专利名称：超远程100km全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器领域，尤其是分布式光纤瑞利与拉曼散射应变、温度传感
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背景技术：
长期以来，国内外在工程领域，大型土木建筑、桥粱、隧道、石化管道、储油罐和电 力电缆主要使用电学应变片和热敏电组作为应变和温度传感器，每个传感器均需连电线， 组成大型检测网络，结构很复杂，这类传感器本身带电，本质上是不安全的，易受电磁干扰， 不耐腐蚀，也不能定位，不适合于恶劣环境中使用，更不适合于应用地质灾害和火灾的现 场。近年来发展起来的光纤传感器网能实现大型土木工程、电力工程、石化工业，交通 桥梁，隧道，地铁站，大坝、大提和矿业工程等安全健康监控和灾害的预报和监测。光纤传感 器有两大类一类是以光纤光栅(FBG)和光纤法白(F-P)等点式传感器“挂”(布设)在光 纤上，采用光时域技术组成的准分布式光纤传感器网络，准分布式光纤传感器网的主要问 题是在点式传感器之间的光纤仅是传输介质，因而存在检测“盲区”；另一类利用光纤的本 征特性，光纤瑞利、拉曼和布里渊散射效应，采用光时域(OTDR)技术组成的全分布光纤传 感器网，测量应变和温度。全分布光纤传感器网中的光纤既是传输介质又是传感介质，不存 在检测盲区。张在宣提出的《全分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器》(中国专利 ZL200910099463. 7)提供了一种成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好的分布式光纤瑞利 与拉曼散射光子应变、温度传感器，适用于中、短程0-15km全分布式光纤传感网的检测范 围。但已不能完全满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对远程、超远程全 分布式光纤瑞利、拉曼和布里渊散射应变、温度传感网的迫切需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用光纤拉曼放大技术的低成本、结构简单、信噪比好， 可靠性好的超远程IOOkm全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器。本发明的超远程IOOkm全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，包括光纤脉冲激光 器，集成型光纤波分复用器，光纤窄带反射滤光片，光纤分路器，光纤拉曼激光器，IOOkm传 感光纤，光电接收模块，数字信号处理器和工控机。集成型光纤波分复用器具有四个端口， 其中1550nm输入端口与光纤脉冲激光器相连，COM输出端口通过光纤滤光片与光纤分路器 的输入端相连，1450nm输出端口和1550nm输出端口分别与光电接收模块的两个输入端相 连，光纤分路器的一个输出端与光纤拉曼激光器相连，光纤分路器的另一个输出端接传感 光纤，光电接收模块的两个输出端分别与数字信号处理器两个输入端口相连，数字信号处 理器将采集、累加的信号经过工控机解调处理，获得IOOkm传感光纤所在现场的应变、温度 信息并传送给远程监控网。
上述的脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为0. lnm，激光脉冲宽度为 10ns，峰值功率为1-100W可调，重复频率为500Hz-20KHz可调。上述的光纤拉曼激光器为连续激光器，它的中心波长为1465nm，光谱宽度为 0. Inm,功率0-1. 5W可调。光纤拉曼激光器与IOOkm传感光纤构成一个前向泵浦的C波段 光纤拉曼放大器。上述的光纤滤光片的中心波长为1465nm，光谱宽度为0. 3nm,对1465nm瑞利散射 光的隔离度> 45dB。光纤窄带反射滤光片抑制1465nm光纤拉曼激光器在传感光纤中的背 向瑞利散射，避免瑞利散射光干扰传感光纤中1450nm波段的反斯托克斯拉曼散射的影响。上述的传感光纤为100km G652通信单模光纤。光脉冲激光器发出激光脉冲进入传感光纤，在传感光纤中产生的背向瑞利散射、 斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波，背向瑞利散射、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射 光子波，经由光纤拉曼激光器与IOOkm传感光纤构成前向泵浦的C波段光纤拉曼放大器放 大后，由集成型光纤波分复用器分束，带有应变信息的背向瑞利散射光和带有温度信息的 反斯托克斯拉曼散射光波分别经光电接收模块，将光信号转换成模拟电信号并放大，由瑞 利散射光的强度比得到应变的信息，给出传感光纤上各应变探测点的应变，应变变化速度 和方向；由反斯托克斯拉曼散射光与瑞利散射光的强度比，扣除应变的影响得到光纤各段 的温度信息，各感温探测点的温度，温度变化速度和方向，应变与温度的检测不存在交叉效 应，利用光时域反射对传感光纤上的检测点定位(光纤雷达定位)。通过数字信号处理器与 应变、温度解调软件解调并对应变与温度测进行定标，在60秒内得到IOOkm传感光纤上各 点应变与温度变化量，测温精度士2°C，由计算机通讯接口、通讯协议进行远程网络传输，当 传感光纤上检测点达到设定的应变或温度报警设定值时，向报警控制器发出报警信号。光纤拉曼频移器的工作原理光纤拉曼频移器有单模光纤和宽带1660nm滤光器组成。当激光入射到单模光 纤，激光与光纤分子的非线性相互作用，入射光子被一个光纤分子散射成另一个斯托克斯 光子或反斯托克斯光子，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，放出一个声子称为斯托 克斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子，光纤分子的声子频率为 13. 2THz。当入射的1550nm激光功率达到一定阈值后，产生放大的斯托克斯拉曼散射光，光 频移了 13. 2THz，获得了宽光谱带1660nm光，经1660nm滤光器后作为拉曼相关光源的主光 源。分布式光纤拉曼放大器原理当入射激光Vtl与光纤分子产生非线性相互作用散射，放出一个声子称为斯托克 斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子Δν，光纤分子的声子频率为 13. 2ΤΗζ0ν = ν0 士 Δ ν(1)放大器的开关增益为Ga = exp (gEP0Leff/Aeff) (2)其中Ptl = I0Aeff是放大器的泵浦光输入功率，gE是拉曼增益系数Arff是光纤的有 效截面，Leff为光纤的有效作用长度(考虑了光纤对泵浦的吸收损耗)，其表达式如下
权利要求
1.超远程IOOkm全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是包括光纤脉冲激光器 (10)，集成型光纤波分复用器(11)，光纤窄带反射滤光片(12)，光纤分路器(13)，光纤拉 曼激光器(14)，IOOkm传感光纤(15)，光电接收模块(16)，数字信号处理器(17)和工控机 (18)。集成型光纤波分复用器(11)具有四个端口，其中1550nm输入端口与光纤脉冲激光器 (10)相连，COM输出端口通过光纤滤光片(12)与光纤分路器(13)的输入端相连，1450nm输 出端口和1550nm输出端口分别与光电接收模块(16)的两个输入端相连，光纤分路器(13) 的一个输出端与光纤拉曼激光器(14)相连，光纤分路器(1 的另一个输出端接传感光纤 (15)，光电接收模块(16)的两个输出端分别与数字信号处理器(17)两个输入端口相连，数 字信号处理器(17)将采集、累加的信号经过工控机(18)解调处理，获得IOOkm传感光纤 (15)所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。
2.根据权利要求1所述的超远程IOOkm全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征 是脉冲激光器(11)的中心波长为1550nm，光谱宽度为0. lnm，激光脉冲宽度为10ns，峰值功 率为1-100W可调，重复频率为500Hz-20KHz可调。
3.根据权利要求1所述的超远程IOOkm全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征 是光纤拉曼激光器(14)为连续激光器，它的中心波长为1465nm，光谱宽度为0. lnm，功率 0-1. 5W 可调。
4.根据权利要求1所述的超远程IOOkm全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征 是光纤窄带反射滤光片(12)的中心波长为1465nm，光谱宽度为0. 3nm，对1465nm瑞利散射 光的隔离度> 45dB。
5.根据权利要求1所述的超远程IOOkm全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征 是传感光纤(1 为100km G652通信单模光纤。
全文摘要
本发明公开的超远程100km全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，包括光纤脉冲激光器，集成型光纤波分复用器，光纤窄带反射滤光片，光纤分路器，光纤拉曼激光器，100km传感光纤，光电接收模块，数字信号处理器和工控机。该传感器采用分布式光纤拉曼放大器，将带有应变信息的探测激光在传感光纤中产生背向瑞利散射信号放大，并放大了带有温度信息的背向反斯托克斯散射信号，提高了传感器系统的信噪比，增加了传感器的测量长度，提高了传感器的可靠性和空间分辨率，在测量现场温度的同时能测量现场的形变、裂缝和温度并且互不交叉。具有成本低、寿命长、结构简单、信噪比好等特点，适用于超远程100公里范围内石化管道、隧道、大型土木工程监测和灾害预报监测。
文档编号G01B11/16GK102080954SQ201010566550
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者张在宣, 王剑锋, 金尚忠 申请人:中国计量学院