专利名称：一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器的制作方法
一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器技术领域
本发明属于光纤传感领域，涉及一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器。 该传感器结构简单，灵活可调，信噪比高，具有自反馈和自校正功能，可在生产过程、土木工程、灾害监测等系统中实现对温度的实时连续监测。技术背景
近几十年，分布式光纤拉曼温度传感器由于其体积小、重量轻、耐高温、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀等优点获得了广泛的关注与研究。该类传感器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)技术实现对温度的监控。传感所用光纤既是传输介质又是传感介质，可实现实时在线的光纤温度场测量，广泛应用于煤矿、隧道的火灾自动报警系统、大型变压器、发动机组的温度分布测量系统以及地下电缆的温度报警系统等领域。传统的分布式光纤拉曼温度传感器主要是利用斯托克斯光信号或瑞利散射光信号做参考通道，反斯托克斯光信号做信号通道，利用温度敏感的反斯托克斯拉曼散射光强与瑞利散射光强或斯托克斯散射光强的比值实现对温度的测量。该方法可以克服由于光源波动而导致的测量误差，但随着测量距离的增加，为了获得更高的测量精度，需要修正由反斯托克斯散射、斯托克斯散射和瑞利散射中心波长不同而带来的传输损耗。为修正上述传输损耗，需要得到与反斯托克斯光信号中心波长相同的斯托克斯光信号或瑞利散射光信号。2008年,Kwang Suh与Chung Lee等提出用波长差为拉曼位移波长的双光源法,采用光开关时分交替输出的副激光器的斯托克斯光来解调主激光器的光纤背向反斯托克斯光，实现了由于中心波长不同而带来损耗的自校正功能。但光开关的不同时性影响了系统的稳定性；同时由于该系统采用双光源及双光电探测�？椋竦孟嗥ヅ涞闹行牟ǔぃ运庠吹难∪∫蠛芨撸黾恿讼低车母丛有约捌骷杀�。2010年，韩国Dusun Hwang等人提出在传感光纤末端连接反射镜，以获得正反两束反斯托克斯光信号实现自校正(OPTICS EXPRESS, 2010, Vol. 18, No. 10 :9747-9754)。但由于受反射镜反射率的限制，前向传输的泵浦光不可能被完全反射，使得泵浦光和反斯托克斯光衰减，降低了系统信噪比。2011年，中国计量学院的康娟等提出采用双芯光缆末端连接的方法作为传感光纤，使得泵浦光源变成正反向两束，从而获得两束具有相同中心波长的反斯托克斯光束，以抵消光纤本身的损耗。但由于双芯光缆的不一致性，在测量过程中会引入误差；且双芯光缆需要特殊的封装技术，同时增加了光纤长度，提高系统成本。
本发明采用传感光纤末端连接光纤环镜的方法，代替了反射镜和双芯光缆，提供了一种更为灵活简单、信噪比高、可靠性好、具有自反馈和自校正功能的可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器。该传感器只需使用单光源和传统的单模光纤光缆即可实现温度检测。通过自动偏振控制器调整光纤环镜的反射率，使得入射光束被完全反射，从而获得同一光源产生的具有相同波长中心的正反两束反斯托克斯光，用于抵消光纤自身吸收、应变、弯曲等引起的损耗，实现自校正功能。发明内容
本发明的目的是提供了一种更为灵活简单、信噪比高、可靠性好的可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器。
本发明的技术解决方案如下
—种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，包括激光器、波分复用器、传感光纤、3dB耦合器、自动偏振控制器、光电探测�？�、信号采集系统和显示器。其中波分复用器包括三个端口，端口 2-1与激光器相连，端口 2-2与传感光纤相连，端口 2-3与光电探测�？榈氖淙攵讼嗔还獾缣讲饽？榈氖涑龆擞胄藕挪杉低车氖淙攵讼嗔恍藕挪杉低车氖涑龆擞胂允酒飨嗔Ｉ鲜龅�3dB耦合器的耦合比满足在波长范围为1300nm 1650nm内实现光束比为I : I输出的要求。它包括四个端口，端口 4-1连接传感光纤，端口 4-3连接自动偏振控制器的输入端，端口 4-4连接自动偏振控制器的输出端,共同构成一个光纤环镜；端口 4-2连接自动偏振控制器5的输入端，可实现对偏振器状态的自动调整，从而改变光纤环镜的反射率，使得光纤环镜具有自反馈功能，在任意时刻均能实现全反射。
激光器发出泵浦光束后，通过波分复用器耦合进入传感光纤，光纤中产生瑞利散射、斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射光。由于传感光纤末端连接光纤环镜，泵浦光源在传感光纤中前向传输到达末端后会发生全反射进行背向传输，使得光电探测模块获得正反两束由同一泵浦光产生的带有温度场信息的反斯托克斯拉曼散射光。对这两束反斯托克斯光信号进行相乘运算处理，便能实现可自校正的分布式温度测量。
本发明的有益效果在于
—种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，在单模传感光纤光缆末端连接一个由3dB耦合器与自动偏振控制器构成的光纤环镜。调整偏振控制器的状态，可使得正向传输的光束在传感光纤末端发生全反射而进行背向传输，从而获得由同一光源产生的具有相同中心波长的正反两束带有温度场信息的反斯托克斯光。利用3dB耦合器与自动偏振控制器构成的具有自反馈作用的光纤环镜，可提高系统的信噪比和智能化程度。该发明结构简单，灵活可调，适用于电网、铁路、桥梁、隧道等需要进行温度场实时监控的测量场合。
图I是一种可自校正的分布式光纤拉曼温度传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步描述。
如图I示，一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，包括激光器I、波分复用器2、传感光纤3、3dB稱合器4、自动偏振控制器5、光电探测�？�6、信号米集系统7和显示器8。其中波分复用器2包括三个端口，其中端口 2-1与激光器相连，端口 2-2与传感光纤相连，端口 2-3与光电探测�？�6的输入端相连；光电探测�？�6的输出端与信号采集系统7的输入端相连；信号采集系统7的输出端与显示器8相连。上述的3dB耦合器4的耦合比在波长范围为1300nm 1650nm内可实现光束比为I : I输出，它包括四个端口，端口 4-1连接传感光纤3，端口 4-3连接自动偏振控制器5的输入端，端口 4-4连接自动偏振控制器5的输出端,共同构成一个光纤环镜；端口 4-2与自动偏振控制器5的输入端相连,当外界环境发生变化时，光纤环镜的偏振态会发生改变，此时端口 4-2可将变化信息反馈至自动偏振控制器5中，使其自动调整偏振状态，保证光纤环镜的反射率不发生改变，在任意时刻均实现全反射，完成自反馈功能。
本发明基于以下原理
激光器发出能量为Ptl的泵浦光束，通过波分复用器耦合进入传感光纤，光纤中产生瑞利散射、斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射光，其中反斯托克斯拉曼散射光的光强为ιη1。由于传感光纤末端连接光纤环镜，泵浦光束在光纤环镜内发生全反射而进行背向传输，使得光电探测�？榛竦谜戳绞赏槐闷止獠拇形露瘸⌒畔⒌姆此雇锌怂估⑸涔�。其中背向反斯托克斯拉曼散射光强为In2。根据分布式光纤拉曼散射光子传感器测温原理，在光纤里反斯托克斯背向拉曼散射光强为
权利要求
1.一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于包括激光器I、波分复用器2、传感光纤3、3dB稱合器4、自动偏振控制器5、光电探测�？�6、信号米集系统7和显示器8 ;所述的波分复用器2包括三个端口，其中端口 2-1与激光器I相连，端口 2-2与传感光纤3相连，端口 2-3与光电探测�？�6的输入端相连；光电探测�？�6的输出端与信号采集系统7的输入端相连；信号采集系统7的输出端与显示器8相连； 所述的3dB耦合器4的耦合比在波长范围为1300nm 1650nm内可实现光束比为I : I输出；包括四个端口，其中端口 4-1连接传感光纤3，端口 4-3连接自动偏振控制器5的输入端，端口 4-4连接自动偏振控制器5的输出端，构成一个光纤环镜；端口 4-2与自动偏振控制器5的输入端相连，可实现偏振器状态的自动调整，从而改变光纤环镜的反射率，使得所述光纤环镜具有自反馈功能，在任意时刻均可实现全反射。
全文摘要
本发明公开一种可自校正的全分布式光纤拉曼温度传感器，在传感光纤末端连接一个由3dB耦合器和自动偏振控制器构成的光纤环镜；调整光纤环镜的反射率，使前向传输的光在传感光纤末端发生全反射，从而获得正反两束具有相同中心波长的反斯托克斯光信号。测量反斯托克斯光信号的光强可实现对温度的测量；通过对正反两束反斯托克斯光信号进行相乘运算处理，可对光纤自身由于吸收、弯曲、应变等带来的损耗进行自校正。本发明包括激光器、波分复用器、传感光纤、3dB耦合器、自动偏振控制器、光电探测�？�、信号采集系统和显示器。本发明装置简单，灵活可调，信噪比好，同时具有自反馈和自校正功能，适用于电网、铁路、桥梁、隧道等测量场合。
文档编号G01K11/32GK102980682SQ20121047505
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者赵春柳, 牛荦, 王治强, 康娟, 张在宣, 金尚忠 申请人:中国计量学院
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