專利名稱：一種光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖傳感器領域，尤其涉及ー種分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應變、溫度傳感器。
背景技術：
近年來發展起來的光纖傳感網能實現大型土木工程、電カ工程、石化エ業、交通橋梁、隧道、地鐵站、大壩、大堤和礦業工程等安全健康監控和災害的預報和監測。光纖傳感器有兩大類一類是以光纖光柵(FBG)和光纖法白(F-P)等點式傳感器“桂”(布設)在光纖上，采用光時域技術組成的準分布式光纖傳感器網絡，準分布式光纖傳感器網的主要問題是在點式傳感器之間的光纖僅是傳輸介質，因而存在檢測“盲區”;另ー類利用光纖的本征特性，光纖瑞利、拉曼和布里淵散射效應，采用光時域(OTDR)技術組成的全分布光纖傳感器網， 測量應變和溫度。全分布光纖傳感器網中的光纖既是傳輸介質又是傳感介質，不存在檢測盲區。張在宣提出的《全分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應變、溫度傳感器》(中國實用新型專利，專利號200910099463. 7，2010年9月29日授權)提供了ー種結構簡單、信噪比好，可靠性好的分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應變、溫度傳感器，適用于中、短程0-15km全分布式光纖傳感網的檢測范圍。但已不能完全滿足近年來石油管道、傳輸電力電纜的安全健康監測，對遠程、超遠程全分布式光纖瑞利、拉曼和布里淵散射應變、溫度傳感網的迫切需求。
實用新型內容本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提供一種光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，本實用新型為結構簡單、信噪比好、可靠性好的超遠程IOOkm分布式光纖瑞利與拉曼散射光子應變、溫度傳感器。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的一種光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，包括光纖脈沖激光器，光纖拉曼頻移器由單模光纖和1660nm激光片組成，光纖波分復用器，光纖耦合器，光纖拉曼激光器，傳感光纖，光纖窄帶反射濾光器，光電接收模塊，數字信號處理器和エ控機。光纖脈沖激光器發出激光進入光纖拉曼頻移器，經頻移13. 2THz到1660nm波段,作為寬光譜光源激光進入光纖波分復用器,光纖波分復用器具有四個端ロ，它的輸入端ロ與光纖拉曼頻移器輸出端ロ相連，COM輸出端ロ經光纖窄帶反射濾光器和光纖耦合器與傳感光纖相連；光纖拉曼激光器，光纖耦合器與傳感光纖組成C波段光纖拉曼放大器,在傳感光纖中產生的1660nm波段寬光譜反向瑞利散射光經1450nm光纖窄帶反射濾光器和光纖波分復用器的ー個輸出端ロ與光電接收模塊的ー個輸入端ロ相連，經光電轉換放大后輸入數字信號處理器的一個端ロ ；在傳感光纖中產生的，經拉曼放大器放大的1550nm波段寬光譜反向反斯托克斯拉曼散射光經1450nm光纖窄帶反射濾光器和光纖波分復用器的另ー個輸出端ロ與光電接收模塊的另ー個輸入端ロ相連，經光電轉換放大后輸入數字信號處理器的另ー個端ロ，數字信號處理器與エ控機相連。經數字信號處理器與エ控機解調，利用光纖瑞利散射強度受光纖應變調制的原理，檢測光纖的形變和斷裂，基于光纖反斯托克斯拉曼光強度受光纖溫度調制的原理，采用光纖反斯托克斯拉曼光強度與光纖瑞利散射光強度比檢測光纖溫度，并扣除應變的影響，相互間不存在交叉效應。所述的融合光纖拉曼頻移器的超遠程全分布式光纖傳感器，其特征是高功率脈沖激光器的中心波長為1550nm，光譜寬度為O. lnm，激光脈沖寬度為10_30ns可調，峰值功率為I-IkW可調，重復頻率為500Ηζ_800Ηζ可調。所述的融合光纖拉曼頻移器的超遠程全分布式光纖傳感器，其特征是采用光纖拉曼頻移器，它由Ikm單模光纖和1660nm帶通濾光片組成,濾光片中心波長為1660nm,光譜帶寬28nm，透過率98%，對1550nm激光的隔離度>45dB。光纖拉曼頻移器將1550nm波段光纖激光器頻移13. 2THz到1660nm波段，并拓寬了激光的光譜帶寬，作為全分布式光纖傳感器的寬光譜光源。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是光纖波分復用器，它具有1660nm激光輸入端ロ，COM輸出端ロ，1550nm輸出端口和1660nm輸出端ロ等四個端ロ。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是光纖耦合器的一端與光纖拉曼激光器相連，另外兩端分別與傳感光纖和光纖窄帶反射濾光器相連。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是光纖拉曼激光器的中心波長為1450. Onm，光譜帶寬O. lnm，輸出功率100_1200mW可調，由光纖耦合器，光纖拉曼激光器和傳感光纖構成C波段光纖拉曼放大器。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是傳感光纖采用IOOkm通信用G652單模光纖或LEAF光纖，特殊場合采用碳涂覆單模光纖。 碳涂覆單模光纖是ー種在拉絲過程中，于裸光纖表面上沉積ー層無定形碳的特殊光纖。這種碳密封涂覆的技術解決了光纖由于靜態疲勞引起的機械強度下降，以及由于氫氣擴散進石英玻璃體內引起的傳輸損耗增加等長期可靠性問題。這種碳涂覆光纖可以在苛刻惡劣的環境中長期可靠的工作。碳涂覆光纖是在光纖的包層表面加ー層35 70nm厚的致密碳膜，然后再涂覆ー層紫外固化有機涂料，致密碳膜可大大增強在惡劣環境下對裸光纖的保護，保障其耐久性，傳感光纖鋪設在現場，該光纖不帶電，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕，可靠性好，光纖既是傳輸介質又是傳感介質。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器其特征是光纖窄帶反射濾光器的中心波長為1450. Onm，光譜帶寬O. 5nm,反射率99%。所述的融合光纖拉曼頻移器，拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征是光電接收模塊采用兩路低噪音的InGaAs光電雪崩ニ極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片MAX4107和三級主放大器組成。光纖拉曼頻移器工作原理當入射激光Vtl與光纖分子產生非線性相互作用散射，放出ー個聲子稱為斯托克斯拉曼散射光子，吸收ー個聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子△ハ光纖分子的聲子頻率為13. 2THz，入射激光ν。，產生了頻移ν = V。土 Λ ν；(I)叫做光纖拉曼頻移，可制作成光纖拉曼頻移器。如果入射激光超過一定的閾值，在光纖里的斯托克斯波V = Vtl-A ν在光纖介質內快速増加，大部分泵浦光的功率都可以轉換成斯托克斯光，這種受激拉曼散射現象成為光纖拉曼頻移器的工作原理。光纖拉曼頻移器由Ikm單模光纖它可以將1550nm光纖脈沖激光器和1660nm帶通濾光片組成,將1550nm光纖脈沖激光轉換為1660nm波段寬光譜拉曼激光。分布式光纖拉曼放大器工作原理 放大器的開關增益為
Gjl = exp( ggPnL^ ! ) ；(2)其中，i| = 44f是放大器的泵浦光輸入功率，む是拉曼增益系數^是光纖的有效截面，為光纖的有效作用長度(考慮了光纖對泵浦的吸收損耗)，其表達式如下L@ = --[I — exp( -α)] .(3)
aP對于光纖拉曼放大器，泵浦功率只有超過某ー閾值時，才有可能會對信號產生受激拉曼放大，在光纖里的斯托克斯波V = Vtl-A ν在光纖介質內快速増加，大部分泵浦光的功率都可以轉換成斯托克斯光，并有拉曼放大作用，増益可以抑制光纖的傳輸損耗，提高全分布式光纖應變、溫度傳感器的工作距離，這種受激拉曼散射現象用來増加全分布式光纖傳感器的工作距離，通常光纖拉曼放大器的増益可達25dB，相當于增加傳感器的工作距離近 60km。分布式光纖瑞利散射光子傳感器測量形變的原理光纖脈沖激光器發出激光脈沖通過集成型光纖波分復用器射入傳感光纖，激光與光纖分子的相互作用，產生與入射光子同頻率的瑞利散射光，瑞利散射光在光纖中傳輸存損耗，隨光纖長度而指數式衰減，背向端利散射光強用下式表示= Z0 ·V0* esp(- 2qj￡)；(4)上式中，4為入射到光纖處的光強，L為光纖長度，I為背向瑞利散射光在光纖長度Z處的光強，％為入射光波長處的光纖傳輸損耗。由于光纖將傳感光纖鋪設在檢測現場，當現場環境產生形變或裂紋時，造成鋪設在現場的光纖發生彎曲，光纖產生局部損耗，形成光纖的附加損耗Δα·，則總損耗a = a^ka,局域處的光強有ー個跌落，光強由/⑴減少為I' (/),形變造成的附加損耗通過光強的改變進行測量
關 ^4iogl|;(5)形變或裂紋大小與光纖損耗的關系采用仿真模型計算并在實驗室進行摸擬試驗測量獲得。[0033]分布式光纖拉曼散射光子傳感器測量溫度的原理當入射激光與光纖分子產生非線性相互作用散射，放出ー個聲子稱為斯托克斯拉曼散射光子，吸收ー個聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子，光纖分子的聲子頻率為13. 2THz。光纖分子能級上的粒子數熱分布服從波爾茲曼(Boltzmann)定律,在光纖里反斯托克斯背向拉曼散射光強為Ia = I0 · (T)exp[- {aQ + aj·L] ；(6)它受到光纖溫度的調制，溫度調制函數兄 RA^) = [exvihAv I kT") -1]'1；(7)h是波朗克(Planck)常數，Λ ν是一光纖分子的聲子頻率，為13. 2THz, k是波爾茲曼常數，T是凱爾文(Kelvin)絕對溫度。在本實用新型中采用光纖瑞利通道做參考信號，用反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光強度的比值來檢測溫度
T (T) V- Λ,—-= (―) ·62φ[(Μ ν/kTj-l] · txpi-(a.-%)·￡] .(8)
i^t) ν + ' ' ’由光纖拉曼光時域反射(OTDR)曲線在光纖檢測點的反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光強度比，扣除應變的影響得到光纖各段的溫度信息。本實用新型的有益效果在干本實用新型的融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器融合光纖拉曼頻移器，將激光移到1660nm波段并具有28nm寬的光譜，抑制了相干噪聲并將傳感光纖中帶有溫度信息的反斯托克斯拉曼光，移到1550nm光纖低損耗波段，提高了傳感器系統的信噪比；融合了 C波段光纖拉曼放大器，放大了 1550nm波段的反斯托克斯拉曼光，増益近25dB，相當于增加了 60km測量長度，在測量現場溫度的同時能測量現場的形變、裂縫和溫度并且互不交叉。鋪設在防災現場的傳感光纖是絕緣的，不帶電的，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕的，是本質安全型的，光纖既是傳輸介質又是傳感介質，是本征型的傳感光纖，并具有50年以上的長壽命，本實用新型適用于超遠程IOOkm全分布式光纖應變、溫度傳感網。
圖I是融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器的示意圖；圖中，光纖脈沖激光器11、單模光纖12、1660nm激光片13、光纖波分復用器14、光纖耦合器15、光纖拉曼激光器16、傳感光纖17、光纖窄帶反射濾光器18、光電接收模塊19、數字信號處理器20、ェ控機21。
具體實施方式
下面根據附圖詳細描述本實用新型，本實用新型的目的和效果將變得更加明顯。參照圖1，本實用新型融合光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器包括光纖脈沖激光器11、單模光纖12、1660nm激光片13、光纖波分復用器14、光纖耦合器15、光纖拉曼激光器16、傳感光纖17、光纖窄帶反射濾光器18、光電接收模塊19、數字信號處理器20和ェ控機21。單模光纖12和1660nm激光片13組成光纖拉曼頻移器；光纖脈沖激光器11發出激光進入光纖拉曼頻移器，經頻移13. 2THZ到1660nm波段，作為寬光譜光源激光進入光纖波分復用器14，光纖波分復用器14具有四個端ロ，它的輸入端ロ與光纖拉曼頻移器輸出端ロ相連，COM輸出端ロ經光纖窄帶反射濾光器18和光纖I禹合器15與傳感光纖17相連；光纖拉曼激光器16、光纖稱合器15與傳感光纖17組成C波段光纖拉曼放大器，在傳感光纖17中產生的1660nm波段寬光譜反向瑞利散射光經1450nm光纖窄帶反射濾光器18和光纖波分復用器14的ー個輸出端ロ與光電接收模塊19的一個輸入端ロ相連，經光電轉換放大后輸入數字信號處理器20的一個端ロ ；在傳感光纖17中產生的，經拉曼放大器放大的1550nm波段寬光譜反向反斯托克斯拉曼散射光經1450nm光纖窄帶反射濾光器18和光纖波分復用器14的另ー個輸出端ロ與光電接收模塊19的另ー個輸入端ロ相連,經光電轉換放大后輸入數字 信號處理器20的另ー個端ロ，數字信號處理器20與エ控機21相連。所述的光纖脈沖激光器11的中心波長為1550nm，光譜寬度為O. 2nm，激光脈沖寬度為10ns，峰值功率為100W可調，重復頻率為500Hz-800KHz可調。所述的光纖拉曼頻移器，它由Ikm單模光纖12和1660nm激光片13組成,濾光片中心波長為1660nm，光譜帶寬28nm，透過率98%，對1550nm激光的隔離度>45dB。所述的光纖波分復用器14,它具有1660nm激光輸入端ロ，COM輸出端ロ，1550nm輸出端口和1660nm輸出端ロ等四個端ロ。所述光纖耦合器15的一端與光纖拉曼激光器16相連，另外兩端分別與傳感光纖17和光纖窄帶反射濾光器18相連。所述的光纖拉曼激光器16的中心波長為1450. Onm，光譜帶寬O. lnm，輸出功率100-1200mW可調，由光纖耦合器15、光纖拉曼激光器16和傳感光纖17構成C波段光纖拉
曼放大器。所述的傳感光纖17采用IOOkm通信用G652單模光纖或LEAF光纖，特殊場合采用碳涂覆單模光纖。所述的光纖窄帶反射濾光器18的中心波長為1450. Onm，光譜帶寬O. 5nm,反射率99%。所述的光電接收模塊19采用兩路低噪音的InGaAs光電雪崩ニ極管和低噪音寬帶前置放大器集成芯片MAX4107和三級主放大器組成。所述的數字信號處理器20米用Alazar Tech.公司ATS 9642型16位兩通道高速寬帶信號采集處理卡。本實用新型的工作過程如下工作時，光脈沖激光器發出激光脈沖進入光纖拉曼頻移器，光纖拉曼頻移器將1550nm波段的光纖脈沖激光器頻移13. 2THz到1660nm波段，作為全分布式光纖傳感器的寬光譜光源。寬光譜激光脈沖通過光纖波分復用器，光纖窄帶反射濾光片和光纖稱合器進入傳感光纖，在傳感光纖中產生的1660nm波段反向瑞利散射經波分復用器，光電接收模塊，將光信號轉換成模擬電信號并放大，由瑞利散射光的強度比得到應變的信息；由光纖拉曼激光器，光纖耦合器和傳感光纖構成C波段光纖拉曼放大器，傳感光纖中產生的1550nm波段反斯托克斯拉曼散射經光纖拉曼放大器放大，經波分復用器，帶有溫度信息的被放大的反斯托克斯拉曼散射光經光電接收模塊，由反斯托克斯拉曼散射光與瑞利散射光的強度比，扣除應變的影響得到光纖各段的溫度信息，應變與溫度的檢測不存在交叉效應，利用光時域反射對傳感光纖上的檢測點定位(光纖雷達定位)。通過數字信號處理器與應變、溫度解調軟件解調并對應變與溫度測進行定標，在60秒內得到IOOkm傳感光纖上各點應變與溫度變化量，測溫精度±2°C，由計算機通訊接ロ、通訊協議 進行遠程網絡傳輸，當傳感光纖上檢測點達到設定的應變或溫度報警設定值吋，向報警控制器發出報警信號。
權利要求1. 一種光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器，其特征在于，它包括光纖脈沖激光器(11)、、單模光纖(12)、1660nm激光片(13)、光纖波分復用器(14)、光纖稱合器(15)、光纖拉曼激光器(16)、傳感光纖(17)、光纖窄帶反射濾光器(18)、光電接收模塊(19)、數字信號處理器(20)和エ控機(21);其中，單模光纖(12)和1660nm激光片(13)組成光纖拉曼頻移器，光纖拉曼激光器(16)、光纖耦合器(15)與傳感光纖(17)組成C波段光纖拉曼放大器；光纖脈沖激光器(11)發出激光進入光纖拉曼頻移器，經頻移13. 2THz到.1660nm波段，作為寬光譜光源激光進入光纖波分復用器(14)，光纖波分復用器(14)具有四個端ロ，它的1660nm激光輸入端ロ與光纖拉曼頻移器輸出端ロ相連，COM輸出端ロ經光纖窄帶反射濾光器(18)和光纖耦合器(15)與傳感光纖(17)相連；在傳感光纖(17)中產生的.1660nm波段寬光譜反向瑞利散射光經光纖窄帶反射濾光器(18)和光纖波分復用器(14)的.1660nm輸出端ロ與光電接收模塊(19)的一個輸入端ロ相連,經光電轉換放大后輸入數字信號處理器(20)的一個端ロ ；在傳感光纖(17)中產生的經拉曼放大器放大的1550nm波段寬光譜反向反斯托克斯拉曼散射光經光纖窄帶反射濾光器(18)和光纖波分復用器(14)的1550nm輸出端ロ與光電接收模塊(19)的另ー個輸入端ロ相連,經光電轉換放大后輸入數字信號處理器(20 )的另ー個端ロ，數字信號處理器(20 )與エ控機(21)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種光纖拉曼頻移器和拉曼放大器的全分布式光纖傳感器；光纖脈沖激光器經光纖拉曼頻移器頻移13.2THz，產生1660nm波段寬光譜拉曼激光作為全分布式光纖傳感器的寬光譜光源，入射傳感光纖，由傳感光纖反向瑞利散射強度比檢測光纖的形變和斷裂，傳感光纖中產生的1550nm波段反斯托克斯拉曼散射經光纖拉曼放大器放大，由反斯托克斯拉曼散射光與瑞利散射光的強度比，扣除應變的影響得到光纖各段的溫度信息,應變與溫度的檢測不存在交叉效應，利用光時域反射技術對傳感光纖上的檢測點定位；適用于超遠程100公里范圍內石化管道，隧道，大型土木工程監測和災害預報監測。
文檔編號G01B11/16GK202452952SQ201220055548
公開日2012年9月26日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者余向東, 康娟, 張在宣, 張文平, 張文生, 李晨霞, 王劍鋒, 金尚忠 申請人:中國計量學院