一種基于模式復用的拉曼分布式測溫系統(tǒng)和測溫方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及分布式光纖測溫系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于模式復用的拉曼分 布式測溫系統(tǒng)和測溫方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度傳感系統(tǒng)在公路、隧道、橋梁、水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施，高壓線纜，煤礦井下，石 油化工領(lǐng)域等地方有著非常廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的單點移動式或者多個電子傳感器組網(wǎng)實現(xiàn) 的分布式測量方式存在難以安裝，難以維護，容易受到電磁干擾等缺點。基于光纖型的分布 式溫度傳感器是改良上述傳感系統(tǒng)缺點的一種有效手段，而且光纖具有插入損耗低，探測 距離長，容易鋪設(shè)等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)在線實時監(jiān)測和預(yù)報，不受電磁干擾，系統(tǒng)簡單安全。
[0003] 在分布式光纖傳感器中，分布式拉曼溫度傳感器利用了光纖中的拉曼散射原理， 通過光纖傳播過程中的背向拉曼散射光作為傳感信號，能夠?qū)崿F(xiàn)對整條光纖鏈路中各點的 溫度場進行監(jiān)測。
[0004] 現(xiàn)有的拉曼測溫系統(tǒng)采用的傳感光纖為多模光纖或單模光纖。對于基于多模光纖 的分布式拉曼傳感系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于多模光纖具有大的模場面積和高拉曼增益系數(shù)，其劣 勢在于多模光纖的損耗較大，導致探測距離受限，由于模間色散引入的串擾導致傳感的空 間分辨率不足。對于基于單模光纖的分布式拉曼傳感系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于損耗較小，其劣勢在 于模場面積較小，因此輸入光功率受限，探測距離受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本申請?zhí)峁┮环N基于模式復用的拉曼分布式測溫系統(tǒng)和測溫方法，改善了現(xiàn)有技 術(shù)中的多模光纖和單模光纖的探測距離較小的技術(shù)問題。
[0006] 本申請?zhí)峁┮环N基于模式復用的拉曼分布式測溫系統(tǒng)，所述測溫系統(tǒng)包括：
[0007] 脈沖激光器，用于發(fā)出脈沖激光；
[0008] 模式復用解復用器，通過單模光纖與所述脈沖激光器連接，接收所述脈沖激光，將 接收的脈沖激光變換為m路等功率的光，進行模式復用，并輸出；
[0009] 少模光纖，與所述模式復用解復用器連接，接收所述模式復用解復用器輸出的m 路光，所述m路光激勵少模光纖中的指定的m個模式，在所述少模光纖中傳播，并產(chǎn)生背向 散射光，背向散射光反向傳輸進入所述模式復用解復用器，所述模式復用解復用器將散射 光分解為m個散射光并輸出；
[0010] m個拉曼濾波器，分別通過單模光纖與所述模式復用解復用器連接，所述拉曼濾波 器接收所述m個散射光，并將拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分別濾波后輸出；
[0011] 2m個光電轉(zhuǎn)換模塊，分別與所述m個拉曼濾波器連接，接收對應(yīng)的拉曼濾波器輸 出的m路拉曼斯托克斯散射光和m路拉曼反斯托克斯散射光，進行光電轉(zhuǎn)換，并輸出電信 號；
[0012] 信號處理器，對所述2m個光電探測器的輸出電信號進行處理，得到溫度信息。
[0013] 優(yōu)選地，所述測溫系統(tǒng)還包括連接所述信號處理器和所述脈沖激光器同步源，用 于脈沖激光器和信號處理器之間的同步觸發(fā)。
[0014] 優(yōu)選地，所述脈沖激光器為全光纖的脈沖激光器，或集成化的半導體脈沖激光器。
[0015] 優(yōu)選地，所述脈沖激光器11的波長為1550。
[0016] 優(yōu)選地，所述拉曼濾波器的通帶范圍分別為1450nm波段范圍和1660nm波段范圍。
[0017] 本申請還提供一種測溫方法，應(yīng)用于所述的測溫系統(tǒng)中，所述方法包括：
[0018] 對一模式的拉曼散射信號的所述測溫系統(tǒng)進行溫度標定，在參考溫度T。下少模光 纖中，所述光電轉(zhuǎn)換模塊的光電探測器測出的背向拉曼反斯托克斯散射功率P asl (T。）和拉 曼斯托克斯散射功率Psl (T。）的比值為：
其中Kasl和Ksl分別為從在少模光纖中傳輸?shù)姆此雇锌怂股⑸浣孛婧退雇锌怂股⑸浣?面，VasJR VsI為該模式的光在少模光纖中傳輸?shù)姆此雇锌怂构夂退雇锌怂构獾念l率，h為 普朗克常數(shù)，A Vl為該模式的光在少模光纖中產(chǎn)生的拉曼頻移，k為玻爾茲曼常數(shù)，a asl和 a sl分別為該模式的光在少模光纖中傳輸?shù)姆此雇锌怂构夂退雇锌怂构獾膿p耗系數(shù)，L為 光纖長度；
[0019] 任意溫度T下兩路雪崩光電二極管輸出的比值為：
[0020] 根據(jù)式1和式2,獲得溫度分布曲線為：
[0021] 本申請有益效果如下：
[0022] 本申請?zhí)峁┑幕谀Ｊ綇陀玫睦植际綔y溫系統(tǒng)，由于光纖傳輸損耗較小，模 間色散遠小于普通的多模光纖，因此，不僅增加了測溫系統(tǒng)的探測距離，而且還提高了測溫 系統(tǒng)的空間分辨率。解決了現(xiàn)有的多模光纖的分布式拉曼測溫系統(tǒng)光纖傳輸損耗較大，且 由于模間色散的影響，所導致測溫系統(tǒng)的探測距離和空間分辨率受限的技術(shù)問題。
[0023] 本申請?zhí)峁┑幕谀Ｊ綇陀玫睦植际綔y溫系統(tǒng)，光在少模光纖中傳輸?shù)倪^程 中，部分模式的模場面積較單模光纖而言較大，能夠容忍更高的入纖光功率，提升探測距 離，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于單模光纖的分布式拉曼測溫系統(tǒng)的傳感光纖的模場面積較小， 入纖光功率受限，探測距離受限的技術(shù)問題。
[0024] 另外，本申請引入模式復用解復用器，采用一根傳感光纖（少模光纖）即實現(xiàn)了多 通道的同時測量，使得測量時間大大降低。
【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述 中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些 實施例。
[0026]圖1為本申請較佳實施方式一種基于模式復用的拉曼分布式測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖。
【具體實施方式】
[0027] 本申請實施例通過提供一種基于模式復用的拉曼分布式測溫系統(tǒng)和測溫方法，改 善了現(xiàn)有技術(shù)中的多模光纖和單模光纖的探測距離較小的技術(shù)問題。
[0028] 本申請實施例中的技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，總體思路如下：
[0029] 本申請?zhí)峁┮环N基于模式復用的拉曼分布式測溫系統(tǒng)，所述測溫系統(tǒng)包括：
[0030] 脈沖激光器，用于發(fā)出脈沖激光；
[0031] 模式復用解復用器，通過單模光纖與所述脈沖激光器連接，接收所述脈沖激光，將 接收的脈沖激光變換為m路等功率的光，進行模式復用，并輸出；
[0032] 少模光纖，與所述模式復用解復用器連接，接收所述模式復用解復用器輸出的m 路光，所述m路光激勵少模光纖中的指定的m個模式，在所述少模光纖中傳播，并產(chǎn)生背向 散射光，背向散射光反向傳輸進入所述模式復用解復用器，所述模式復用解復用器將散射 光分解為m個散射光并輸出；
[0033] m個拉曼濾波器，分別通過單模光纖與所述模式復用解復用器連接，所述拉曼濾波 器接收所述m個散射光，并將拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光分別濾波后輸出；
[0034] 2m個光電轉(zhuǎn)換模塊，分別與所述m個拉曼濾波器連接，接收對應(yīng)的拉曼濾波器輸 出的m路拉曼斯托克斯散射光和m路拉曼反斯托克斯散射光，進行光電轉(zhuǎn)換，并輸出電信 號；
[0035] 信號處理器，對所述2m個光電探測器的輸出電信號進行處理，得到溫度信息。
[0036] 本申請?zhí)峁┑幕谀Ｊ綇陀玫睦植际綔y溫系統(tǒng)，由于光纖傳輸損耗較小，模 間色散遠小于普通的多模光纖，因此，不僅增加了測溫系統(tǒng)的探測距離，而且還提高了測溫 系統(tǒng)的空間分辨率。解決了現(xiàn)有的多模光纖的分布式拉曼測溫系統(tǒng)光纖傳輸損耗較大，且 由于模間色散的影響，所導致測溫系統(tǒng)的探測距離和空間分辨率受限的技術(shù)問題。
[0037] 本申請?zhí)峁┑幕谀Ｊ綇陀玫睦植际綔y溫系統(tǒng)，光在少模光纖中傳輸?shù)倪^程 中，部分模式的模場面積較單模光纖而言較大，能夠容忍更高的入纖光功率，提升探測距 離，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于單模光纖的分布式拉曼測溫系統(tǒng)的傳感光纖的模場面積較小， 入纖光功率受限，探測距離受限的技術(shù)問題。
[0038] 另外，本申請引入模式復用解復用器，采用一根傳感光纖（少模光纖）即實現(xiàn)了多 通道的同時測量，使得測量時間大大降低。
[0039] 為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上 述技術(shù)方案進行詳細的說明。
[0040] 本申請?zhí)峁┮环N基于模式復用的拉曼分布式測溫系統(tǒng)，如圖1所示，為本申請較 佳實施方式一種基于模式復用的拉曼分布式測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。所述測溫系統(tǒng)包括脈 沖激光器11、模式復用解復用器12、少模光纖13、m個拉曼濾波器17、2m光電轉(zhuǎn)換模塊14、 信號處理器15和同步源16。
[0041] 所述脈沖激光器11用于發(fā)出脈沖激光。所述脈沖激光器11可以為全光纖的脈 沖激光器，或集成化的半導體脈沖激光器。在本實施方式中，所述脈沖激光器11的波長為 1550ο
[0042] 所述模式復用解復用器12通過單模光纖與所述脈沖激光器連接，所述模式復用 解復用器12包括接口 Α、接口 B和m個接口 C，其中，接口 A連接單模光纖；接口 B連接所述 少模光纖13,接口 C連接單模光纖。
[0043] 所述模式復用解復用器12的工作原理如下，所述模式復用解復用器12從接口 A 接收所述脈沖激光器11的脈沖激光的輸入，再將接收的脈沖激光變換為m路等功率的光， 進行模式復用，通過接口 B進入少模光纖13,同時激勵少模光纖13中的指定的m個模式，在 所述少模光纖13中傳播，并產(chǎn)生背向散射光，背向散射光反向傳輸進入所述模式復用解復 用器12,并且，所述模式復用解復用器12可以根據(jù)不同模式，將從少模光纖13中返回的散 射光分解為m路，通過m接口 C分別