专利名称：一种融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程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：
本实用新型涉及光纤传感器领域，尤其是融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器。
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。张在宣等提出的《一种融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，CN201885733U》，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、远程15-60km全分布式光纤传感网的检测范围。但已不能满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，对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。
发明内容本实用新型的目的是提供一种成本低、结构简单、信噪比好、可靠性好、适用于 80km全分布式光纤传感网检测范围的融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器。本实用新型的融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，包括脉冲编码光纤激光器驱动电源，脉冲编码光纤脉冲激光器、由单模光纤和 1660nm带通滤光片组成的光纤拉曼频移器、集成型光纤波分复用器、传感光纤、光电接收模块、编码解码解调数字信号处理器和工控机，编码解码解调数字信号处理器的一个信号输出端与脉冲编码激光器驱动电源相连，另一个信号输出端与与工控机连接，由编码解码解调数字信号处理器产生的时间序列脉冲编码信号控制脉冲编码激光器驱动电源，驱动脉冲编码光纤激光器产生时间序列编码的1550nm激光脉冲，作为拉曼频移器的泵浦源，单模光纤的输入端与脉冲编码光纤脉冲激光器的输出端相连，由单模光纤和1660nm带通滤光片组成的光纤拉曼频移器，将1550nm时间序列编码的激光脉冲频移到1660nm，集成型光纤波分复用器具有四个端口，其中1660nm输入端口与1660nm带通滤光片相连，COM输出端口与传感光纤相连，1550nm输出端口与光电接收模块的一个输入端相连，1660nm输出端口与光电接收模块另一输入端相连，光电接收模块的两个输出端分别与编码解码解调数字信号处理器的两个输入端口相连。本实用新型中，所说的脉冲编码光纤脉冲激光器由F-P半导体激光器和掺饵光纤放大器组成，中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。本实用新型中，所说的带通滤光片的中心波长为1660nm，光谱带宽^nm,透过率 98%，对1550nm激光的隔离度>45dB。单模光纤可以采用600m、900 m或1200 m单模光纤。本实用新型中，所说的编码解码解调数字信号处理器采用嵌入式设计，由以 ADS62P49采集芯片为核心的高速采集器和以ADSP-BF561芯片为核心的高速数字处理器组成。本实用新型中，所说的传感光纤为80km通信用G652单模光纤或色散位移光纤或碳涂复单模光纤。碳涂覆单模光纤是一种在拉丝过程中，于裸光纤表面上沉积一层35 70nm厚的致密碳膜，然后再涂覆一层紫外固化有机涂料，致密碳膜可大大增强在恶劣环境下对裸光纤的保护，保障其耐久性，传感光纤铺设在现场，该光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀，可靠性好，光纤既是传输介质又是传感介质。 脉冲编码光纤脉冲激光器发出时间序列编码激光脉冲进入光纤拉曼频移器，光纤拉曼频移器将1550nm波段的时间序列编码激光脉冲的频率频移13. 2THz到1660nm波段， 作为全分布式光纤传感器的宽帶泵浦光源。宽带光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入传感光纤，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并进行放大，经集成型光纤波分复用器分朿，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子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， 经编码解码解调数字信号处理器和工控机解码解调处理后，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)。通过编码解码解调数字信号处理器与应变、温度解调软件解码解调，在60秒内得到80km传感光纤上各点应变与温度变化量，测温精度士2°C，由工控机通讯接口、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。采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器的编码解码原理本传感器的序列脉冲编码是通过S矩阵转换来实现的，S矩阵转换是标准哈达马得(Hadamard)转换的一种变式，也可称为哈达马得转换。S矩阵的元素均由“0”和“1”组成，这一特点很适用于激光序列脉冲编码，在实际应用中可用“0”代表激光器关闭，用“ 1，， 代表激光器开启。这种采用“0”、“1”的编码方式又可称为简单编码。而解码的过程是对应的逆S矩阵转换。[0014]由编码原理推导得知，采用N位的序列脉冲编码解码可获得的信噪比改善为
mr N+\SNRn = -J=(1)
2^ N由⑴式可知，信噪比改善随着编码位数的提高而提高。
255 ι 1当N 取 255 时SNR255 = j rn 8.02
2λ/255光纤传感器的空间定位分辨率由单位的窄脉冲宽度决定，由于采用多脉冲发射， 在提高发射光子数的同时又可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，并且不必提高单个激光脉冲的峰值功率从而又有效地防止了光纤非线性效应造成OTDR曲线的变形。光纤拉曼频移器原理当入射激光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ν = νο-Δ ν，吸收一个声子，称为反斯托克斯拉曼散射光子ν = ν。+Δ V， 光纤分子的声子频率Δ ν为13. 2ΤΗζ。ν = Λ ν(2)叫做光纤拉曼频移，可制作成光纤拉曼频移器。如果入射激光超过一定的阈值，在光纤里的斯托克斯波V = Vtl-A ν在光纤介质内快速增加，大部分泵浦光的功率都可以转换成斯托克斯光，并有拉曼放大作用，增益可以抑制光纤的传输损耗，提高全分布式光纤应变、温度传感器的工作距离，这种受激拉曼散射现象成为光纤拉曼频移器的工作原理。分布式光纤瑞利散射光子传感器测量形变的原理脉冲编码光纤脉冲激光器发出时间序列激光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入传感光纤，激光与光纤分子的相互作用，产生与入射光子同频率的瑞利散射光，瑞利散射光在光纤中传输存在损耗，随光纤长度而指数式衰减，背向端利散射光强用下式表示= /0 · Vq exp (- 2c%￡)(3)上式中为入射到光纤处的光强，Z为光纤长度，/为背向瑞利散射光在光纤长度 L处的光强，珥为入射光频率处的光纤传输损耗。由于光纤将传感光纤铺设在检测现场，当现场环境产生形变或裂纹时，造成铺设在现场的光纤发生弯曲，光纤产生局部损耗，形成光纤的附加损耗Δα·，则总损耗
^= +Δα,局域处的光强有一个跌落，光强由/(/)减少为/'(i),形变造成的附加损耗通过光强的改变进行测量。
、 ι , 4!)Δω. = —log -ii(4)
22i fj' B形变或裂纹大小与光纤损耗的关系采用仿真模型计算并在实验室进行摸拟试验测量获得。分布式光纤拉曼散射光子传感器测量温度的原理当入射激光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，光纤分子的声子频率为 13. 2THz。光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼(Boltzmarm)定律，在光纤里反斯托克斯背向拉曼散射光强为
权利要求1.一种融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器， 其特征是包括脉冲编码光纤激光器驱动电源(10)，脉冲编码光纤脉冲激光器(11 )、由单模光纤(12)和1660nm带通滤光片(13)组成的光纤拉曼频移器、集成型光纤波分复用器(14)、 传感光纤(15)、光电接收模块(16)、编码解码解调数字信号处理器(17)和工控机(18)，编码解码解调数字信号处理器(17)的一个信号输出端与脉冲编码激光器驱动电源(10)相连，另一个信号输出端与与工控机(18)连接，由编码解码解调数字信号处理器(17)产生的时间序列脉冲编码信号控制脉冲编码激光器驱动电源(10)，驱动脉冲编码光纤激光器 (11)产生时间序列编码的1550nm激光脉冲，作为拉曼频移器的泵浦源，单模光纤(12)的输入端与脉冲编码光纤脉冲激光器(11)的输出端相连，由单模光纤(1 和1660nm带通滤光片(13)组成的光纤拉曼频移器，将1550nm时间序列编码的激光脉冲频移到1660nm，集成型光纤波分复用器(14)具有四个端口，其中1660nm输入端口与1660nm带通滤光片(13)相连，COM输出端口与传感光纤(15)相连，1550nm输出端口与光电接收模块(16)的一个输入端相连，1660nm输出端口与光电接收模块(16)另一输入端相连，光电接收模块(16)的两个输出端分别与编码解码解调数字信号处理器(17)的两个输入端口相连。
2.根据权利要求1所述的融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征脉冲编码光纤脉冲激光器(11)由F-P半导体激光器和掺饵光纤放大器组成，中心波长为1550nm，光谱宽度为3nm，激光的单位脉冲宽度<6ns。
3.根据权利要求1所述的融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是1660nm带通滤光片(13)的中心波长为1660nm，光谱带宽 28nm,透过率98%，对1550nm激光的隔离度>45dB。
4.根据权利要求1所述的融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是单模光纤(12)为600m、900 m或1200 m单模光纤。
5.根据权利要求1所述的融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是传感光纤(15)是80km通信用G652单模光纤或色散位移光纤或碳涂复单模光纤。
6.根据权利要求1所述的融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，其特征是编码解码解调数字信号处理器(17)由以ADS62P49采集芯片为核心的高速采集器和以ADSP-BF561芯片为核心的高速数字处理器组成。
专利摘要本实用新型公开的融合光纤拉曼频移器的脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器，包括脉冲编码光纤激光器驱动电源，脉冲编码光纤脉冲激光器、由单模光纤和1660nm带通滤光片组成的光纤拉曼频移器、集成型光纤波分复用器、传感光纤、光电接收模块、编码解码解调数字信号处理器和工控机。该传感器基于光纤拉曼频移器原理、脉冲编码原理、光纤瑞利与拉曼融合散射传感原理，利用光时域反射原理对测点进行定位。本实用新型的传感器成本低、寿命长、结构简单、信噪比好，可靠性好，适用于远程、超远程80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G01K11/32GK202182726SQ20112028649
公开日2012年4月4日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者余向东, 康娟, 张在宣, 李晨霞, 王剑锋, 金尚忠 申请人:中国计量学院