距离的方法
技术领域
[0001] 本
发明涉分布式自发拉曼散射温度传感器技术领域，尤其涉及一种
基于多波长偏振光提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的方法及系统。
背景技术
[0002] 分布式光纤温度传感器是近年来发展的一种用于实时测量空间温度分布的光纤传感系统。此技术商业化比较成熟了，但是仍存在一些不完善的地方。目前拉曼分布式温度传感器发展的方向是长距离，高
精度。
[0003] 整个系统的
信噪比影响了分布式光纤传感器的工作距离，而射入光脉冲的信噪比是影响分布式光纤传感器的工作距离的最关键因素。对于长工作距离的分布式光纤温度传感器，距离越长，末端的光功率越弱，信噪比就越低。同时，受到光纤非线性效应的影响，限制了注入光的最大光功率，距离越长越容易发生非线性效应，所以要进一步降低入射光功率，这样就形成了恶性循环。为了提高光脉冲的信噪比，必须提高功率或者降低噪音。但是噪音有个最低极限，一般来说只能提高注入
光源强度，提高注入光强度是一种有效简单的方法，上面分析到了，光功率是有一定极限，可以通过偏振复用或者多波长复用技术可以避免非线性效应，两者的结合也能进一步提高入射光的信噪比。
发明内容
[0004] 针对
现有技术的
缺陷或改进需求，本发明提供了一种提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的方法，其目的在于产生一种结构简单，成本低，简单有效的方法来增大工作距离。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 提供一种基于多波长偏振光提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的系统，包括多个
激光器、多个偏振合束器、多波长偏振合束器、拉曼波分复用器、
雪崩光电
二极管、
数据采集卡、解调
算法单元和激光器驱动板；
[0007] 多个激光器的输入端均与激光器驱动板连接；其中两个激光器为一组，每组激光器输出波长一致的两束
正交的偏振光，每组激光器的输出端均与偏振合束器的输入端口连接；多个偏振合束器的输出端口均与多波长偏振合束器的输入端连接；
[0008] 多波长偏振合束器的输出端与拉曼波分复用器的输入端口连接，拉曼波分复用器的公共输出端口连接传感光缆；拉曼波分复用器的
信号端口连接雪崩
光电二极管的输入端；
[0009]
雪崩光电二极管光的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡还与激光器驱动板连接，数据采集卡的输出端与解调算法单元连接。
[0010] 本发明所述的系统中，多波长偏振合束器的输出端通过保偏光纤与拉曼波分复用器的输入端口连接。
[0011] 本发明所述的系统中，每两个激光器的输出端均通过保偏光纤与偏振合束器的输入端口连接。
[0012] 本发明所述的系统中，多个振合束器的输出端口均通过保偏光纤与多波长偏振合束器的输入端连接。
[0013] 本发明还提供了一种基于多波长偏振光提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的方法，包括以下步骤：
[0014] 将多波长正交的偏振光通过多波长偏振合束器输出到拉曼波分复用器，并通过拉曼波分复用器的公共输出端口输出到传感光缆；
[0015] 多波长偏振光在传感光缆中产生反向的斯托克斯光和反斯托克斯光，反向的斯托克斯光和反斯托克斯光经过拉曼波分复用器进入雪崩光电二极管的输入端，经过其进行光电转换和放大，放大后的信号通过数据采集卡同步采集数据；
[0016] 采集的数据通过解调算法单元进行解调，以解调出温度信息。
[0017] 本发明所述的方法中，通过偏振合束器输出的两束偏振光的偏振态不变。
[0018] 本发明所述的方法中，通过偏振合束器的两束正交的偏振光的光强相差不超过3dB，波长一致。
[0019] 本发明所述的方法中，输入到不同偏振合束器的偏振光的波长不同，且波长相差不超过10nm，光强相差不超过3dB。
[0020] 本发明产生的有益效果是：本发明通过使用多波长的正交的偏振光，使得分布式自发拉曼散射温度传感器能够承载的最大光功率提高多倍，从而可以使传感器工作距离延长。单独使用偏振复用技术，使信噪比提高3dB。单独使用多波长技术，可以使信噪比提高10*log(N)，N为波长数。联合使用两种技术，可以提高信噪比10*log(2N)。
附图说明
[0021] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0022] 图1是本发明实施例提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的多波长正交偏振光源设计示意图；
[0023] 图2是本发明实施例提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的系统结构示意图；
[0024] 图3是本发明实施例提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的方法
流程图；
[0025] 图4是光纤中散射示意图。
具体实施方式
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027] 关于如何提高分布式自发拉曼散射温度传感系统工作距离，现有科研人员的解决方案中有一种思维局限，那就是多波长光源单色性变差，噪音增大。所以现有方案一般都是提高光源的单色性，也就用单波长、单纵模、窄线宽的激光器。对于分布式自发拉曼散射来说，使用多波长光源在一定范围内，单色性变差，噪音增大，但是信号增大的更高，那么信号和噪音的比值还是增大的，即光源信噪比提高。经过多年的研究，本发明打破思维定式，提出用多波长来提高光源信噪比。同2015年
申请人所提出的偏振光提高光源信噪比的方案相比，从原理上是明显的不同。一个是利用偏振，一个利用的是多波长。
[0028] 本发明基于多波长偏振光提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的系统，包括多个激光器、多个偏振合束器、多波长偏振合束器、拉曼波分复用器、雪崩光电二极管、数据采集卡、解调算法单元和激光器驱动板；
[0029] 多个激光器的输入端均与激光器驱动板连接；其中两个激光器为一组，每组激光器输出波长一致的两束正交的偏振光，每组激光器的输出端均与偏振合束器的输入端口连接；多个偏振合束器的输出端口均与多波长偏振合束器的输入端连接；
[0030] 多波长偏振合束器的输出端与拉曼波分复用器的输入端口连接，拉曼波分复用器的公共输出端口连接传感光缆；拉曼波分复用器的信号端口连接雪崩光电二极管的输入端；
[0031] 雪崩光电二极管光的输出端与数据采集卡连接，数据采集卡还与激光器驱动板连接，数据采集卡的输出端与解调算法单元连接。
[0032] 整个系统可以分成两个部分，光源和后续处理的两大
块。图1示出了是本发明实施例一种提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离多波长正交偏振光源设计图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
[0033] 整个系统的光源部分包括第一激光器(保偏光纤输出)1，输出线偏振光；第二激光器(保偏光纤输出)2，输出线偏振光；第一保偏光纤3，保持线偏振光的偏振态；第二保偏光纤4，保持线偏振光的偏振态；第一偏振合束器5，把两束线偏振光合到一根光纤中，并使偏振态不变；第三保偏光纤6，传输两束正交偏振态的光；第三激光器(保偏光纤输出)7，输出线偏振光；第四激光器(保偏光纤输出)8，输出线偏振光；第四保偏光纤9，保持线偏振光的偏振态；第五保偏光纤10，保持线偏振光的偏振态；第二偏振合束器11，把两束线偏振光合到一根光纤中，并使偏振态不变；第六保偏光纤12，传输两束正交偏振态的光；多波长偏振合束器13，把多个波长的偏振光合到一根保偏光纤中，并使偏振态不变，波长不改变；第七保偏光纤14，传输多波长正交偏振态的光。
[0034] 光源工作时，每个波长都有两束正交的偏振光；不同偏振态的光源光强相差不超过3dB；不同波长的光源光强相差不超过3dB。整个光源是为了后续信号的产生和解调服务的。
[0035] 图2是本发明实施例一种提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的方法和系统示意图；第一激光器(保偏光纤输出)1、第二激光器(保偏光纤输出)2、第一保偏光纤3、第二保偏光纤4、第一偏振合束器5、第三保偏光纤6、第三激光器(保偏光纤输出)7、第四激光器(保偏光纤输出)8、第四保偏光纤9、第五保偏光纤10、第二偏振合束器11、第六保偏光纤12、多波长偏振合束器13、第七保偏光纤14、拉曼波分复用器(拉曼WDM)15、传感光缆16、雪崩光电二极管(APD)17、数据采集卡18、解调算法单元19和激光器驱动板20。
[0036] 图1是图2中1～14器件组成的，输出的多波长正交的偏振光接入到拉曼WDM的1550nm输入端口；拉曼WDM的公共输出端口连接传感光缆，在传感光缆中产生了反向的斯托克斯光和反斯托克斯光；反向的斯托克斯光和反斯托克斯光经过拉曼WDM进入雪崩光电二极管的输入；信号光经过APD光电转换和放大，进入数据采集卡中，同时激光器驱动产生
同步信号给数据采集卡，同步采集数据；最后进行解调算法单元，解
调温度信息。
[0037] 温度解调算法单元可采用多种解调算法，本发明实施例所采用的解调算法原理如下：
[0038] 拉曼散射光由斯托克斯光(Stoker)和反斯托克斯光(Anti-Stoker)组成，这两种光的波长的偏移量由光纤的材料决定,斯托克斯光和反斯托克斯光强度与温度有光,其关系如下
[0039] Stoker光强度：
[0040]
[0041] Anti-Stoker光强度：
[0042]
[0043] 式中λs：斯托克斯光波长；λas：反斯托克斯光波长；Δν：
拉曼频移；c：
真空中的光速；h：普朗克常量；k：玻尔兹曼常最；T：绝对温度。
[0044] 实际中，由于白噪音的存在得到的两条强度曲线信噪比很差，需要通过多条曲线累加来提高信噪比(信号累加会加强，白噪音累加会减弱)，再进行下一步解调。
[0045] 本系统采用Anti-Stokes与Stokes散射比的温度解调方式，在实际系统中除光纤的温度因素外,光脉冲源的功率
波动、光纤弯曲
变形等情况都会影响到Anti-Stokes光强度。将Stokes光做为参考通道,用Anti-Stokes与Stokes光强度的散射比做为温度因子,可有效的提高测量精度。
[0046]
[0047] 对于一个已知定标温度T0，可以把上式表示为：
[0048]
[0049] 那么通过上式可以解调出传感光缆的分布式温度信息。
[0050] 本发明的创新点和特色是采用多波长光源和偏振光，原理如下：
[0051] 拉曼效应有一个重要特点，从理论上说受激拉曼散射
阈值对应的是一个单色光，实际上我们的光源是有线宽的，线宽越窄，单色性越好。线宽越宽，单色性越差。如果我们采用单色性差的光源，从
频谱上看就是
光谱越宽的光源，它的总
能量可以很高，但是不会发生受激拉曼效应，因为分配到每一个单色光的能量没有达到拉曼阈值。
[0052] 拉曼光谱的频移在13THz附近，是有一定线宽的，如图4所示。APD接收到的信号时一定线宽内光的总能量，是一种强度的解调，和光源的单色性无关。
[0053] 拉曼效应还有一个重要特点，就是散射光的偏振态和入射光相同，散射光和入射光的能量会发生互相转变。正交的偏振光增大了入射光功率，也就是增大了散射信号的强度。但是由于偏振方向不一致，对受激拉曼散射的影响是独立的，互不影响，那么不会发生受激拉曼散射。这就很好的解决了光功率的增大会带来光学非线性效应的产生。
[0054] 综上所述，理论上我们可以通过采用多波长偏振激光光源扩宽光源线宽，提高光源性噪比，提高入射光源功率，但是不引起受激拉曼效应。同时APD采集的
光信号几乎不受影响，与此同时信号强度还增大。理论上光源信噪比提高了10*log(2N)，N为复用的波长数，按照目前光纤损耗0.2dB/km计算，可以使传感器工作距离延长25*log(2N)公里。
[0055] 本发明实施例的提高分布式自发拉曼散射温度传感器工作距离的方法，基于上述系统，如图3所示，主要包括以下步骤：
[0056] S1、将多波长正交的偏振光通过偏振合束器和多波长偏振合束器输出到拉曼波分复用器，并通过拉曼波分复用器的公共输出端口输出到传感光缆；
[0057] S2、多波长偏振光在传感光缆中产生反向的斯托克斯光和反斯托克斯光；
[0058] S3、反向的斯托克斯光和反斯托克斯光经过拉曼波分复用器进入雪崩光电二极管的输入端，经过其进行光电转换和放大；
[0059] S4、放大后的信号通过数据采集卡同步采集数据；
[0060] S5、采集的数据通过解调算法单元进行解调，以解调出温度信息。
[0061] 综上，本发明的主要优点有：
[0062] (1)传感器工作距离延长25*log(2N)公里。因为N个激光器输出的光是不同波长的光，而且同一波长下偏振态是正交的，使得分布式自发拉曼散射温度传感器能够承载的最大光功率提高2N倍，传感器的灵敏度和信噪比改善了10*log(2N)dB。按照目前光纤损耗0.2dB/km计算，可以使传感器工作距离延长25*log(2N)公里。目前来说，分布式拉曼温度传感器10公里技术是比较成熟的，30公里基本没有商业化，都在研发阶段，本方法使工作距离延迟25*log(N)里是分布式传感中一个重要改进。
[0063] (2)提高了传感器的测量精度。测量的精度关键影响因素是信噪比，决定信噪比的一个重要因素是注入光源强度，提高注入光强度是一种有效简单的方法。
[0064] (3)通用性好。该方法也可以用在其他分布式传感器中。比如通信用的光时域反射计OTDR，基于布里渊散射原理的分布式光纤传感技术，注入光脉冲功率也受限于非线性效应，同理可以提高动态范围。
[0065] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附
权利要求的保护范围。
