产生并传输用于长距离测量的高能光脉冲的方法及设备技术

本发明专利技术说明一种产生并传输高能光脉冲的方法及设备。分布式温度传感器，通常使用光纤中的Ｒａｍａｎ散射，作为确定温度的手段。这里需指出，来自激光光源的光沿光纤发送，然后分析被散射回光源的少量光。随着光纤长度的增加，温度和损耗测量的分辨率变得更低劣。这是因为光纤中存在引起信号衰减的损耗。这一问题的一个解决方案，是把更强的光注入光纤来补偿损耗，但是，能注入多少光，是受受激Ｒａｍａｎ散射限制的。本发明专利技术通过使用脉冲变换方法，使得到的脉冲能量最大化，同时把功率保持在ＳＲＳ阈值以下，解决了这一问题。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及感测系统，涉及一种产生并传输高能光脉冲的方法及设备，用于感测，特别是用于长距离测量，更具体说，是用于被测量对象，诸如温度及长距离上损耗的分布式光纤测量，还涉及用于该种系统的发射器、用于该种系统的接收器、和用于该种系统产生脉冲的设备及方法。
技术介绍
工业上需要测量长距离上的所有点的温度。典型的用途是监控长的光缆及管道。因为这些结构可以非常长，所以需要能在非常长的距离上工作的感测系统。在通信和感测中需要测量沿光纤的损耗。因为这些光纤非常长，所以需要一种工作在非常长距离上的损耗测量系统。分布式温度传感器通常使用光纤中的Raman散射，作为确定温度的手段。这里需指出，来自激光光源的光沿光纤发送，然后分析被散射回光源的少量光。通过使用脉冲光并测量作为时间函数的返回信号，能够确定沿光纤所有点上产生的后向散射光。该后向散射光包含在频率上从光源向上频移和向下频移的分量(分别是Raman及Brillouin的反Stokes光和Stokes光)，和弹性散射光(Rayleigh光)。返回的Raman及Brillouin信号的功率，与温度有关，于是从这些分量的分析可以得到温度。通常用Raman Stokes和反Stokes信号确定温度，但是有时用Rayleigh光作参考，有时还用Brillouin分量。Rayleigh光，和有时是Raman Stokes光，常常用于测量沿光纤的损耗。一个例子可以从涉及光纤侵入感测的US专利5,194,847了解。在该例子中，为使感测侵入预定的周长，把相干的脉冲光注入沿预定周长放置的光感测光纤。响应该相干光脉冲的接收，产生后向散射光，并耦合进光接收光纤。后向散射光由光电检测器检测，且侵入可以由后向散射光中的变化检测。为增加设备的灵敏度，还可以采用参考光纤和干涉仪。随着光纤长度的增加，温度和损耗测量的分辨率变得更低劣。这是因为光纤中存在引起信号衰减的损耗。随着光纤长度的增加，在光纤长度上的整个损耗也增加，于是，从远端返回的信号更小，结果导致更大的噪声。一个显而易见的解决该问题的方案，是把更强的光注入光纤来补偿损耗，但是，能注入多少光，是存在极限的。这是因为，当沿光纤发送高功率的光时，非线性效应随光纤长度的增加而变得更显著。这些非线性效应中最成问题的是受激Raman效应。该受激Raman效应，从光源的光吸收功率，并使光向Raman Stokes信号的波长频移。通常正是该受激Raman散射(SRS)，限制该种类型分布式传感器可以工作的长度。已经知道，为尝试缓解该问题，“OpticalTime Domain Reflectometry”，Hartog，Arthur，Harold，和1997年1月8日的WO 1998GB 0000028，提出一种使SRS阈值出现在更高输入功率的光纤，以便更多的功率可以用在这种光纤中。但是，这种解决途径是有限制的，因为它要求的技术是在可能很昂贵的、专门的光纤中使用。该解决途径还不允许系统在业已安装的普通光纤上使用。温度和损耗的分辨率，随光纤长度的增加而变得更低劣的另一个原因，是每一脉冲更长的往返行程延时。通常，任何时候在光纤中只能有一个脉冲才是有用的，否则不可能确定返回的信号产生在何处(多个脉冲的后向散射信号将重叠)。光脉冲沿光纤传播的时间，与光纤长度成正比，所以，随光纤长度的增加，能够注入的脉冲之间的时间，必需增加。因为通常需要求许多平均，才能以合理的精度来测量信号，所以，降低脉冲重复率的必要性表明，随着感测长度的增加，测量的精度变得更低。但是，SRS阈值不能无限提高，而脉冲重复率仍然受脉冲通过光纤全部长度的往返行程时间的限制。另一个误差来源是不同波长上的微分损耗。这是最普通类型光纤的一种性质，并且是误差的来源，因为温度的计算涉及确定不同波长上返回的光功率的比值。Raman Stokes和反Stokes分量频移到不同波长上，从而经受不同的损耗量。随着沿光纤需要测量的点的距离的增加，这一误差来源变得更显著。有些时候，可能要通过选择注入的波长，使对给定光纤的微分损耗最小，来降低该误差。也可能要使用两个光源或单个可调谐光源，在两种不同波长上发射，用来自一个光源的Stokes波长和来自另一个光源的反Stokes波长进行测量，以抵消微分损耗。这种方法见US专利4,767,219。这种方法能抵消微分损耗误差，但要确保两个光源有充分相同的工作寿命，不致引入其他的误差，将是困难或昂贵的。单个可调谐光源较为不实际，因为难以调谐和使该光源产生脉冲。
技术实现思路
本专利技术的一个目的，是提供改进的设备和方法。按照本专利技术的第一方面，是提供一种感测系统，用于沿波导发送电磁信号，以感测沿波导一个或多个感测位置上的状态，本系统包括发射器装置，用于发射适当形状的脉冲，通过在到达感测位置前的受激非弹性散射过程，引起该脉冲的受控变换，变换为不同的波长，本系统包括接收装置，用于接收从感测位置返回的信号，并根据接收的信号，确定这些状态。本系统巧妙地利用了非线性效应，该非线性效应是迄今避免发生或使之降至最小的。在经过短的转变长度之后，所有原先的光被变换到该新的波长上，然后用该新波长照射光纤剩余的长度。一个优点是，本系统对给定的感测精度或分辨率，能提高该距离极限，因为注入的功率可以大得多，因而能够检测沿光纤从更大距离返回的返回光信号。另一个优点是，本系统能提供一种自优化过程，因为随着距离的增加，光频移到更长波长，而更长的波长导致更低的光纤散射损耗。该电磁信号可以是光信号或其他波长。该形状是指例如功率对时间曲线的形状。峰值功率是形状的一部分，它对控制SRS波长变换发生的地点有强烈的影响，但脉冲宽度及传输媒体的特性，也有部分影响。作为附加的特征，可以配置注入功率，使光纤的不同部分被多于一种不同波长照射，还可以配置接收装置，使它区分每一不同波长上返回的光信号。配置该接收装置的一个优点是，它能实现在同一时间使多于一个脉冲沿光纤传播。可以对这些脉冲定时，使当第一脉冲已经变换到不同波长时，发送后继的脉冲。现在，通过适当的滤波，能够在接收器上，区分从后继脉冲的后向散射，和从第一脉冲在不同的波长上需要的后向散射。对给定精度和空间分辨率，该区分能力可以增加脉冲的重复率，通过实现更多的平均或允许更快的感测，进一步改进感测的精度。作为又一个附加的特征是，使发射装置调整注入的功率，把发生变换的转变长度，移至光纤的不同部分。这对避免因转变长度引起的感测覆盖区空隙，是有用的。作为又一个附加的特征是，再令接收装置接收变换前从一个或多个另外的感测位置返回的信号。这样可用变换前更高功率的脉冲，实施更短距离的感测，又可用波长已变换的脉冲实施更长距离的感测。作为又一个附加的特征是，配置感测系统补偿不同的光纤损耗。作为又一个附加的特征，发射装置包括产生脉冲的源、用于把脉冲分解为两个或更多脉冲流的分解器、和在沿光纤发送两个脉冲流之前变换脉冲流之一波长的变换器，以实现微分光纤损耗的补偿。作为又一个附加的特征是，配置接收装置检测从第一波长上的脉冲之一返回的向上频移分量，和检测从第二波长上发射的脉冲之一返回的向下频移至第一波长的向下频移分量，对微分损耗进行补偿。这表明，该两个分量已经经受相同的损耗，与微分损耗的量无关，因此，这两个分量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种感测系统，用于沿波导发送电磁信号，并感测沿波导一个或多个感测位置上的状态，本系统包括发射装置，用于发射适当形状的脉冲，通过在到达感测位置前的受激非弹性散射过程，使该脉冲发生受控变换，成为不同的波长，本系统包括接收装置，用于接收从感测位置返回的信号，并根据接收的信号，确定这些状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德法哈蒂罗山，汤姆R帕克，彼得N科恩，
申请(专利权)人：传感网络有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]