基于频域解析的分布式光纤温度传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术设计一种基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，是采用拉曼光频域反射技术实现，其实现方式为对连续光源通过调制器按照固定步长进行正弦强度调制，通过分析拉曼散射信号相对于参考光的传递函数，获得信号的幅度和相位信息，进行频域转换为空间域信号，计算出温度和距离定位，本装置测温指标不会受到光纤本身特性影响，前后端空间分辨率指标能够保持一致，随着光器件和电子设备的发展，监测距离和空间分辨率均有很大的提升空间，该装置主要应用于管道泄漏监测、电缆温度监测和皮带机轴温监测等长距离温度监测领域。

Distributed Optical Fiber Temperature Sensor Based on Frequency Domain Analysis

The invention designs a distributed optical fiber temperature sensor based on frequency domain analysis, which is realized by Raman optical frequency domain reflection technology. The method is to modulate the sinusoidal intensity of a continuous light source through a modulator according to a fixed step size. By analyzing the transfer function of Raman scattering signal relative to the reference light, the amplitude and phase information of the signal is obtained, and the frequency domain is converted into space. Domain signal, calculating temperature and distance location, the temperature measurement index of this device will not be affected by the characteristics of optical fiber itself, and the spatial resolution index of front and rear end can be kept consistent. With the development of optical devices and electronic equipment, the monitoring distance and spatial resolution have a great space to improve. This device is mainly used in pipeline leakage monitoring, cable temperature monitoring and belt conveyor axis temperature monitoring. Long-distance temperature monitoring field.

【技术实现步骤摘要】
基于频域解析的分布式光纤温度传感装置
：本专利技术涉及应用于长距离测温领域，具体的说是一种采用光纤作为传感单元进行温度测量的基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，。
技术介绍
：分布式光纤温度传感技术是指光纤中传输的光信号对温度这一物理量具有敏感性的技术，由于光纤固有的抗电磁干扰、绝缘性好、传输距离远等优势，主要应用于石油石化、电力、港口等长距离监测领域。分布式温度传感技术实现主要采用光纤中的散射效应，其中瑞利散射对温度的敏感性差，应用较少；布里渊散射存在应力和温度交叉敏感问题，在实际应用中易受影响；拉曼散射仅对温度单一物理量敏感性好，且信号易于分离，是分布式光纤温度传感中最常用的方式。拉曼光时域反射技术是目前光纤温度传感器实现的主要技术，实现方式为光源发出脉冲激光到光纤，产生拉曼散射光信号，通过探测后向散射光的时间差进行定位，由于技术成熟、器件成本较低等优势，得到广泛的应用。随着十几年技术的发展，存在的问题也逐步展现，其中最主要的问题为空间分辨率和监测长度之间的冲突。由于拉曼散射信号较微弱，需要采用大功率脉冲光源实现，要实现长达几十公里的监测距离，就需要保证发出去的脉冲具有较高的能量。增加峰值功率或脉冲宽度均可增加脉冲的能量，但峰值功率提升较高时，会产生非线性效应导致测温异常；脉冲宽度增加会导致空间分辨率变大，准确测量出温度值所需要的光纤长度会越长。另外由于光纤中的色散效应，随着传输距离整机，脉冲宽度会有一定的展宽，同样影响空间分辨率。国内张在宣团队对拉曼光时域反射技术研究做了大量工作，目前可实现30km传输距离，空间分辨率3m，温度波动度为±2℃，以上指标也是该技术能够达到的最好指标。
技术实现思路
本专利技术是采用拉曼光频域反射技术实现，其实现方式为对连续光源按照固定步长进行正弦强度调制，通过分析拉曼散射信号的幅度和相位信息，进行频域转换为空间域信号，计算出温度和距离定位。采用的光源为连续激光，对激光器功率要求较低，有利于实现长距离传输；空间分辨率受限于最大调制频率，不会影响光源能量，随着器件指标提升，空间分辨率可做到更小；传输的为连续激光器，不存在色散影响脉冲展宽的现象，可保证整条传感光缆上空间分辨率一致。本专利技术测温指标不会受到光纤本身特性影响，随着光器件和电子设备的发展，监测距离和空间分辨率均有很大的提升空间。该装置主要应用于管道泄漏监测、电缆温度监测和皮带机轴温监测等长距离温度监测领域。本专利技术可以通过以下措施达到：一种基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，其特征在于通过获得参考信号、拉曼斯托克斯信号和反斯托克斯信号的频域信息，得到斯托克斯和反斯托克斯的传递函数，后经过傅里叶逆变换得到温度和位置信息，包括：泵浦光源、调制器、分光比为1:99的分光器、波分复用器、定标光纤、感温探头、传感光纤、参考光探测器、2个信号光探测器、放大模块、采集卡、控制模块、上位机，其中泵浦光源激光输出与调制器一端相连接，调制器另一端连接分光比为1:99的分光器的输入端，分光比为1:99的分光器的1％输出端作为参考信号与参考光探测器相连接，分光比为1:99的分光器的99％输出端与波分复用器IN端相连接；波分复用器COM端与定标光纤一端连接，定标光纤另一端连接传感光纤连接；波分复用器的斯托克斯和反斯托克斯端分别与2个信号光探测器相连接；参考光探测器和信号光探测器输出端连接放大模块3个探测输入端，放大模块3个模拟输出端连接采集卡3个采集通道；采集卡通信接口连接上位机，同时控制模块控制端连接上位机，调制模块信号调制端连接调制器。本专利技术中所述的泵浦光源采用窄线宽直流光源，输出功率不小于400mW，中心波长为1550.12nm，光源需带有温控装置，内部设有TEC，光源驱动部分包含激光驱动电路、温控电路和反馈电路，其中激光驱动电路控制激光输出功率，温控电路控制TEC加热或制冷，保证激光器温度恒定，反馈电路主要通过激光器自带PD输出信号判断激光器是否正常。本专利技术中所述的调制器采用声光调制器或电光调制器，按照等距频率对泵浦光源进行正弦调制，对光源的最大调制频率不小于100MHz，可通过外部控制电路进行调制频率控制。本专利技术中所述的波分复用器为模块化设计，内部设有3个不同波长的WDM组成，其中包含1550nmWDM、1450nmWDM和1660nmWDM，其中1550nmWDM透射端作为模块IN端口，公共端作为模块COM端口，反射端与1450nmWDM的公共端相连，1450nmWDM的透射端作为模块的反斯托克斯端口，反射端与1660nmWDM的公共端相连，1660nmWDM透射端作为模块的斯托克斯端口。本专利技术中所述的定标光纤和传感光纤应保持型号一致，且定标光纤中设计温度探头，能够实时读取定标光纤所处环境问题，用于温度计算时标定。本专利技术中所述的参考光探测器采用PIN光电二极管实现，接收光为光源直接分出光，采用常规PIN探测器即可实现，此处设计采用带温控器件或包含外部恒温保护装置的InGaAs光电二极管实现，以保证探测器工作不受环境温度等因素影响。本专利技术中所述的信号光探测器采用雪崩光电二极管(APD)实现，系统中的拉曼散射信号非常微弱，需要高灵敏度探测器，此处设计采用带温控器件或包含外部恒温保护装置的InGaAs-APD实现，使用时需要外围高压模块驱动。本专利技术中所述的放大电路主要实现探测模拟信号放大，其中包含探测器的跨阻放大和增益放大两部分，放大电路带宽不小于200M，光电转换约为106V/W。本专利技术中所述的采集卡为高速数据采集卡，采集通道不少于3路，采样频率不小于200MSPS，通信接口采用PCIE高速传输。本专利技术中所述的控制电路为调制正弦信号输出电路，按照等距步长增加正弦调制频率控制，直至达到最大调制频率。本专利技术中所述上位机主要实现采集信号解调、温度信号修正和工作状态控制等，可采用PC设备或嵌入式设备实现。本专利技术的检测原理分析如下：泵浦激光光源从起始频率按照等频率间隔进行增加，调制光信号在光纤中传输会产生散射信号，对入射光产生的背向散射强度信息可用公式表示其中：A为散射损耗，IB为散射光信号强度，I0为输入激光强度，αB为散射光的传输损耗，l为光纤的长度，τ为光传输的时间τ＝2l/ν。对其进行傅里叶变换计算可得：IB(ω)＝AI0(ω)·(1-exp(-BL))BB＝αB+jωL/ν计算其传递函数如下：得到冲击响应函数为通过获得系统的传递函数，从而获得系统时间和空间信息，从而实现频域解析系统。泵浦光功率可表示为：其中，是平均输入功率；为功率调制幅度；φ0(ωmod,m)是初相位。对于每个测量频率均需要检测出对应的散射光相对于参考光的振幅和相位信息，在理想情况下调制深度为1，但为了保证激光器工作在线性区，调制深度要小于1。不同频率产生的后向散射斯托克斯和反斯托克斯光功率为：其中，为斯托克斯和反斯托克斯光的平均功率，为斯托克斯和反斯托克斯光的功率调制幅度，φS(ωmod,m)、φAS(ωmod,m)为斯托克斯和反斯托克斯的初相位。斯托克斯光和反斯托克斯光的振幅和初相位与调制频率相关，并且受温度和光纤衰减影响。通过测量出的振幅和相位关系，可得到其传递函数如下：由信号处理系统对传输函数进行快速反傅里叶变换，得到很好的近似离散冲击响应。hS(t本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，其特征在于通过获得参考信号、拉曼斯托克斯信号和反斯托克斯信号的频域信息，得到斯托克斯和反斯托克斯的传递函数，后经过傅里叶逆变换得到温度和位置信息，包括：泵浦光源、调制器、分光比为1:99的分光器、波分复用器、定标光纤、感温探头、传感光纤、参考光探测器、2个信号光探测器、放大模块、采集卡、控制模块、上位机。其中泵浦光源激光输出与调制器一端相连接，调制器另一端连接分光比为1:99的分光器的输入端，分光比为1:99的分光器的1％输出端作为参考信号与参考光探测器相连接，分光比为1:99的分光器的99％输出端与波分复用器IN端相连接；波分复用器COM端与定标光纤一端连接，定标光纤另一端连接传感光纤连接；波分复用器的斯托克斯和反斯托克斯端分别与2个信号光探测器相连接；参考光探测器和信号光探测器输出端连接放大模块3个探测输入端，放大模块3个模拟输出端连接采集卡3个采集通道；采集卡通信接口连接上位机，同时控制模块控制端连接上位机，调制模块信号调制端连接调制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，其特征在于通过获得参考信号、拉曼斯托克斯信号和反斯托克斯信号的频域信息，得到斯托克斯和反斯托克斯的传递函数，后经过傅里叶逆变换得到温度和位置信息，包括：泵浦光源、调制器、分光比为1:99的分光器、波分复用器、定标光纤、感温探头、传感光纤、参考光探测器、2个信号光探测器、放大模块、采集卡、控制模块、上位机。其中泵浦光源激光输出与调制器一端相连接，调制器另一端连接分光比为1:99的分光器的输入端，分光比为1:99的分光器的1％输出端作为参考信号与参考光探测器相连接，分光比为1:99的分光器的99％输出端与波分复用器IN端相连接；波分复用器COM端与定标光纤一端连接，定标光纤另一端连接传感光纤连接；波分复用器的斯托克斯和反斯托克斯端分别与2个信号光探测器相连接；参考光探测器和信号光探测器输出端连接放大模块3个探测输入端，放大模块3个模拟输出端连接采集卡3个采集通道；采集卡通信接口连接上位机，同时控制模块控制端连接上位机，调制模块信号调制端连接调制器。2.根据权利要求1所述的一种基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，其特征在于所述的泵浦光源采用窄线宽直流光源，输出功率不小于400mW，中心波长为1550.12nm，光源需带有温控装置，内部设有TEC，光源驱动部分包含激光驱动电路、温控电路和反馈电路，其中激光驱动电路控制激光输出功率，温控电路控制TEC加热或制冷，保证激光器温度恒定，反馈电路主要通过激光器自带PD输出信号判断激光器是否正常。3.根据权利要求1所述的一种基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，其特征在于所述的调制器采用声光调制器或电光调制器，按照等距频率对泵浦光源进行正弦调制，对光源的最大调制频率不小于100MHz，可通过外部控制电路进行调制频率控制。4.根据权利要求1所述的一种基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，其特征在于所述的波分复用器为模块化设计，内部设有3个不同波长的WDM组成，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔秋晓，乔聚华，沙文广，张凯，王晓岩，
申请(专利权)人：威海北洋光电信息技术股份公司，
类型：发明
国别省市：山东,37