专利名称：分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及利用光纤拉曼散射原理与光时域反射技术相结合，沿光纤长度进 行温度测量的分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构。
背景技术：
光纤本身不带电，抗电磁、耐辐射、耐高电压、不产生电火花并且绝缘性能良好等 特点，使得光纤传感系统将成为传感器系统的主流，并逐步替代传统的传感器系统。光纤上 的物理量诸如压力、温度、湿度、电场、磁场等发生变化时，会引起光纤的物理特性发生变 化，从而使光纤中传导的光波产生各种光学效应，如散射、偏振、强度改变等等。通过检测 光纤中光波的变化，实现对温度、压力、形变、水位等物理量的检测。近年光电子器件的迅猛 发展，特别是半导体激光器、波分复用和光耦合技术、光电信号的探测与处理等等技术的发 展，使光纤用来做分布式传感器系统成为了现实。1980年罗杰斯首次提出了利用光时域反射(OTDR)原理和光纤的背向拉曼散射温 度效应，来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到纤维波导中去时，利用光 雷达原理，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰 减。当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均勻性，会产生瑞 利(Rayleigh)散射。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光 纤中所走过的路程为2L = vt。ν为光在光纤中传播的速度，ν = c/n，c为真空中的光速，η为 光纤的折射率。在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利(Rayleigh) 散射光。用光时域反射(OTDR)技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置，因 此也可称为光纤激光雷达。拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生一个比光源波长长的 光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes) 光。斯托克斯(Stokes)散射频率Js=Uq-AU (1)反斯托克斯(Anti-Stokes)散射频率=υ (2)其中，Δ υ 光纤的分子的振动频率，对于SiO2光纤Au= 1. 32X IO12Hz0利用改进的光时域反射(OTDR)技术探测喇曼散射，可以确定沿光纤长度上的温 度分布。在光纤L处局域的斯托克斯(Stokes)散射光子数为Ns = KsS υ s4Ncexp [- ( α 0+ α s) L] Rs (T) (3)在光纤L处局域的反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光子数为Na = KaS4v α Ncexp [- ( α 0+ α a) L] Ra (T) (4)其中，Ks，Ka 与光纤斯托克斯(Stokes)和反斯托克斯(Anti-Stokes)散射截面有 关的系数；S为光纤的背向散射因子；u s，u a 斯托克斯(Stokes)和反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光子频 率；Nc 在光纤入射端的激光脉冲光子数；T为绝对温度；α C1, α s，α a分别为入射、斯托克斯(Mokes)、反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光频率的光纤传输损耗；L为光纤待测局域处的 长度；RS (T)，Ra(T)与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，并有Rs(T) = [1-exp (-h Δ υ/kT) Γ1 (5)Ra(T) = [exp (h Δ u/kT)-l]_1 (6)其中h是普朗克常数；k是玻尔兹曼常数。解调方法传统的解调法是用斯托克斯(Stokes)散射光时域反射(OTDR)曲线解 调反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光时域反射(OTDR)曲线
权利要求1.分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构，包括激光光源、参考激光光源、传 感光纤、光波分复用器、双向耦合器、光雪崩管、放大器、信号采集卡、激光器驱动电路和计 算机，其特征在于计算机分别与激光器驱动电路和信号采集卡相连，激光器驱动电路分别 驱动控制激光光源和参考激光光源，激光光源或参考激光光源的分别依次发射脉冲激光和 参考脉冲激光依次经光波分复用器、双向耦合器到传感光纤，传感光纤输出的背向散射光 或参考背向散射光经双向耦合器回到光波分复用器，背向散射光经所述光波分复用器光学 滤波分离出带有温度信息的反斯托克斯拉曼背向散射光信号或参考背向散射光经光波分 复用器的光学滤波分离出不带有参考温度信息的瑞利背向散射光信号，光波分复用器的光 学滤波分离出光信号端与光雪崩管的输入端相连，光雪崩管的输出端与放大器的输入端相 连，放大器的输出端信号采集卡的输入端相连，信号采集卡的输出端与计算机相连。
专利摘要本实用新型涉及一种分布式光纤拉曼温度传感器的双光源光路结构，连接为计算机分别与激光器驱动电路和信号采集卡相连，激光器驱动电路分别控制激光光源和参考激光光源，激光光源或参考激光光源发射激光依次经光波分复用器、双向耦合器到传感光纤，传感光纤输出的背向散射光经双向耦合器到光波分复用器，背向散射光经光波分复用器光学滤波分离出的光信号输入光雪崩管，光雪崩管的输出端与放大器的输入端相连，放大器的输出端信号采集卡的输入端相连，信号采集卡的输出端与计算机相连。本实用新型利用参考激光光源把瑞利散射信号和拉曼散散信号区分开，保持瑞利散射信号的稳定，提高系统的信噪比，改善测温精度和测量距离范围，提高系统的稳定性能。
文档编号G01K11/32GK201876324SQ20102060417
公开日2011年6月22日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者王一华, 许季青, 黄凡 申请人:湖北擎宇科技有限公司