进入所述m个拉曼滤波器17。在本实施例中，少模光纤 13支持η种模式，其中，η大于等于m。
[0044] 所述少模光纤13作为传感光纤，能够支持两种以上空间模式的少模光纤，脉冲激 光在少模光纤中只以基模LPOl状态传播。脉冲激光在少模光纤13内以基膜LPOl状态传 播的过程中，不断产生背向散射，背向散射光返回到所述模式复用解复用器12,经过所述模 式复用解复用器12的接口 C输入到拉曼滤波器17。所述少模光纤13在激励其基模的情况 下，基模的模场面积比普通单模光纤的模场面积大，且模间色散远小于普通多模光纤。
[0045] 所述m个拉曼滤波器17分别通过单模光纤与所述模式复用解复用器12的m个接 口 C连接。m路散射光分别进入所述m个拉曼滤波器17。所述拉曼滤波器17能够将拉曼 斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分别滤波后输出到所述光电转换模块14。拉曼斯托克斯光 频率比信号光频率低10-13THZ，拉曼反斯托克斯光频率比信号光频率高10-13THZ。拉曼滤 波器17的通带范围分别为1450nm波段范围和1660nm波段范围。
[0046] 2m光电转换模块14分别与所述m个拉曼滤波器17连接，用于对对应的拉曼滤波 器输出的m路拉曼斯托克斯光和m路拉曼反斯托克斯光进行光电转换，获得2m个输出电信 号。
[0047] 所述信号处理器15与所述2m个光电转换模块14连接，用于对2m个输出电信号 进行处理，得到少模光纤13中的温度分布信息。
[0048] 所述同步源16连接所述信号处理器15和脉冲激光器11，用于脉冲激光器11和信 号处理器15之间的同步触发。
[0049] 所述测温系统具体工作过程如下：所述脉冲激光器11发出脉冲激光，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分别进入所述m个拉曼滤波器17。 通过拉曼滤波器17滤出拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光，并分别输出给对应的电转 换模块14,进行光电转换，所述信号处理器15对光电探测器14的输出信号进行处理，得到 温度信息。
[0050] 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。本申请 所用的光源和接收光器件均为单模器件。
[0051] 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。
[0052] 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。
[0053] 本申请还提供一种测温方法，应用于上述的基于模式复用的拉曼分布式测温系统 中。根据利用拉曼斯托克斯散射和拉曼反斯托克斯散射双路解调的拉曼测温原理可以得到 信号处理的以下步骤：
[0054] 首先，针对某个模式的拉曼散射信号而言，对拉曼测温系统进行温度标定，在参考 温度T。下整段少模光纤中，光电转换模块14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：
[0055]
(1 !
[0056] 其中Kasl和K sl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，Vasl和V sl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asl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。
[0057] 接着求得任意温度T下两路雪崩光电二极管输出的比值为：
[0058]
(2：)
[0059] 从上述（1) (2)两式中可以得到：
[0060]
(3 )
[0061] 可以求得温度分布曲线为：
[0062]
(4)：
[0063] 定义通过两个光电探测器探测到的拉曼反斯托克斯光和斯托克斯光功率的比值 RCT)为： CN 105136337 A I兄明书 6/6 页
[0064]
(5)
[0065] 通过（1)式参考温度T。、（4)式和（5)式，通过测定反斯托克斯光和斯托克斯光功 率的比值R 1 (T)，可以得到由C端口输出的模式的光测得的光纤链路中的温度分布。
[0066] 同理，对不同模式中的拉曼散射信号进行处理，可以同时得到另一组光纤链路中 的温度分布。在同时获得m组光纤链路中的分布情况之后，可以通过加权平均的方式消除 链路中噪声带来的影响，大大缩短测量时间。
[0067] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造 性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优 选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0068] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种基于模式复用的拉曼分布式测温系统，其特征在于，所述测温系统包括： 脉冲激光器，用于发出脉冲激光； 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； 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； 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； 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； 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。2. 如权利要求1所述的测温系统，其特征在于，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。3. 如权利要求1或2所述的测温系统，其特征在于，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。4. 如权利要求3所述的测温系统，其特征在于，所述脉冲激光器11的波长为1550。5. 如权利要求1所述的测温系统，其特征在于，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。6. -种测温方法，应用于如权利要求1-5中任一权利要求所述的测温系统中，其特征 在于，所述方法包括： 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Pasl (T。）和拉曼斯托克斯散射功率Psl (T。）的比值为：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，Vasl和Vsl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^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，aasl和asl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； 任意温度T下两路雪崩光电二极管输出的比值为：
【专利摘要】本发明公开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：脉冲激光器；模式复用解复用器，将接收的脉冲激光变换为m路等功率的光，进行模式复用；少模光纤，接收所述模式复用解复用器输出的m路光，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；m个拉曼滤波器，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；2m个光电探测器，接收散射光进行光电转换，输出电信号；信号处理器，对输出电信号进行处理，得到温度信息。上述测温系统增加了测温系统的探测距离，提高了测温系统的空间分辨率。
【IPC分类】G01K11/32
【公开号】CN105136337
【申请号】CN201510282098
【发明人】汪若虚, 唐明, 付松年, 吴昊
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年5月28日