[发明专利]长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统及方法

说明书

本发明属于分布式光纤传感系统，公开了一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，包括脉冲激光源、混沌激光源、第一光开关、第一耦合器、第二耦合器、波分复用器、第二光开关、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、APD探测器、数据采集卡和计算机；本发明通过混沌脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与对应的参考混沌脉冲信号，计算获得传感光纤沿线的应变信息，通过不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光和斯托克斯光强度，计算传感光纤沿线的温度信息。本发明提高了系统的传感距离和空间分辨率，传感距离可以突破100km，空间分辨率可达毫米量级。

技术领域

本发明属于分布式光纤传感系统，具体一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统及方法，其传感距离可达100km量级，空间分辨率可达毫米量级。

背景技术

拉曼分布式光纤传感系统是一种分布式传感系统，其主要工作原理是利用激光在光纤内传播的过程中在光纤各处产生的后向拉曼散射容易受到光纤相应位置处的温度、应变等多种物理条件变化而影响的特点，通过对后向拉曼散射光的特性分析，从而获得传感光纤沿线的各项参数。光纤分布式拉曼传感系统具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、分布式测量等有点，被广泛应用于矿山、桥梁、管道、大型建筑等安全监测领域。

在分布式光纤拉曼传感系统中，空间分辨率是指能够分辨光纤温度变化的最小长度。提高空间分辨率对安全监测领域具有重要意义。目前，分布式光纤拉曼传感系统的定位方法是光时域反射技术，但是由于光源脉宽的限制，导致其传感距离与空间分辨率无法兼顾，且其最优空间分辨率仅为1m。由于自发拉曼散射对入纤光功率的最大值有限制，随着传感距离的增加，光损耗也逐渐增大，系统信噪比下降，因此难以实现超过100km的传感距离。此外，分布式光纤拉曼传感技术还无法实现温度和应变的同时监测。

基于此，有必要对现有技术中的分布式光纤拉曼传感装置进行改进，可以解决现有分布式光纤传感系统无法同时对温度和应变进行测量的科学难题，同时，提高其空间分辨率与传感距离。

发明内容

本发明为了解决现有的分布式光纤温度与应力传感系统中难以同时兼顾传感长距离与高空间分辨率无法同时实现的问题，提出一种100km、毫米级空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种长距离高空间分辨率的拉曼光纤多参量传感系统，包括脉冲激光源、混沌激光源、第一光开关、第一耦合器、第二耦合器、波分复用器、第二光开关、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器、APD探测器、数据采集卡和计算机；

所述混沌激光源的输出端与所述第一耦合器输入端连接，第一耦合器的输出端分别与第二耦合器的一个输入端和APD探测器连接，脉冲激光源的输出端与第二耦合器的另一个输入端连接，第二耦合器的输出端与波分复用器的第一端口连接，波分复用器的第二端口与第二光开关的输入端连接，第二光开关的两个输出端分别与传感光纤的两端连接，波分复用器的第三端口和第四端口分别与第一光电探测器和第二光电探测器连接；

APD探测器、第一光电探测器、第二光电探测器的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡的输出端与计算机连接；所述传感光纤的一端设置于恒温槽中；

所述脉冲激光源用于分别输出两种脉冲宽度分别为M和N的脉冲激光，混沌激光源用于输出混沌脉冲激光；所述第一光开关用于控制和切换所述脉冲激光源、混沌激光源的输出；所述第二光开关用于切换入射到传感光纤中的脉冲激光方向；

计算机用于根据混沌脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光强度与对应的参考混沌脉冲信号，计算获得传感光纤沿线的应变信息，还用于根据不同脉宽的两种脉冲激光在传感光纤中发生的后向拉曼散射产生的反斯托克斯光和斯托克斯光强度，计算得到传感光纤沿线的温度信息。

所述脉冲激光源为脉冲激光器，混沌激光源包括混沌激光器、隔离器，半导体光放大器，脉冲掺铒光纤放大器，