CN111623902A - 基于强度调制啁啾脉冲压缩的分布式光纤拉曼温度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于强度调制啁啾脉冲压缩的分布式光纤拉曼温度传感器，包括依次相连的强度调制啁啾脉冲信号发生模块、传感光纤、光电探测模块和温度信号解析模块，其中：强度调制啁啾脉冲信号发生模块生成四部分强度调制啁啾脉冲信号并输出至传感光纤，经自发拉曼散射并在传感光纤的各个位置均产生背向传输的反斯托克斯光和斯托克斯光，籍由光电探测模块得到对应电信号，温度信号解析模块根据电信号进行模数转换及线性变换得到四部分拉曼散射光强数据，再经匹配滤波和解调计算得到光纤沿线的温度数据。本发明采用了强度调制啁啾脉冲压缩技术显著降低系统成本，实现较低成本高性能RDTS系统，并为高空间分辨率RDTS系统的实现奠定基础。

Description

基于强度调制啁啾脉冲压缩的分布式光纤拉曼温度传感器
技术领域
本发明涉及的是一种光纤传感领域的技术，具体是一种基于强度调制啁啾脉冲压缩的分布式光纤拉曼温度传感器。
背景技术
拉曼分布式温度传感器(RDTS)能够在整个传感光纤上获得各种测量信息。RDTS系统的定位原理基于光学时域反射仪(OTDR)，将光脉冲发送到光纤，然后检测并分析反向散射光。在 RDTS中，后向散射光由反斯托克斯、斯托克斯和瑞利散射光组成。反斯托克斯光的强度是温度相关的，而斯托克斯光的幅度几乎不受温度影响。因此，通过获得反斯托克斯光与斯托克斯光的比值，可以获得沿光纤的温度信息，并且可以消除局部损耗和激光功率变化对系统稳定性的影响。
在RDTS系统中，反斯托克斯光和斯托克斯光均非常弱。因此为了增加传感距离，通常使用高功率激光器或掺铒光纤放大器(掺铒光纤放大器)来增强发射到光纤中的光功率。增大脉冲宽度可以增加发射到光纤中的光功率，但系统空间分辨率会因此而恶化。另一方面，可以注入光纤中的最大光功率受到某些非线性效应例如受激拉曼散射(SRS)的限制。现阶段急需新的脉冲压缩调制格式，既能较好解决RDTS系统中空间分辨率与温度分辨率相互制约的问题，为实现高空间分辨率RDTS系统奠定基础；又可以避免Simplex编码技术中掺铒光纤放大器暂态效应对系统的影响，降低系统的成本。
发明内容
本发明针对现有RDTS系统中空间分辨率与温度分辨率相互制约以及已有的基于Simplex编码的系统受到掺铒光纤放大器暂态效应影响导致系统结构复杂的问题，提出一种基于强度调制啁啾脉冲压缩的分布式光纤拉曼温度传感器，采用了强度调制啁啾脉冲压缩技术显著降低系统成本，实现较低成本高性能RDTS系统，并为高空间分辨率RDTS系统的实现奠定基础。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于强度调制啁啾脉冲压缩技术的分布式光纤拉曼温度传感器，包括依次相连的强度调制啁啾脉冲信号发生模块、传感光纤、光电探测模块和温度信号解析模块，其中：强度调制啁啾脉冲信号发生模块生成四部分强度调制啁啾脉冲信号并输出至传感光纤，经自发拉曼散射并在传感光纤的各个位置均产生背向传输的反斯托克斯光和斯托克斯光，籍由光电探测模块得到对应电信号，温度信号解析模块根据电信号进行模数转换及线性变换得到四部分拉曼散射光强数据，再经匹配滤波和解调计算得到光纤沿线的温度数据。
所述的四部分强度调制啁啾脉冲信号分别为：
Figure RE-GDA0002578407420000021
Figure RE-GDA0002578407420000022
其中：τp为脉冲宽度，rect为矩形窗函数，f0为扫频中心频率，k为扫频速率。
所述的温度信号解析模块包括：模数转换单元、匹配滤波单元以及解调单元，其中：模数转换单元与光电探测模块的输出端相连并传输拉曼散射光波形信息，匹配滤波单元与模数转换单元的输出端相连并输出经过匹配滤波后的响应信号，解调单元与匹配滤波单元的输出端相连并输出温度信息。
技术效果
本发明整体解决了RDTS系统中空间分辨率与温度分辨率相互制约导致系统中空间分辨率与温度分辨率之间的固有矛盾、性能受到限制的问题以及基于Simplex编码的系统受到掺铒光纤放大器暂态效应影响，系统结构复杂且成本较高的问题。
与现有技术相比，本发明在空间分辨率与温度分辨率方面均有很好表现，可以满足绝大部分RDTS系统的工业需求；仅使用一个调制器与一个激光器，系统结构简单，成本低，测量速度快；首先在光的强度域内在RDTS系统中采用了强度调制啁啾脉冲压缩技术，有实现高空间分辨率RDTS系统的潜力。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2a和图2b为实施例效果示意图；
图中：1激光器、2偏振控制器、3阵列波导光栅、4波分复用器、5雪崩光电探测器、 6数据采集卡、7信号处理模块、8掺铒光纤放大器、9强度调制器、10传感光纤。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种温度传感系统，包括：依次相连组成环路的强度调制器9、掺铒光纤放大器8、波分复用器4、雪崩光电探测器5、数据采集卡6、信号处理模块7和任意信号发生器3，其中：激光器1输出波长为1550nm的激光至偏振控制器2，偏振控制器2输出1550nm的信号光至强度调制器9的光信号输入端，与此同时，任意信号发生器3输出强度啁啾调制的电信号至强度调制器9的调制信号接收端，强度调制器9对收到的1550nm 信号光根据任意信号发生器3输出的调制信号进行调制，得到四部分强度调制的啁啾脉冲信号并输出至掺铒光纤放大器8进行放大并输入波分复用器4；波分复用器4输出放大后的四部分强度啁啾调制光信号至传感光纤10，光信号在传感光纤10上发生自发拉曼散射并在传感光纤的各个位置均产生背向传输的反斯托克斯光和斯托克斯光后输出至雪崩光电探测器5，雪崩光电探测器5将光信号传感输出电信号至数据采集卡6进行模数转换得到四部分拉曼散射光强数据，信号处理模块7经匹配滤波和解调计算得到光纤沿线的温度数据。
所述的激光器1的波长为1550nm。
所述的波分复用器5的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm。
所述的雪崩光电探测器5的通道数为2。
所述的数据采集卡6的通道数为2。
所述的传感光纤10为单模光纤。
本实施例涉及上述系统的基于强度调制啁啾脉冲压缩的温度检测方法，包括如下实施步骤：
步骤一、搭建基于强度调制啁啾脉冲压缩技术的分布式光纤拉曼温度传感器系统；
步骤二、启动系统，激光器发出的激光经由阵列波导光栅控制的强度调制器调制成为四部分强度调制的啁啾脉冲信号；光信号经由掺铒光纤放大器放大后经波分复用器入射到传感光纤；光信号在传感光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得传感光纤的各个位置均产生背向传输的反斯托克斯光和斯托克斯光；其中四部分啁啾光脉冲信号为：
Figure RE-GDA0002578407420000031
Figure RE-GDA0002578407420000032
其中：τp为脉冲宽度，rect为矩形窗函数，f0为扫频中心频率，k为扫频速率。
步骤三、当外界的温度变化作用于传感光纤时，雪崩光电探测器采集得到四部分脉冲各自的拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光并通过数据采集卡进行模数转换及线性变换；
所述的线性变换是指：
Figure RE-GDA0002578407420000033
其中：Yk(t),k＝1,2,3,4分别为前所述的第一至第四部分光信号的反射信号，等效的入射光信号I(t)由前所述的四段入射光信号来表示，具体为：
Figure RE-GDA0002578407420000034
步骤四、信号处理模块根据步骤三得到的四部分拉曼散射光强数据进行匹配滤波和解调计算，得到光纤沿线的温度数据。
所述的匹配滤波是指：对拉曼散射光信号经过光电探测器转换所得到的电信号与本地匹配滤波器进行相关操作，从而得到实际的反射光强度
Figure RE-GDA0002578407420000035
其中：I*(-t)为匹配滤波器，该信号由调制信号I(t)的具体取值。
所述的解调计算是指：
Figure RE-GDA0002578407420000041
其中：T为待测光纤的温度值，k为玻尔兹曼常数，Δv为光纤的拉曼频移量，h为普朗克常数，pas(T)为待测光纤中测量时所接收到的反斯托克斯光强度，psT为待测光纤中接收到的斯托克斯光强度，pasT0为待测光纤温度为参考温度T0时接收到的反斯托克斯光强度，psT0为待测光纤温度为参考温度T0时接收到的斯托克斯光强度。
经过具体实际实验：室温20℃，光纤末端约100m长度置于水温为50℃的恒温水槽中；τp脉冲宽度选择为3us，扫频范围选择为70MHz，测温光纤长度为24km，在24km的测量距离上，实现了1.6m的空间分辨率和1.8℃的温度分辨率，实验数据图如图2a和图2b所示。
与现有技术相比，本装置中仅采用了一个强度调制器用来调制光信号，相比于其他基于编码的系统，具有成本较低的优势。在成本较低的同时，系统采用了新的基于强度调制啁啾脉冲信号的调制方法，实现了优秀的综合性能，在空间分辨率和温度分辨率等性能指标方面均有较好表现，1.6m的空间分辨率，1.8℃的温度分辨率在现有技术中均处于领先水平，相比同类型产品具有显著优势。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于强度调制啁啾脉冲压缩技术的分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于，包括：依次相连的强度调制啁啾脉冲信号发生模块、传感光纤、光电探测模块和温度信号解析模块，其中：强度调制啁啾脉冲信号发生模块生成四部分强度调制啁啾脉冲信号并输出至传感光纤，经自发拉曼散射并在传感光纤的各个位置均产生背向传输的反斯托克斯光和斯托克斯光，籍由光电探测模块得到对应电信号，温度信号解析模块根据电信号进行模数转换及线性变换得到四部分拉曼散射光强数据，再经匹配滤波和解调计算得到光纤沿线的温度数据；
所述的四部分强度调制啁啾脉冲信号分别为：
Figure FDA0002525744880000011
Figure FDA0002525744880000012
其中：τp为脉冲宽度，rect为矩形窗函数，f0为扫频中心频率，k为扫频速率。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼温度传感器，其特征是，所述的温度信号解析模块包括：模数转换单元、匹配滤波单元以及解调单元，其中：模数转换单元与光电探测模块的输出端相连并传输拉曼散射光波形信息，匹配滤波单元与模数转换单元的输出端相连并输出经过匹配滤波后的响应信号，解调单元与匹配滤波单元的输出端相连并输出温度信息。
3.根据权利要求1或2所述的分布式光纤拉曼温度传感器的基于强度调制啁啾脉冲压缩的温度检测方法，其特征在于，包括如下实施步骤：
步骤一、搭建基于强度调制啁啾脉冲压缩技术的分布式光纤拉曼温度传感器系统；
步骤二、启动系统，激光器发出的激光经由阵列波导光栅控制的强度调制器调制成为四部分强度调制的啁啾脉冲信号；光信号经由掺铒光纤放大器放大后经波分复用器入射到传感光纤；光信号在传感光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得传感光纤的各个位置均产生背向传输的反斯托克斯光和斯托克斯光；其中四部分啁啾光脉冲信号为：
Figure FDA0002525744880000013
Figure FDA0002525744880000014
其中：τp为脉冲宽度，rect为矩形窗函数，f0为扫频中心频率，k为扫频速率；
步骤三、当外界的温度变化作用于传感光纤时，雪崩光电探测器采集得到四部分脉冲各自的拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光并通过数据采集卡进行模数转换及线性变换；
步骤四、信号处理模块根据步骤三得到的四部分拉曼散射光强数据进行匹配滤波和解调计算，得到光纤沿线的温度数据。
4.根据权利要求3所述的温度检测方法，其特征是，所述的线性变换是指：
Figure FDA0002525744880000021
Figure FDA0002525744880000022
其中：Yk(t),k＝1,2,3,4分别为前所述的第一至第四部分光信号的反射信号，等效的入射光信号I(t)由前所述的四段入射光信号来表示，具体为：
Figure FDA0002525744880000023
5.根据权利要求3所述的温度检测方法，其特征是，所述的匹配滤波是指：对拉曼散射光信号经过光电探测器转换所得到的电信号与本地匹配滤波器进行相关操作，从而得到实际的反射光强度
Figure FDA0002525744880000024
其中：I*(-t)为匹配滤波器，该信号由调制信号I(t)的具体取值。
6.根据权利要求3所述的温度检测方法，其特征是，所述的解调计算是指：
Figure FDA0002525744880000025
Figure FDA0002525744880000026
其中：T为待测光纤的温度值，k为玻尔兹曼常数，Δv为光纤的拉曼频移量，h为普朗克常数，pas(T)为待测光纤中测量时所接收到的反斯托克斯光强度，psT为待测光纤中接收到的斯托克斯光强度，pasT0为待测光纤温度为参考温度T0时接收到的反斯托克斯光强度，psT0为待测光纤温度为参考温度T0时接收到的斯托克斯光强度。
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