专利名称：脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器领域，尤其是脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器。
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。为满足近年来石油管道、传输电力电缆的安全健康监测，提高测量距离和测量精度，对超远程全分布式应变、温度传感网提出了更高的要求。

发明内容
本发明的目的是结合脉冲编码原理和光纤瑞利与拉曼融合散射传感原理，提供一种低成本、结构简单、信噪比好，利用光时域反射(OTDR)对测点进行定位，可靠性好的脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器。本发明的脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，包括脉冲编码光纤激光器驱动电源，脉冲编码光纤激光器，集成型光纤波分复用器，50km传感光纤，光电接收模块，数字信号处理器和工控机数字信号处理器与工控机相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源的输入端与数字信号处理器的输出端相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源的输出端与脉冲编码光纤激光器的输入端相连，数字信号处理器产生的时间序列脉冲编码信号经脉冲编码光纤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激光脉冲，作为传感器的泵浦源，集成型光纤波分复用器具有四个端口，其中1550nm输入端口与脉冲编码光纤激光器的输出端相连，COM输出端口与50km传感光纤相连，1450nm输出端口和1550nm输出端口分别与光电接收模块的两个输入端相连，光电接收放大模块的两个输出端分别与数字信号处理器两个输入端口相连，数字信号处理器将采集、累加的编码脉冲解码解调后输给工控机处理，获得50km传感光纤(13)所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。本发明中，所述的脉冲编码光纤激光器由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。本发明中，所述的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。本发明中，所述的传感光纤可以是通信用G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。本发明中，所述的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。脉冲编码光纤激光器发出时间序列激光脉冲进入传感光纤，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，背向瑞利散射、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子波，由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波分别经光电接收放大模块，将光信号转换成模拟电信号并放大，经数字信号处理器解码解调后，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)。通过数字信号处理器和工控机与应变、温度解调软件解码解调，在60秒内得到50km传感光纤上各点应变与温度变化量，测温精度士2°C，由计算机通讯接口、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。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
mrn N + 1
SNRM = —=(ι)
2、,
由(91)式可知，信噪比改善随着编码位数的提高而提高。
255+1当N 取 255 时SNR255 = ^n= 8.02
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。分布式光纤瑞利散射光子传感器测量形变的原理光纤脉冲激光器发出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，随着光纤长度而指数式衰减，光纤的背向端利散射光光强用下式表示
上式中A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Z处的光强，为入射光波长处的光纤传输损耗。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
汉=α0 +Δα ,局域处的光强有一个跌落，光强由/(/)减少为!'( ,形变造成的附加损耗通
过光强的改变进行测量。
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. 2ΤΗζ。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
它受到光纤温度的调制，温度调制函数兄
h是波朗克(Planck)常数，Δ ν是一光纤分子的声子频率，为13. 2ΤΗζ，k是波尔兹曼常数，T是凯尔文(Kelvin)绝对温度。在本发明中采用光纤瑞利通道做参考信号，用反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光强度的比值来检测温度
哪、
由光纤拉曼光时域反射(OTDR)曲线在光纤检测点的反斯托克斯拉曼散射光和瑞散射光利光强度比，扣除应变的影响得到光纤各段的温度信息。
本发明的有益效果在于
本发明的脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，采用脉冲编码原理有效地增加了进入传感光纤的泵浦光子数，提高了传感器系统的信噪比，增加了传感器的测量长度，提高了传感器的可靠性和空间分辨率，在测量现场温度的同时能测量现场的形变、裂缝和温度并且互不交叉。在性价比上优于分布式光纤布里渊温度、应变传感器。铺设在防灾现场的传感光纤是绝缘的，不带电的，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀的，是本质安全型的，光纤既是传输介质又是传感介质，是本征型的传感光纤，不存在测量的盲区，且寿命长，本发明适用于超远程50km全分布式光纤应变、温度传感网。可用于超远程50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。


图1是脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器的示意图。
具体实施例方式参照图1，本发明的脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，包括脉冲编码光纤激光器驱动电源10，脉冲编码光纤激光器11，集成型光纤波分复用器12， 50km传感光纤13，光电接收模块14，数字信号处理器15和工控机16，数字信号处理器15与工控机16相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源10的输入端与数字信号处理器15的输出端相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源10的输出端与脉冲编码光纤激光器11的输入端相连， 数字信号处理器15产生的时间序列脉冲编码信号经脉冲编码光纤激光器驱动电源10驱动脉冲编码光纤激光器11，产生时间序列编码的激光脉冲，作为传感器的泵浦源，集成型光纤波分复用器12具有四个端口，其中1550nm输入端口与脉冲编码光纤激光器11的输出端相连，COM输出端口与50km传感光纤13相连，1450nm输出端口和1550nm输出端口分别与光电接收模块14的两个输入端相连，光电接收放大模块14的两个输出端分别与数字信号处理器15两个输入端口相连，数字信号处理器15将采集、累加的编码脉冲解码解调后输给工控机16处理，获得50km传感光纤13所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。上述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。上述的数字信号处理器14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。数字信号处理器可送出按 255x255 S矩阵转换规则排列的序列255位编码脉冲驱动。也适用于其它位数的编码，例如127位等。上述的50km传感光纤为G652通信单模光纤或色散位移光纤或碳涂复单模光纤。上述的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。
权利要求
1.脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征包括脉冲编码光纤激光器驱动电源(10)，脉冲编码光纤激光器(11 )，集成型光纤波分复用器(12)，50km 传感光纤(13)，光电接收模块(14)，数字信号处理器(15)和工控机(16)，数字信号处理器 (15)与工控机(16)相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源(10)的输入端与数字信号处理器 (15)的输出端相连，脉冲编码光纤激光器驱动电源(10)的输出端与脉冲编码光纤激光器 (11)的输入端相连，数字信号处理器(15)产生的时间序列脉冲编码信号经脉冲编码光纤激光器驱动电源(10)驱动脉冲编码光纤激光器(11)，产生时间序列编码的激光脉冲，作为传感器的泵浦源，集成型光纤波分复用器(12)具有四个端口，其中1550nm输入端口与脉冲编码光纤激光器(11)的输出端相连，COM输出端口与50km传感光纤(13)相连，1450nm输出端口和1550nm输出端口分别与光电接收模块(14)的两个输入端相连，光电接收放大模块 (14)的两个输出端分别与数字信号处理器(15)两个输入端口相连，数字信号处理器(15) 将采集、累加的编码脉冲解码解调后输给工控机(16)处理，获得50km传感光纤(13)所在现场的应变、温度信息并传送给远程监控网。
2.根据权利要求1所述的脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器， 其特征是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所述的脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征是数字信号处理器(14)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。
4.根据权利要求1的脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，其特征是50km传感光纤(13)是通信用G652光纤或DSF色散位移光纤或碳涂复单模光纤。
全文摘要
本发明公开的脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器，包括脉冲编码光纤激光器驱动电源，脉冲编码光纤激光器，集成型光纤波分复用器，50km传感光纤，光电接收模块，数字信号处理器和工控机。该传感器结合脉冲编码原理和光纤瑞利与拉曼融合散射传感原理，利用光时域反射(OTDR)对测点进行定位，增加了入射光纤的光子数，提高了传感器系统的信噪比，增加了测量长度，可靠性和空间分辨率高，在测量现场温度的同时能测量现场的形变、裂缝，与测量温度互不交叉。具有成本低、寿命长、结构简单、信噪比好等特点，适用于50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G01B11/16GK102359763SQ20111022631
公开日2012年2月22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, 张在宣, 王剑锋 申请人:中国计量学院