分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910144287.8 (22)申请日 2019.02.27 (71)申请人 上海拜安传感技术有限公司 地址 200120 上海市浦东新区中国(上海) 自由贸易试验区蔡伦路150号4号楼4 楼 (72)发明人 刘昌霞钟少龙李健吴迅奇 杨兴 (51)Int.Cl. G01K 11/32(2006.01) (54)发明名称 一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传 感器 (57)摘要 本发明公开了一种涉及光学领域的分布式 单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 括激光器和 波形发生器， 。

2、激光器与开关型半导体光放大器连 接， 波形发生器连接开关型半导体光放大器， 开 关型半导体光放大器输出端与掺饵光纤放大器 的输入端连接， 掺饵光纤放大器的输出端与光纤 光栅滤波器的输入端连接， 采用较大光功率激光 器， 经过开关型半导体光放大器和掺饵光纤放大 器的双重放大， 具有超高的消光比， 经过光纤光 栅滤波器带宽外滤波和马赫-曾德尔调制器带宽 内滤波， 大幅度提升了光脉冲的信噪比， 可以用 于探测单模光纤， 可以实现单模光纤30km的探测 距离， 系统安装简单， 易于实现超长距离的精准 测温， 而且不受光纤应变影响。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 110031124 A 2。

3、019.07.19 CN 110031124 A 1.一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 包括激光器 （1） 和波形发生器 （17） ， 其特征在于， 所述激光器 （1） 的输出端与开关型半导体光放大器 （2） 的输入端连接， 所述波 形发生器 （17） 连接开关型半导体光放大器 （2） ， 所述开关型半导体光放大器 （2） 输出端与掺 饵光纤放大器 （3） 的输入端连接， 所述掺饵光纤放大器 （3） 的输出端与光纤光栅滤波器 （4） 的输入端连接， 所述光纤光栅滤波器 （4） 的输出端与马赫-曾德尔调制器 （5） 的输入端连接， 所述马赫-曾德尔调制器 （5） 的输出端通过耦合器 （。

4、6） 连接一号光纤波分复用器 （8） 和二号 光纤波分复用器 （9） ， 所述一号光纤波分复用器 （8） 和二号光纤波分复用器 （9） 的输出端口 分别与一号光纤滤波器 （10） 和二号光纤滤波器 （11） 的输入端连接， 所述一号光纤滤波器 （10） 和二号光纤滤波器 （11） 的输出端口分别与一号探测器 （12） 和二号探测器 （13） 的输入 端口连接， 所述一号探测器 （12） 和二号探测器 （13） 的输出端口均连接双路放大电路 （14） ， 所述双路放大电路 （14） 通过两通道采集卡 （15） 连接计算机 （16） 。 2.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器。

5、， 其特征在于， 所述 耦合器设有一个输入端口和三个输出端口， 耦合器的输入端口连接背向拉曼散射光发生 源， 所述耦合器 （6） 的第一输出端口连接单模光纤 （7） ， 耦合器 （6） 的第二输出端口和第三输 出端口分别连接一号光纤波分复用器 （8） 和二号光纤波分复用器 （9） 。 3.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 其特征在于， 所述 波形发生器 （17） 与马赫-曾德尔调制器 （5） 连接。 4.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 其特征在于， 所述 波形发生器 （17） 连接计算机 （16） 。 5.根据权利要求1所述的分布式单模光纤。

6、超长距离拉曼测温传感器， 其特征在于， 所述 激光器 （1） 为窄线宽高功率激光器。 6.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 其特征在于， 所述 马赫-曾德尔调制器 （5） 的消光比大于30dBm。 7.根据权利要求3所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 其特征在于， 所述 波形发生器 （17） 设有两个同步产生电脉冲信号的通道。 8.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 其特征在于， 所述 一号光纤滤波器 （10） 和二号光纤滤波器 （11） 为1450nm光纤滤波器和1663nm光纤滤波器。 9.根据权利要求1所述的分布式单模光纤超长距。

7、离拉曼测温传感器， 其特征在于， 所述 一号光纤滤波器 （10） 和二号光纤滤波器 （11） 为1450nm的单模光纤波分复用器和1663nm的 单模光纤波分复用器。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110031124 A 2 一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器 技术领域 0001 本发明涉及一种光学领域， 具体是一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感 器。 背景技术 0002 分布式光纤传感技术中光纤既是信息传输媒介又是感测单元， 分布式拉曼温度传 感技术是用于实时测量温度场分布的光纤传感技术， 基于拉曼散射中的反斯托克斯(Anti- Stokes) 光对温度敏感， 但是斯托克斯(S。

8、tokes)光对温度不敏感， 用该属性可以测量整个 光纤长度上的温度分布情况。 现有的分布式光纤温度传感器大多以多模光纤作为传感介 质， 但是由于多模光纤的色散模式限制了系统空间分辨率的提高。 0003 单模分布式拉曼测温传感技术作为分布式光纤传感技术的一种， 区别于传统的多 模分布式拉曼测温传感技术， 测量的难点主要在于对微弱信号的探测， 并很难实现超长距 离的分布式温度监测， 目前的分布式拉曼测温传感技术如公告号为CN 105910728B的申请 公开了一种高空间分辨率拉曼测温传感器及测温方法， 公告号为CN 108020345A的申请公 开了一种基于单模光纤拉曼散射效应的分布式光纤测温装。

9、置等， 目前的这些系统都不能同 时实现单模光纤传感、 超长距离监测、 精准温度测量。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 以解决上 述背景技术中提出的问题。 0005 为实现上述目的， 本发明提供如下技术方案： 0006 一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 包括激光器和波形发生器， 所述 激光器的输出端与开关型半导体光放大器的输入端连接， 所述波形发生器连接开关型半导 体光放大器， 所述开关型半导体光放大器输出端与掺饵光纤放大器的输入端连接， 所述掺 饵光纤放大器的输出端与光纤光栅滤波器的输入端连接， 所述光纤光栅滤波器的输出端与 马赫 。

10、-曾德尔调制器的输入端连接， 所述马赫-曾德尔调制器的输出端通过耦合器连接一 号光纤波分复用器和二号光纤波分复用器， 所述一号光纤波分复用器和二号光纤波分复用 器的输出端口分别与一号光纤滤波器和二号光纤滤波器的输入端连接， 所述一号光纤滤波 器和二号光纤滤波器的输出端口分别与一号探测器和二号探测器的输入端口连接， 所述一 号探测器和二号探测器的输出端口均连接双路放大电路， 所述双路放大电路通过两通道采 集卡连接计算机。 0007 作为本发明进一步的方案： 所述耦合器设有一个输入端口和三个输出端口， 耦合 器的输入端口连接背向拉曼散射光发生源， 所述耦合器的第一输出端口连接单模光纤， 耦 合器的。

11、第二输出端口和第三输出端口分别连接一号光纤波分复用器和二号光纤波分复用 器。 0008 作为本发明再进一步的方案： 所述波形发生器与马赫-曾德尔调制器连接。 说明书 1/4 页 3 CN 110031124 A 3 0009 作为本发明再进一步的方案： 所述波形发生器连接计算机。 0010 作为本发明再进一步的方案： 所述激光器为窄线宽高功率激光器。 0011 作为本发明再进一步的方案： 所述马赫-曾德尔调制器的消光比大于30dBm。 0012 作为本发明再进一步的方案： 所述波形发生器设有两个同步产生电脉冲信号的通 道。 0013 作为本发明再进一步的方案： 所述一号光纤滤波器和二号光纤滤波。

12、器为1450nm光 纤滤波器和1663nm光纤滤波器。 0014 作为本发明再进一步的方案： 所述一号光纤滤波器和二号光纤滤波器为1450nm的 单模光纤波分复用器和1663nm的单模光纤波分复用器。 0015 与现有技术相比， 本发明的有益效果是： 采用较大光功率激光器， 经过开关型半导 体光放大器和掺饵光纤放大器的双重放大， 可以使注入单模光纤的光脉冲的峰峰值功率达 到 34dBm； 具有超高的消光比， 经过光纤光栅滤波器带宽外滤波和马赫-曾德尔调制器带宽 内滤波， 大幅度提升了光脉冲的信噪比， 可以使注入单模光纤的光脉冲消光比达到70dB； 可 以用于探测单模光纤， 可以实现单模光纤30。

13、km的探测距离， 具有1的测量精度， 空间分 辨率为3m； 系统安装简单， 易于实现超长距离的精准测温， 而且不受光纤应变影响， 本发明 结构简单、 实用性强、 易于使用和推广。 附图说明 0016 图1为分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器的结构示意图。 0017 其中： 激光器1、 开关型半导体光放大器2(SOA)、 掺饵光纤放大器3(EDFA)、 光纤光 栅滤波器4、 马赫-曾德尔调制器5(MZM)、 耦合器6、 单模光纤7、 一号光纤波分复用器 8 (WDM1)、 二号光纤波分复用器9(WDM2)、 一号光纤滤波器10、 二号光纤滤波器11、 一号探测器 12(APD1)、 二号探测器。

14、13(APD2)、 双路放大电路14、 两通道采集卡15、 计算机16、 波形发生器 17(AWG)。 具体实施方式 0018 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。 0019 实施例1： 0020 请参阅图1， 本发明实施例中， 一种分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器， 所 述激光器1的输出端与开关型半导体光放大器2的输入端连接， 用于激光器1输出的。

15、单频连 续激光进入开关型半导体光放大器2中； 0021 所述波形发生器17连接开关型半导体光放大器2， 用于波形发生器17输出的电脉 冲信号加载到开关型半导体光放大器2上， 将连续激光调制成脉冲光； 所述波形发生器17 还与马赫-曾德尔调制器5连接， 用于波形发生器17输出同步电脉冲信号加载到马赫-曾德 尔调制器5， 产生同步的光脉冲信号。 0022 所述开关型半导体光放大器2输出端与掺饵光纤放大器3的输入端连接， 用于脉冲 说明书 2/4 页 4 CN 110031124 A 4 光功率的放大。 0023 所述掺饵光纤放大器3的输出端与光纤光栅滤波器4的输入端连接， 用于滤除滤波 器带宽外的。

16、噪声， 以提高信噪比。 0024 所述光纤光栅滤波器4的输出端与马赫-曾德尔调制器5的输入端连接， 用于消除 带宽内的噪声， 得到高消光比的光脉冲信号。 0025 所述马赫-曾德尔调制器5的输出端与耦合器6的输入端连接， 所述耦合器设有一 个输入端口和三个输出端口， 耦合器的输入端口连接背向拉曼散射光发生源， 背向拉曼散 射光通过耦合器6输入端口输入， 所述耦合器6的第一输出端口连接单模光纤7， 耦合器6的 第二输出端口和第三输出端口分别连接一号光纤波分复用器8和二号光纤波分复用器9， 通 过耦合器6第一输出端口， 将脉冲光注入单模光纤7中， 第二输出端口和第三输出端口连接 的一号光纤波分复用。

17、器8和二号光纤波分复用器9， 用于将斯托克斯光Stokes和反斯托克斯 光Anti-Stokes分离出来。 0026 所述一号光纤波分复用器8输出端口和二号光纤波分复用器9输出端口分别与一 号光纤滤波器10和二号光纤滤波器11的输入端连接， 用于滤除斯托克斯光Stokes和反斯托 克斯光Anti-Stokes的白噪声， 并提高边带的抑制比。 0027 所述一号光纤滤波器10和二号光纤滤波器11的输出端口分别与一号探测器12的 输入端口和二号探测器13的输入端口连接， 用于将光信号转化为电信号。 0028 所述一号探测器12的输入端口和二号探测器13的输出端口均连接双路放大电路 14， 用于微弱。

18、的电信号的放大。 0029 所述双路放大电路14的输出端与两通道采集卡15的输入端连接， 用于两路电信号 的采集， 所述两通道采集卡15通过网线连接计算机16， 用于数据的传输， 波形发生器17连接 计算机16， 计算机16通过网线控制波形发生器17， 使其控制波形发生器17脉冲的输出。 0030 具体地， 所述激光器1为窄线宽高功率激光器， 可以保障光信号长距离的传播。 0031 具体地， 所述马赫-曾德尔调制器5， 其消光比需要达到30dBm以上。 0032 具体地， 所述波形发生器17设有两个通道， 产生两个同步的电脉冲信号， 以保证加 载在开关型半导体光放大器2和马赫-曾德尔调制器5的。

19、光脉冲的同步性。 0033 具体的， 所述一号光纤滤波器10和二号光纤滤波器11为1450nm光纤滤波器和 1663nm 光纤滤波器， 或1450nm的单模光纤波分复用器和1663nm的单模光纤波分复用器， 以 同样起到提升边带抑制比的作用。 0034 实施例2： 0035 所述分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器装置， 具体操作时包括以下步骤： 0036 步骤一、 激光器1的光进入到开关型半导体光放大器2中， 调制成了放大的脉冲光； 0037 步骤二、 脉冲光经过掺饵光纤放大器3进行放大； 0038 步骤三、 将放大的脉冲光经过光纤光栅滤波器4进行带宽外噪声滤波； 0039 步骤四、 通过马。

20、赫-曾德尔调制器5将带宽内的噪声进行滤波， 同时提高信噪比； 0040 步骤五、 再通过耦合器6的第一输出端口进入单模传感光纤； 0041 步骤六、 背向的拉曼散射信号通过耦合器6的输入端口输入， 通过第二端口和第三 端口进行输出； 0042 步骤七、 通过一号光纤波分复用器8和二号光纤波分复用器9， 将stokes光和anti- 说明书 3/4 页 5 CN 110031124 A 5 stokes 光进行分离； 0043 步骤八、 再通过一号光纤滤波器10和二号光纤滤波器11进行噪声滤波； 0044 步骤九、 分别用一号探测器12和二号探测器13， 将光信号转化成电信号； 0045 步骤十。

21、、 通过双路放大电路14进行拉曼电信号的放大； 0046 步骤十一、 通过两通道采集卡15， 进行信号的采集； 0047 步骤十二、 通过网线将两通道采集卡15采集到的数据传输到计算机16中进行数据 的处理。 0048 所述分布式单模光纤超长距离拉曼测温传感器装置， 采用较大光功率激光器， 经 过开关型半导体光放大器和掺饵光纤放大器的双重放大， 可以使注入单模光纤的光脉冲的 峰峰值功率达到34dBm； 具有超高的消光比， 经过光纤光栅滤波器带宽外滤波和马赫-曾德 尔调制器带宽内滤波， 大幅度提升了光脉冲的信噪比， 可以使注入单模光纤的光脉冲消光 比达到70dB； 可以用于探测单模光纤， 可以实。

22、现单模光纤30km的探测距离， 具有1的测 量精度， 空间分辨率为3m； 系统安装简单， 易于实现超长距离的精准测温， 而且不受光纤应 变影响。 0049 对于本领域技术人员而言， 显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下， 能够以其他的具体形式实现本发明。 因此， 无论 从哪一点来看， 均应将实施例看作是示范性的， 而且是非限制性的， 本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定， 因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。 不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 0050 此外， 应当理解， 虽然本说明书按照实施方式加以描述， 但并非每个实施方式仅包 含一个独立的技术方案， 说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当 将说明书作为一个整体， 各实施例中的技术方案也可以经适当组合， 形成本领域技术人员 可以理解的其他实施方式。 说明书 4/4 页 6 CN 110031124 A 6 图1 说明书附图 1/1 页 7 CN 110031124 A 7 。