一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统和测温方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及分布式光纤测温系统技术领域，尤其涉及一种基于少模光纤的拉曼分 布式测温系统和测温方法。
【背景技术】
[0002] 温度传感系统在公路、隧道、桥梁、水利工程等基础设施，高压线缆，煤矿井下，石 油化工领域等地方有着非常广泛的应用。传统的单点移动式或者多个电子传感器组网实现 的分布式测量方式存在难以安装，难以维护，容易受到电磁干扰等缺点。基于光纤型的分布 式温度传感器是改良上述传感系统缺点的一种有效手段，而且光纤具有插入损耗低，探测 距离长，容易铺设等优势，可以实现在线实时监测和预报，不受电磁干扰，系统简单安全。
[0003] 在分布式光纤传感器中，分布式拉曼温度传感器利用了光纤中的拉曼散射原理， 通过光纤传播过程中的背向拉曼散射光作为传感信号，能够实现对整条光纤链路中各点的 温度场进行监测。
[0004] 现有的拉曼测温系统采用的传感光纤为多模光纤或单模光纤。对于基于多模光纤 的分布式拉曼传感系统，其优势在于多模光纤具有大的模场面积和高拉曼增益系数，其劣 势在于多模光纤的损耗较大，导致探测距离受限，由于模间色散引入的串扰导致传感的空 间分辨率不足。对于基于单模光纤的分布式拉曼传感系统，其优势在于损耗较小，其劣势在 于模场面积较小，因此输入光功率受限，探测距离受限。
【发明内容】
[0005] 本申请提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统和测温方法，改善了现有技 术中的多模光纤和单模光纤的探测距离较小的技术问题。
[0006] 本申请提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，所述测温系统包括：
[0007] 脉冲激光光源，用于发出脉冲激光；
[0008] 耦合器，对所述脉冲激光进行耦合，并输出；
[0009] 特殊连接，连接所述親合器和所述少模光纤；
[0010] 少模光纤，所述耦合器输出的脉冲激光通过所述特殊连接进入所述少模光纤，所 述脉冲激光在所述少模光纤内传播的过程中，产生背向散射光；
[0011] 拉曼滤波器，与所述耦合器连接，所述背向散射光经过所述耦合器的背向输出端 口输入到所述拉曼滤波器，所述拉曼滤波器将拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤 波后从两个端口输出；
[0012] 两个光电探测器，分别接收从所述两个端口输出的拉曼斯托克斯散射光和拉曼反 斯托克斯散射光，进行光电转换，并输出电信号；
[0013] 信号处理器，对所述两个光电探测器的输出电信号进行处理，得到温度信息。
[0014] 优选地，所述测温系统还包括连接所述信号处理器和所述脉冲激光光源同步源， 用于脉冲激光光源和信号处理器之间的同步触发。
[0015] 优选地，所述親合器分光比为50:50。
[0016] 优选地，所述特殊连接为桥纤或拉锥方式。
[0017] 优选地，所述脉冲激光光源包括连续光激光器、调制器、信号源和光放大器。
[0018] 优选地，所述连续光激光器的线宽为IOMHz。
[0019] 优选地，所述调制器为声光调制器、电光调制器、马赫泽德调制器中的一种。
[0020] 优选地，所述光放大器为掺铒光纤放大器或半导体光放大器。
[0021] 本申请还提供一种测温方法，应用于所述的测温系统中，所述方法包括：
[0022] 对测温系统进行温度标定，在参考温度为T。的少模光纤中，雪崩光电二极管测 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。）的比值为：
(式1)其中，Kas和Kj别为 反斯托克斯散射截面和斯托克斯散射截面，VaJP V s为反斯托克斯光和斯托克斯光的频率， h为普朗克常数，Av为拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，CiaJP a s分别为反斯托克斯光和斯 托克斯光在少模光纤中传输的损耗系数，L为光纤长度；
[0023] 任意温度T下所述两个光电探测器输出的比值为：
[0025] 本申请有益效果如下：
[0026] 本申请提供的基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，由于光纤传输损耗较小，模 间色散远小于普通的多模光纤，因此，不仅增加了测温系统的探测距离，而且还提高了测温 系统的空间分辨率。解决了现有的多模光纤的分布式拉曼测温系统光纤传输损耗较大，且 由于模间色散的影响，所导致测温系统的探测距离和空间分辨率受限的技术问题。
[0027] 本申请提供的基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，模场面积较单模光纤而言较 大，能够容忍更高的入纤光功率，提升探测距离，解决了现有技术中由于单模光纤的分布式 拉曼测温系统的传感光纤的模场面积较小，入纤光功率受限，探测距离受限的技术问题。
[0028] 另外，为了解决发射与接收单模器件与少模光纤模场失配的问题，引入了特殊连 接方式，如桥纤、拉锥等技术，在保证单模光纤与少模光纤低连接损耗的同时只激励少模光 纤的基模LPOl。
【附图说明】
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些 实施例。
[0030] 图1为本申请一较佳实施方式一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统的结构 示意图。
【具体实施方式】
[0031] 本申请实施例通过提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统和测温方法，改 善了现有技术中的多模光纤和单模光纤的探测距离较小的技术问题。
[0032] 本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
[0033] 本申请提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，所述测温系统包括：脉冲 激光光源，用于发出脉冲激光；耦合器，对所述脉冲激光进行耦合，并输出；特殊连接，连接 所述耦合器和所述少模光纤；少模光纤，所述耦合器输出的脉冲激光通过所述特殊连接进 入所述少模光纤，所述脉冲激光在所述少模光纤内传播的过程中，产生背向散射光；拉曼滤 波器，与所述耦合器连接，所述背向散射光经过所述耦合器的背向输出端口输入到所述拉 曼滤波器，所述拉曼滤波器将拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤波后从两个端口 输出；两个光电探测器，分别接收从所述两个端口输出的拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯 托克斯散射光，进行光电转换，并输出电信号；信号处理器，对所述两个光电探测器的输出 电信号进行处理，得到温度信息。
[0034] 本申请提供的基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，由于光纤传输损耗较小，模 间色散远小于普通的多模光纤，因此，不仅增加了测温系统的探测距离，而且还提高了测温 系统的空间分辨率。解决了现有的多模光纤的分布式拉曼测温系统光纤传输损耗较大，且 由于模间色散的影响，所导致测温系统的探测距离和空间分辨率受限的技术问题。
[0035] 为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上 述技术方案进行详细的说明。
[0036] 本申请提供一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统，如图1所示，为本申请一 较佳实施方式一种基于少模光纤的拉曼分布式测温系统的结构示意图。所述测温系统包括 脉冲激光光源11、耦合器12、特殊连接13、少模光纤14、拉曼滤波器15、光电探测器16和 17、信号处理器18和同步源19。
[0037] 所述脉冲激光光源11用于发出脉冲激光。在本实施方式中，所述脉冲激光光源可 以包括连续光激光器、调制器、信号源和光放大器。其中，连续光激光器的线宽为10MHz，调 制器可以为声光调制器、电光调制器、马赫泽德调制器等，信号源用于调制光信号，光放大 器可以为掺铒光纤放大器、半导体光放大器等。在其它实施方式中，所述脉冲激光光源11 的结构并不局限于上述类型的结构，其他结构的合适的大功率脉冲激光光源也可应用于本 系统。
[0038] 所述耦合器12将脉冲激光光源11发出的脉冲激光耦合进后续传感系统并接收背 向散射光并输出，耦合器12对于拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光所在的频率损耗较 低。在本实施方式中，所述耦合器12分光比为50:50,且在拉曼斯托克斯散射和拉曼反斯托 克斯散射光谱处的损耗较低，损耗在3. 5dB以下。
[0039] 特殊连接13连接所述親合器和所述少模光纤，特殊连接13可以为桥纤、拉锥等方 式，脉冲激光经所述耦合器12耦合后通过特殊连接13进入到少模光纤。在保证单模光