一种基于模式复用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，尤其涉及一种基于模式复用的拉曼分 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模式复用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模式复用的拉曼分布式测温系统，所述测温系统包括：
[0007] 脉冲激光器，用于发出脉冲激光；
[0008] 模式复用解复用器，通过单模光纤与所述脉冲激光器连接，接收所述脉冲激光，将 接收的脉冲激光变换为m路等功率的光，进行模式复用，并输出；
[0009] 少模光纤，与所述模式复用解复用器连接，接收所述模式复用解复用器输出的m 路光，所述m路光激励少模光纤中的指定的m个模式，在所述少模光纤中传播，并产生背向 散射光，背向散射光反向传输进入所述模式复用解复用器，所述模式复用解复用器将散射 光分解为m个散射光并输出；
[0010] m个拉曼滤波器，分别通过单模光纤与所述模式复用解复用器连接，所述拉曼滤波 器接收所述m个散射光，并将拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤波后输出；
[0011] 2m个光电转换模块，分别与所述m个拉曼滤波器连接，接收对应的拉曼滤波器输 出的m路拉曼斯托克斯散射光和m路拉曼反斯托克斯散射光，进行光电转换，并输出电信 号；
[0012] 信号处理器，对所述2m个光电探测器的输出电信号进行处理，得到温度信息。
[0013] 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器同步源，用 于脉冲激光器和信号处理器之间的同步触发。
[0014] 优选地，所述脉冲激光器为全光纤的脉冲激光器，或集成化的半导体脉冲激光器。
[0015] 优选地，所述脉冲激光器11的波长为1550。
[0016] 优选地，所述拉曼滤波器的通带范围分别为1450nm波段范围和1660nm波段范围。
[0017] 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：
[0018] 对一模式的拉曼散射信号的所述测温系统进行温度标定，在参考温度T。下少模光 纤中，所述光电转换模块的光电探测器测出的背向拉曼反斯托克斯散射功率P asl (T。）和拉 曼斯托克斯散射功率Psl (T。）的比值为：
其中Kasl和Ksl分别为从在少模光纤中传输的反斯托克斯散射截面和斯托克斯散射截 面，VasJR VsI为该模式的光在少模光纤中传输的反斯托克斯光和斯托克斯光的频率，h为 普朗克常数，A Vl为该模式的光在少模光纤中产生的拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，a asl和 a sl分别为该模式的光在少模光纤中传输的反斯托克斯光和斯托克斯光的损耗系数，L为 光纤长度；
[0019] 任意温度T下两路雪崩光电二极管输出的比值为：
[0020] 根据式1和式2,获得温度分布曲线为：
[0021] 本申请有益效果如下：
[0022] 本申请提供的基于模式复用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。
[0023] 本申请提供的基于模式复用的拉曼分布式测温系统，光在少模光纤中传输的过程 中，部分模式的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。
[0024] 另外，本申请引入模式复用解复用器，采用一根传感光纤（少模光纤）即实现了多 通道的同时测量，使得测量时间大大降低。
【附图说明】
[0025] 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。
[0026]图1为本申请较佳实施方式一种基于模式复用的拉曼分布式测温系统的结构示 意图。
【具体实施方式】
[0027] 本申请实施例通过提供一种基于模式复用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。
[0028] 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：
[0029] 本申请提供一种基于模式复用的拉曼分布式测温系统，所述测温系统包括：
[0030] 脉冲激光器，用于发出脉冲激光；
[0031] 模式复用解复用器，通过单模光纤与所述脉冲激光器连接，接收所述脉冲激光，将 接收的脉冲激光变换为m路等功率的光，进行模式复用，并输出；
[0032] 少模光纤，与所述模式复用解复用器连接，接收所述模式复用解复用器输出的m 路光，所述m路光激励少模光纤中的指定的m个模式，在所述少模光纤中传播，并产生背向 散射光，背向散射光反向传输进入所述模式复用解复用器，所述模式复用解复用器将散射 光分解为m个散射光并输出；
[0033] m个拉曼滤波器，分别通过单模光纤与所述模式复用解复用器连接，所述拉曼滤波 器接收所述m个散射光，并将拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤波后输出；
[0034] 2m个光电转换模块，分别与所述m个拉曼滤波器连接，接收对应的拉曼滤波器输 出的m路拉曼斯托克斯散射光和m路拉曼反斯托克斯散射光，进行光电转换，并输出电信 号；
[0035] 信号处理器，对所述2m个光电探测器的输出电信号进行处理，得到温度信息。
[0036] 本申请提供的基于模式复用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。
[0037] 本申请提供的基于模式复用的拉曼分布式测温系统，光在少模光纤中传输的过程 中，部分模式的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。
[0038] 另外，本申请引入模式复用解复用器，采用一根传感光纤（少模光纤）即实现了多 通道的同时测量，使得测量时间大大降低。
[0039] 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。
[0040] 本申请提供一种基于模式复用的拉曼分布式测温系统，如图1所示，为本申请较 佳实施方式一种基于模式复用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 冲激光器11、模式复用解复用器12、少模光纤13、m个拉曼滤波器17、2m光电转换模块14、 信号处理器15和同步源16。
[0041] 所述脉冲激光器11用于发出脉冲激光。所述脉冲激光器11可以为全光纤的脉 冲激光器，或集成化的半导体脉冲激光器。在本实施方式中，所述脉冲激光器11的波长为 1550ο
[0042] 所述模式复用解复用器12通过单模光纤与所述脉冲激光器连接，所述模式复用 解复用器12包括接口 Α、接口 B和m个接口 C，其中，接口 A连接单模光纤；接口 B连接所述 少模光纤13,接口 C连接单模光纤。
[0043] 所述模式复用解复用器12的工作原理如下，所述模式复用解复用器12从接口 A 接收所述脉冲激光器11的脉冲激光的输入，再将接收的脉冲激光变换为m路等功率的光， 进行模式复用，通过接口 B进入少模光纤13,同时激励少模光纤13中的指定的m个模式，在 所述少模光纤13中传播，并产生背向散射光，背向散射光反向传输进入所述模式复用解复 用器12,并且，所述模式复用解复用器12可以根据不同模式，将从少模光纤13中返回的散 射光分解为m路，通过m接口 C分别