[发明专利]采用循环脉冲编码解码和瑞利解调的分布式光纤拉曼温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤拉曼温度传感器，特别是采用循环脉冲编码解码和瑞利解调的分布式光纤拉曼温度传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

分布光纤温度传感器系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统，在系统中光纤既是传输媒体也是传感媒体。分布式光纤拉曼温度传感器利用光纤的喇曼光谱效应，光纤所处空间各点温度场调制了光纤中传输的光载波，经解调后，将空间温度场的信息实时显示出来。它是一个特殊的光纤通信系统；利用光纤的光时域的反射（Optical time domain reflection简称OTDR）技术，由光纤中光的传播速度和背向光回波的时间，对所测温度点定位，它又是一个典型的光纤激光温度雷达系统。分布式光纤拉曼温度传感器可以在线实时预报现场的温度和温度変化的取向，光纤传输光信号并不通电，因此具有很强的抗电磁干扰性能，是一种本质安全型的线型感温探测器，已在电力工业、石化企业、大型土木工程和在线灾害监测等领域成功地应用。

典型的分布式光纤拉曼温度传感器一般采用激光单脉冲作为泵浦信号，用反斯托克斯拉曼散射光作为测量温度信号通道，斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考通道。由于喇曼散射光强度很弱，经光电转换后的信号往往淹没在各种噪声中，信噪比很差，而信噪比的大小是决定系统测温精度或测量距离的最重更因素，为了提高信噪比，一种办法是尽量提高泵浦脉冲激光的峰值功率，但泵浦脉冲激光的峰值功率超过光纤的非线性阀值时拉曼散射光会产生非线性效应而无法进行有效温度解调。另一种办法是对数据进行多次取样平均，但对于长距离系统需要花费大量的时间，从而降低了测温的实时反应能力。序列脉冲脉编码解码技术（如：Simplex codes,Golay codes等）虽然在相同泵浦脉冲激光峰值功率下，能比单脉冲技术获得更好的信噪比（信噪比改善为N为码长），但由于序列编码脉冲单元的连续性，使得光纤非线性阀值较单脉冲大大降低，例如，对于单模光纤而言，序列编码脉冲的非线性阀值功率小于1W，而10ns单脉冲系统光纤非线性阀值功率约为5W，因此，如果泵浦脉冲激光峰值功率都处于光纤非线性阀值，采用序列编码解码技术的系统比采用单脉冲技术的系统在信噪比上实际并没有获得多大的改善。

单模光纤因传输损耗低，更适用于长距离的分布光纤温度传感系统，但单模光纤因弯曲损耗较大，在实际工程应用中会对温度检测造成影响。对于弯曲损耗的影响，一般的方法是采用斯托克斯参考通道对反斯托克斯信号通道进行温度解调来抵消，但由于斯托克期通道光波长较长，在单模光纤中弯曲损耗比反斯托克斯信号强得多（对于1550nm系统约为5倍），因此采用斯托克斯参考通道无法有效抵消光纤弯曲损耗的影响。此外，由于斯托克期通道的光纤非线性阀值功率比反斯托克斯通道低很多，因此采用斯托克斯参考通道的系统的输入激光泵浦峰值功率主要受限于斯托克斯参考通道的非线性阀值功率，而输入的激光泵浦峰值功率越低，就意味着系统的信噪比越低。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用循环脉冲编码解码和瑞利解调的分布式光纤拉曼温度传感器，以提高系统的信噪比，获得更高的测量精度和更远的测量距离。

本发明的采用循环脉冲编码解码和瑞利解调的分布式光纤拉曼温度传感器，包括脉冲光纤激光器，声光调制器，具有四个端口的集成型光纤波分复用器，两个光电接收放大模块，编码解码解调数字信号处理器，光纤温度取样环，本征型测温光纤，数字式温度探测器和PC机，脉冲光纤激光器的输出端与声光调制器的一个输入端相连，声光调制器的输出端与集成型光纤波分复用器的输入端口相连，集成型光纤波分复用器的第一输出端口与光纤温度取样环的一端相连，光纤温度取样环的另一端与本征型测温光纤相连，集成型光纤波分复用器的第二和第三输出端口分别与第一和第二光电接收放大模块的输入端相连，第一和第二光电接收放大模块的输出端分别与编码解码解调数字信号处理器的两个输入端相连，编码解码解调数字信号处理器的第三个输入端与数字式温度探测器的输出端相连，编码解码解调数字信号处理器的一个输出端与脉冲光纤激光器的输入端连接，另一输出端与声光调制器的另一个输入端相连，编码解码解调数字信号处理器的数据传输端与PC机相连。

为了保证光纤温度取样环温度定标的准确性，可将光纤温度取样环和数字式温度探测器紧挨置于同一个隔热的容器内。