一種分布式光纖拉曼溫度系統的解調方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電子信息技術領域，涉及一種光電傳感技術，具體是指一種分布式光 纖拉曼溫度系統的解調方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 分布式光纖拉曼溫度傳感系統集傳感與傳輸于一體，可實現遠距離測量與監控， 一次測定就可以獲取整個光纖區域的一維分布圖，將光纖架設成光柵狀，就可測定被測區 域的二維和三維分布情況，能在一條長達數千米的傳感光纖環路上獲得幾十、幾百甚至幾 千條信息，現在傳感光纖隨制造成本的顯著降低變得非常低廉，因此單位信息成本顯著降 低。
[0003] 在具有強電磁干擾或易燃易爆以及其他傳感器無法接近的惡劣環境下，分布式光 纖拉曼溫度傳感系統具有無可比擬的優點。因此自20世紀80年代以來，人們對實現分布 式光纖傳感的各種技術展開了廣泛研究。分布式光纖溫度拉曼傳感系統，首先要解決的是 對攜帶溫度信息的光信號的識別和測量位置的確定，光時域反射（OIDR)技術和光頻域反 射（0FDR)技術對此提供了很好的解決方法；而對于較長距離的分布測溫應用，基于散射機 理的分布傳感系統則有著無比的優越性，這是因為此時光纖中所損失的功率直接用于所感 應的信號能量。
[0004] 光纖中最強的散射過程就是瑞利散射，背向散射強度約為入射光的_30dBm，瑞利 散射是由光纖中非傳播的局域密度的不均勻和成分的不均勻所致。實驗和理論都發現玻 璃（組成光纖的主要成分）的瑞利散射系數的溫度靈敏度及其微弱，因此實現基于瑞利散 射的全固光纖的溫度分布系統很困難。然而在某些液體中，這種溫度靈敏度卻很強，如在苯 中，其溫度靈敏度高達〇. 〇33dB/K。由于液芯光纖的壽命短，且液體有冰點、沸點的存在，限 制了測溫的范圍，該方案不能得到實際的應用。目前主要應用的是拉曼散射型和布里淵散 射型。
[0005] 光通過光纖時，光子和光纖中因自發熱運動而產生的聲子會產生非彈性碰撞，從 而發生自發的布里淵散射，散射光的頻率相對入射光的頻率變化范圍在10GHz~11GHz。基 于該技術的傳感器的典型結構為布里淵放大器結構（如圖3所示），包括脈沖激光器31、隔 離器（32、38)、聲光調制器33、示波器34、耦合器（35、37)、敏感光纖36、連續波激光器39和 光譜分析儀310。處于光纖兩端的可調諧激光器（脈沖激光器31和連續波激光器39)分 別將經隔離器32和聲光調制器33調制的一脈沖光與經隔離器38和耦合器37的一連續光 注入敏感光纖36,當兩束光的頻率差處于相遇光纖區域中的布里淵增益帶寬內時，兩束光 就會在作用點產生布里淵放大器效應，相互間發生能量轉移，在對兩臺激光器的頻率進行 連續調整的同時，光譜分析儀310通過檢測從光纖一端射出的連續光的功率，就可確定光 纖的各小段區域的布里淵增益達到最大時所對應的頻率差，所確定的頻率差與光纖上各段 區域的布里淵頻移相等。因此在光纖與布里淵頻移成正比的溫度和應變就隨之確定。該傳 感技術所能達到的測量精度主要依賴于兩臺激光器的調諧精度。所以該系統較復雜，成本 高，栗浦激光和探測激光必須放在被測光纜的兩端，而且不能測斷點，對激光器的穩頻以及 光源和控制系統的要求很高。因此其應用受到一定限制。
[0006] 拉曼散射是當激光脈沖在光纖中傳播時由于光纖分子的熱振動和光子相互作用 發生能量交換而產生的。具體地說，如果一部分光能轉換成熱振動，那么將發出一個比光源 波長長的光稱為拉曼斯托克斯光；如果一部分熱振動轉換為光能，那么將發出一個比光源 波長短的光稱為拉曼反斯托克斯光。基于自發拉曼散射的分布式溫度傳感系統如圖2所 示，包括激光驅動器21、激光器22、傳感光纖23、波分復用器24、探測器組件25、計算機26、 隔離器27和耦合器28。激光驅動器21驅動激光器22發射的激光經隔離器27與耦合器 28后注入傳感光纖23,傳感光纖23上自然背向散射經耦合器28和波分復用器24后濾出 斯托克斯光和反斯托克斯光，然后被探測器組件25接收轉變為電信號并放大，再經計算機 26的信號處理系統處理轉變為溫度信號，作為一種雙通道測量方法可以有效消除光源的不 穩定和光纖傳輸損耗與耦合的隨機噪聲的影響。背向散射拉曼光與入射光的關系為：
[0007] P=qPiR(T)exp(-(a0+ar)L) (1)
[0008] 其中，P為背向散射拉曼光功率，L為傳感光纖長度，a。為光纖瑞利散射平均損耗 系數，為光纖拉曼散射平均損耗系數，R(T)為拉曼背向散射因子（含溫度T信息），n 為波長等相關因子，PiS入射光功率。
[0009] 拉曼分布式光纖傳感系統的唯一不足之處是返回信號相當弱，斯托克斯背向散射 強度約為入射光的-60dBm，反斯托克斯背向散射強度約為入射光的-75dBm，可以說溫度信 息淹沒在噪聲中，為了避免信號處理過程中信號平均時間過長，脈沖激光源的峰值功率相 當高，但不能超過拉曼散射受激的閾值功率（反斯托克斯的閾值功率大于斯托克斯的閾值 功率），并且測量距離越長，閾值功率越小，最大值為拉曼散射受激的閾值功率P廣：
[0010] PiCr (1-exp(- (a0+ar)L)) / (a0+ar) =C(2)
[0011] 其中，C為常數。
[0012] 現在利用背向散射瑞利技術可以檢測80km以上的光纜物理結構，而報道的拉曼 溫度系統單路光纖長度最長只有30km，原因是采用反斯托克斯/瑞利或反斯托克斯/斯托 克斯雙路解調方法，反斯托克斯/瑞利解調受制于它們的光纖損耗因子匹配性不佳，據中 國計量學院報道，采用額外增加成本獲得反斯托克斯光同波長的瑞利背向散射才做到30km 的拉曼溫度系統，反斯托克斯/斯托克斯解調受制于斯托克斯的閾值功率，以上兩鐘解調 方法無法降低同溫平坦度（指外界溫度相同，傳感光纖上測量溫度最大值/最小值）。
【發明內容】
[0013] 本發明旨在針對上述現有技術中存在的問題，提供一種分布式光纖拉曼溫度系統 解調方法及裝置，能夠實現單路折向解調分布式光纖拉曼溫度，提高測量精度和同溫平坦 度，傳感長度可達到20km以上。
[0014] 為了達到上述目的，本發明采取以下技術方案來實現：
[0015] 本發明提供了一種分布式光纖拉曼溫度系統解調方法，以折返傳感光纖為對象， 包括以下步驟：
[0016] 步驟一，將激光注入折返傳感光纖，獲得背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞 利光信息和傳感光纖入射端溫度信息；
[0017] 步驟二，根據背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞利光信息，將同一測量點 的兩個量進行相乘積再開方處理，獲得處理后的背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞 利光信息；
[0018] 步驟三，根據處理后的背向散射瑞利光信息獲得傳感光纖的物理結構；判斷傳感 光纖是否收到外界入侵，如果是就發出報警信號，否則進入步驟四；
[0019] 步驟四，利用傳感光纖入射端的溫度信息，解調處理后的背向散射反斯托克斯光 信息，獲得傳感光纖每一測量點的測量溫度。
[0020] 在步驟一的目的在于獲得折返傳感光纖中的背向散射反斯托克斯光信息、背向散 射瑞利光信息和傳感光纖入射端溫度信息，可以采用下面講到的分布式光纖拉曼溫度系統 解調裝置獲得，可以采用能夠達到上述目的類似裝置獲得。在優選的實施方式中，采用周期 性的脈沖激光，獲得的背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息是經多次脈沖激 光之后的數字平均值；傳感光纖入射端（起點處）溫度信息可以由設置在傳感光纖起點處 的電子溫度計來獲得。
[0021] 在步驟二中，由于采用的是折返式傳感光纖，同一測量點具有損耗對稱的兩個量 (前點和后點），對這兩個量進行相乘再開方處理，能夠有效消除傳輸損耗的影響。由于沒 有進行傳統的雙路解調，可有效降低同溫平坦度。
[0022] 在步驟三中，