专利名称：融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器领域，尤其涉及一种分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器。
背景技术：
近年来发展起来的光纤传感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、大堤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》(中国发明专利，专利号200910099463. 7，2010年9月29日授权)提供了一种结构简单、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
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器，本发明为结构简单、信噪比好、可靠性好的超远程IOOkm分布式光纤瑞利与拉曼散射光子应变、温度传感器。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器，包括光纤脉冲激光器，光纤拉曼频移器由单模光纤和1660nm 激光片组成，光纤波分复用器，光纤耦合器，光纤拉曼激光器，传感光纤，光纤窄带反射滤光器，光电接收模块，数字信号处理器和工控机。光纤脉冲激光器发出激光进入光纤拉曼频移器，经频移13. 2THz到1660nm波段,作为宽光谱光源激光进入光纤波分复用器,光纤波分复用器具有四个端口，它的输入端口与光纤拉曼频移器输出端口相连，COM输出端口经光纤窄带反射滤光器和光纤耦合器与传感光纤相连；光纤拉曼激光器，光纤耦合器与传感光纤组成C波段光纤拉曼放大器,在传感光纤中产生的1660nm波段宽光谱反向瑞利散射光经 1450nm光纤窄带反射滤光器和光纤波分复用器的一个输出端口与光电接收模块的一个输入端口相连，经光电转换放大后输入数字信号处理器的一个端口 ；在传感光纤中产生的， 经拉曼放大器放大的1550nm波段宽光谱反向反斯托克斯拉曼散射光经1450nm光纤窄带反射滤光器和光纤波分复用器的另一个输出端口与光电接收模块的另一个输入端口相连，经光电转换放大后输入数字信号处理器的另一个端口，数字信号处理器与工控机相连。经数字信号处理器与工控机解调，利用光纤瑞利散射强度受光纤应变调制的原理，检测光纤的形变和断裂，基于光纤反斯托克斯拉曼光强度受光纤温度调制的原理，采用光纤反斯托克斯拉曼光强度与光纤瑞利散射光强度比检测光纤温度，并扣除应变的影响，相互间不存在交叉效应。所述的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤传感器，其特征是高功率脉冲激光器的中心波长为1550nm，光谱宽度为O. lnm，激光脉冲宽度为10_30ns可调，峰值功率为I-IkW可调，重复频率为500Ηζ_800Ηζ可调。所述的融合光纤拉曼频移器的超远程全分布式光纤传感器，其特征是采用光纤拉曼频移器，它由Ikm单模光纤和1660nm带通滤光片组成,滤光片中心波长为1660nm,光谱带宽28nm，透过率98%，对1550nm激光的隔离度>45dB。光纤拉曼频移器将1550nm波段光纤激光器频移13. 2THz到1660nm波段，并拓宽了激光的光谱带宽，作为全分布式光纤传感器的宽光谱光源。所述的融合光纤拉曼频移器，拉曼放大器的全分布式光纤传感器，其特征是光纤波分复用器，它具有1660nm激光输入端口，COM输出端口，1550nm输出端口和1660nm输出端口等四个端口。所述的融合光纤拉曼频移器，拉曼放大器的全分布式光纤传感器，其特征是光纤耦合器的一端与光纤拉曼激光器相连，另外两端分别与传感光纤和光纤窄带反射滤光器相连。所述的融合光纤拉曼频移器，拉曼放大器的全分布式光纤传感器，其特征是光纤拉曼激光器的中心波长为1450. Onm，光谱带宽O. lnm，输出功率100_1200mW可调，由光纤耦合器，光纤拉曼激光器和传感光纤构成C波段光纤拉曼放大器。所述的融合光纤拉曼频移器，拉曼放大器的全分布式光纤传感器，其特征是传感光纤采用IOOkm通信用G652单模光纤或LEAF光纤，特殊场合采用碳涂覆单模光纤。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无定形碳的特殊光纤。这种碳密封涂覆的技术解决了光纤由于静态疲劳引起的机械强度下降，以及由于氢气扩散进石英玻璃体内引起的传输损耗增加等长期可靠性问题。这种碳涂覆光纤可以在苛刻恶劣的环境中长期可靠的工作。碳涂覆光纤是在光纤的包层表面加一层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。所述的融合光纤拉曼频移器，拉曼放大器的全分布式光纤传感器其特征是光纤窄带反射滤光器的中心波长为1450. Onm，光谱带宽O. 5nm,反射率99%。所述的融合光纤拉曼频移器，拉曼放大器的全分布式光纤传感器，其特征是光电接收模块采用两路低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片 MAX4107和三级主放大器组成。光纤拉曼频移器工作原理
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△ V，光纤分子的声子频率为13.2THZ，入射激光V。，产生了频移
ν = ν0±Δν；(I)
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 V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，这种受激拉曼散射现象成为光纤拉曼频移器的工作原理。光纤拉曼频移器由 Ikm单模光纤它可以将1550nm光纤脉冲激光器和1660nm带通滤光片组成,将1550nm光纤脉冲激光转换为1660nm波段宽光谱拉曼激光。分布式光纤拉曼放大器工作原理放大器的开关增益为
权利要求
1.一种融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器，其特征在于，它包括光纤脉冲激光器(11)、、单模光纤(12)、1660nm激光片(13)、光纤波分复用器(14)、光纤率禹合器(15)、光纤拉曼激光器(16)、传感光纤(17)、光纤窄带反射滤光器(18)、光电接收模块(19)、数字信号处理器(20)和工控机(21)等；其中，单模光纤(12)和1660nm激光片(13)组成光纤拉曼频移器，光纤拉曼激光器(16)、光纤耦合器(15)与传感光纤(17)组成C波段光纤拉曼放大器；光纤脉冲激光器(11)发出激光进入光纤拉曼频移器，经频移 13. 2THz到1660nm波段,作为宽光谱光源激光进入光纤波分复用器(14),光纤波分复用器(14)具有四个端口，它的1660nm激光输入端口与光纤拉曼频移器输出端口相连，COM输出端口经光纤窄带反射滤光器(18)和光纤稱合器(15)与传感光纤(17)相连；在传感光纤 (17)中产生的1660nm波段宽光谱反向瑞利散射光经光纤窄带反射滤光器(18)和光纤波分复用器(14)的1660nm输出端口与光电接收模块(19)的一个输入端口相连,经光电转换放大后输入数字信号处理器(20)的一个端口 ；在传感光纤(17)中产生的经拉曼放大器放大的1550nm波段宽光谱反向反斯托克斯拉曼散射光经光纤窄带反射滤光器(18)和光纤波分复用器(14)的1550nm输出端口与光电接收模块(19)的另一个输入端口相连,经光电转换放大后输入数字信号处理器(20 )的另一个端口，数字信号处理器(20 )与工控机(21)相连。
2.根据权利要求I所述的融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器， 其特征在于，所述光纤脉冲激光器(11)的中心波长为1550nm，光谱宽度为O. 2nm，激光脉冲宽度为10-30ns可调，峰值功率为100W可调，重复频率为500Ηζ_800ΚΗζ可调。
3.根据权利要求I所述的融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器， 其特征在于，所述光纤拉曼频移器由Ikm单模光纤(12)和1660nm激光片(13)组成,滤光片中心波长为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I所述的融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器，其特征在于，所述光纤波分复用器(14),它具有1660nm激光输入端口，COM输出端口， 1550nm输出端口和1660nm输出端口等四个端口。
5.根据权利要求I所述的融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器， 其特征在于，所述光纤拉曼激光器(16)的中心波长为1450. Onm，光谱带宽O. lnm，输出功率 100-1200mW 可调。
6.根据权利要求I所述的融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器， 其特征在于，所述传感光纤(17)采用IOOkm通信用G652单模光纤、LEAF光纤或碳涂覆单模光纤。
7.根据权利要求I所述的融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器， 其特征在于，所述光纤窄带反射滤光器(18)的中心波长为1450. Onm,光谱带宽O. 5nm,反射率 99%ο
8.根据权利要求I所述的融合光纤拉曼频移器，拉曼放大器的全分布式光纤传感器， 其特征在于，所述光电接收模块(19)采用两路低噪音的InGaAs光电雪崩二极管和低噪音宽带前置放大器集成芯片MAX4107和三级主放大器组成。
全文摘要
本发明公开了一种融合光纤拉曼频移器和拉曼放大器的全分布式光纤传感器；光纤脉冲激光器经光纤拉曼频移器频移13.2THz，产生1660nm波段宽光谱拉曼激光作为全分布式光纤传感器的宽光谱光源，入射传感光纤，由传感光纤反向瑞利散射强度比检测光纤的形变和断裂，传感光纤中产生的1550nm波段反斯托克斯拉曼散射经光纤拉曼放大器放大，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,应变与温度的检测不存在交叉效应，利用光时域反射技术对传感光纤上的检测点定位；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G01B11/16GK102589459SQ201210038828
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者余向东, 康娟, 张在宣, 张文平, 张文生, 李晨霞, 王剑锋, 金尚忠 申请人:中国计量学院