对应点的温度场信息。
[0017]本发明的有益效果在于:通过在传感光纤上嵌入集成光中继放大光模块，放大经传感光纤损耗的窄脉冲激光，增强了后段传感光纤中自发后向拉曼散射光的强度，提高了分布式光纤拉曼温度传感装置的信噪比；在传感光纤中级联N级集成光中继放大光模块，使得N段传感光纤分段分时进行测量，从而提高了温度测量精度，真正实现了分布式光纤拉曼温度传感器的超远程测量。同时，本发明所用器件价格合理，相对于现有设备，大大降低了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明总体结构示意图。
[0019]图2为集成光中继放大模块结构示意图。
[0020]附图中各部分名称如下:
[0021]1、大功率窄脉冲光源
[0022]2、光纤拉曼耦合器
[0023]3、第一光接收模块
[0024]4、第二光接收模块
[0025]5、同步信号输出端
[0026]6、AD 采集卡
[0027]7、微处理器
[0028]8、光放大器
[0029]9、光纤环形器[0030]10、光纤波分复用耦合器
[0031]G、集成光中继放大光模块
[0032]【具体实施方式】
[0033]下面结合附图1、2进一步说明本发明的具体实施步骤。
[0034]一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，包括主机和传感光纤，在传感光纤上间隔嵌入集成光中继放大光模块G。
[0035]所述集成光中继放大光模块G包括一个输入端和一个输出端,其作用是分别连接前后两段传感光纤，对前段光纤输出的窄脉冲激光进行放大后输入后段光纤，并将后段传感光纤的后向拉曼散射光信号从输入端反射输出回来。。
[0036]所述集成光中继放大光模块G由光放大器8、光纤波分复用稱合器10和光纤环形器9组成，前段传感光纤和光纤波分复用耦合器10的输入端相连，光纤波分复用耦合器10的输出端和光放大器8的输入端相连，光放大器8的输出端和光纤环形器9的输入端相连，光纤环形器9的一个输出端和后段传感光纤相连，另一输出端即反馈端和光纤波分复用耦合器10相连。
[0037]所述光纤环形器9和光纤波分复用耦合器10都可以用光纤耦合器代替。
[0038]所述集成光中继放大光模块G有N(N> I)块，可以实现N级级联，从而真正实现分布式光纤温度传感装置的超远程测量。
[0039]所述主机由大功率窄脉冲光源1、光纤拉曼稱合器2、第一光接收模块3、第二光接收模块4、AD米集卡6、微处理器7组成,大功率窄脉冲光源I的输出端和光纤拉曼稱合器2的输入端通过光纤相连，光纤拉曼耦合器2的反馈端和传感光纤相连，光纤拉曼耦合器2的两个输出端分别和第一光接收模块3、第二光接收模块相连4，第一光接收模块3和第二光接收模块4的输出端分别和AD采集卡6的两个输入端相连，AD采集卡6的输出端和微处理器7相连。
[0040]所述AD采集卡6是双通道高速高精度分布式测温专用AD采集卡。
[0041]所述大功率窄脉冲光源I用于产生一定脉冲宽度和脉冲频率的大峰值功率光脉冲。本实施例选用的大功率窄脉冲光源I产生的光脉冲功率为15W。
[0042]大功率窄脉冲光源I还包括同步信号输出端5，将同步信号经由装置外壳的同步信号输出端5输出。所述的同步信号是与大功率脉冲光源输出的窄脉冲激光同步输出的电脉冲信号，它可通知AD采集卡6开始A\D信号采集。
[0043]光纤拉曼I禹合器2包括一个输入端,一个反馈端和两个输出端，内含Ant1-stokes滤波片和Stokes滤波片,光纤拉曼稱合器2的输入端与大功率窄脉冲光源I的输出端相连，反馈端和传感光纤相连，在传感光纤中产生的后向拉曼散射光通过光纤拉曼耦合器2的反馈端进入光纤拉曼稱合器2中，被Ant1-stokes滤波片和Stokes滤波片分离为携带温度信号的Ant1-stokes光和作为参考信号的Stokes光。光纤拉曼稱合器2的两个输出端分别和第一光接收模块3和第二光接收模块4相连，从Ant1-stokes滤波片分离出来的Ant1-stokes光和从Stokes滤波片分离出来的Stokes光分别进入第一光接收模块3和第二光接收模块4进行光电转换，再经前级放大电路放大，从而完成信号的光电探测工作。此时信号已由光功率形式转换成电平形式。
[0044]第一光接收模块3和第二光接收模块4的输出端分别接入双通道高速高精度分布式测温专用AD采集卡6进行模数转换及数据预处理，从而得到数据预处理结果，再由微处理器7对数据预处理结果进行信号处理、分析计算，便最终得到对应点的温度场信息。
[0045]所述光放大器8是一种光放大器件，本实施例选择的增益为30dB。
[0046]所述光纤环形器9包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端,其输入端与光放大器8的输出端相连,用于接收光放大器8输出的窄脉冲激光,其反馈端与后段传感光纤相连，用于向后段传感光纤注入窄脉冲激光，并接收在传感光纤中产生的后向拉曼散射光，其输出端将接收到的后向拉曼散射光输出到光纤波分复用耦合器10 ；
[0047]所述光纤波分复用I禹合器10包括一个输入端、第一输出端和第二输出端,输入端输入光脉冲及反向输出拉曼散射光信号，第一输出端输出光脉冲到光放大器8 ;第二输出端反向输出拉曼散射光信号到光纤环形器9。
[0048]本发明具体实现过程如下:
[0049]大功率窄脉冲激光光源发出的窄脉冲激光通过光纤拉曼耦合器2注入到传感光纤中，在光纤中损耗的窄脉冲激光在集成光中继放大光模块G中放大，增强了后段传感光纤中自发后向拉曼散射光的强度。N只级联的集成光中继放大光模块G使传感光纤分段分时进行测量，实现了 NXL(每段传感光纤的长度)距离的温度监测。在传感光纤中产生的后向拉曼散射光经光纤拉曼耦合器2分离，得到携带温度信号的后向Ant1-stokes光和作为参考信号的后向Stokes光，自此便完成了光信号的接收工作。
[0050]光信号经光纤拉曼稱合器2后，从Ant1-stokes滤波片分离出来的Ant1-stokes光和Stokes滤波片分离出来的Stokes光再分别进入第一光接收模块3和第二光接收模块4进行光电转换，再经前级放大电路放大，从而完成信号的光电探测工作。此时信号已由光功率形式转换成电平形式。
[0051]第一光电接收模块3和第二光电接收模块4的输出端分别接入AD采集卡6进行模数转换及数据预处理，从而得到数据预处理结果，再由微处理器7对数据预处理结果进行信号处理、分析计算，便最终得到对应点的温度场信息。
[0052]这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
【权利要求】
1.一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，包括主机和传感光纤，其特征在于:在传感光纤上间隔嵌入集成光中继放大光模块。
2.根据权利要求1所述的一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于:所述集成光中继放大光模块包括一个输入端和一个输出端，分别连接前段传感光纤和后段传感光纤。
3.根据权利要求1或2所述的一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于:所述集成光中继放大光模块由光放大器、光纤波分复用耦合器和光纤环形器组成，前段传感光纤和光纤波分复用稱合器的输入端相连，光纤波分复用稱合器的输出端和光放大器的输入端相连，光放大器的输出端和光纤环形器的输入端相连，光纤环形器的一个输出端和后段传感光纤相连，另一输出端即反馈端和光纤波分复用耦合器相连。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于:所述集成光中继放大光模块有N块，可以实现N级级联。
5.根据权利要求1所述的一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于:所述主机由大功率窄脉冲光源、光纤拉曼耦合器、第一光接收模块、第二光接收模块、AD采集卡、微处理器组成，大功率窄脉冲光源的输出端和光纤拉曼耦合器的输入端通过光纤相连，光纤拉曼耦合器的反馈端和传感光纤相连，光纤拉曼耦合器的两个输出端分别和第一光接收模块、第二光接收模块相连，第一光接收模块和第二光接收模块的输出端分别和AD采集卡的两个输入端相连，AD采集卡的输出端和微处理器相连。
6.根据权利要求5所述的一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于:所述AD采集卡是双通道高速高精度分布式测温专用AD采集卡。
7.根据权利要求5所述的一种超远程分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于:所述的光纤拉曼稱合器内含有Ant1-stokes滤光片和Stokes滤光片。
【文档编号】G01K11/32GK103759852SQ201110459224
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2011年12月30日 优先权日:2011年12月30日
【发明者】杨斌 申请人:上海华魏光纤传感技术有限公司