30km远程分布光纤拉曼温度传感器系统

光电子・激光第15卷第10期　2004年10月 J ournal of Optoelectronics ・Laser V ol.15N o.10　Oct.200430km 远程分布光纤拉曼温度传感器系统3张在宣133,王剑锋1,刘红林1,余向东1,郭　宁1,Ins oo S.KI M 2(1.中国计量学院光电子技术研究所,浙江杭州310034;2.韩国电气技术研究院,汉城4372808)摘要:研制了30km 远程分布光纤拉曼温度传感器(DOFRTS )系统。

采用了新的光纤放大的反斯托克斯背向拉曼自发散射测温原理,用1550nm 掺铒光纤激光器作为抽运源,采用高速瞬态波形采样技术和累加平均等信号处理技术,提高了信噪比,解决了弱信号检测问题;采用了智能化恒温技术,使主要元器件在恒温条件下工作,解决了工程应用中环境的适应性。

远程DOFRTS 已达到的主要技术指标为:光纤长度31km ;测温范围0～100℃(可扩展);温度测量不确定度±2℃;温度分辨率0.1℃;测量时间432s ;空间分辨率4m 。

关键词:光纤传感器;分布光纤拉曼温度传感器(DOFRTS );背向拉曼散射光纤放大的反斯托克斯拉曼自发散射;光时域反射(OT DR )技术中图分类号:T N253;TP212.1 文献标识码:A 文章编号:100520086(2004)102117420430km Long Distance Distributed Optical Fiber R aman T emperature Sensor SystemZH ANG Z ai 2xuan 133,W ANGJian 2feng 1,LI U H ong 2lin 1,Y U X iang 2dong 1,G UO Ning 1,Ins oo S.KI M 2(1.Institute of Optoelectronics T echnology ,China Institue of Metrology ,Hangzhou 310034,China ;2.In formation &Optical T echnology Research G roup ,K orea E lectrotechnology Research Institute ,Seoul 4372808,K orea )Abstract :A 30km long range distributed optical fiber Raman temperature sensor (DOFRTS )system wa s pre sented.I t use new mea suring temperature principle of optical fiber amplified anti 2Stoke s Raman sponta 2neous scattering.In the system ,1550nm erbium 2doped optical fiber la ser ,high speed data acquisition card and signal proce ssing technique are used.By using the se technique ,the problem of weak signal detection is re solved and signal to noise ratio is increa sed.All components of system are put into an intellectualized con 2stant temperature box and work in constant temperature condition.Stability and environment adaptability are improved.By appraisal ,per formance of the system is listed a s follows :length of single mode fiber 31km ,mea suring temperature range 0～100℃(can be expanded ),mea suring uncertainty ±2℃,temperature re s 2olution 0.1℃,mea surement time 432s ,spatial re solution 4m.K ey w ords :optical fiber sensors ;distributed optical fiber Raman temperature sensors (DOFRTS );Raman backscattering ;optical fiber amplification of anti 2Stoke s Raman spontaneous scattering ;optical time domain reflection (OTDR )technology收稿日期:2004201212　修订日期:2004204223　3　基金项目:浙江省重点科研项目资助项目(011101981);韩国科学技术部韩中光技术研究中心基金项目资助　33E 2m ail :zhangzx @1　引　言 分布光纤拉曼温度传感器(DOFRTS )系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统。

在系统中,光纤既是传输媒体也是传感媒体。

利用光纤的拉曼光谱温度效应[1],光纤所处空间各点温度场调制了光纤中传输的拉曼光散射波,经解调后,将空间温度场的信息实时显示出来。

它是一个光纤测量网络,利用光纤的光时域反射(OT DR )技术,由光纤中光的传播速度和背向光回波的时间对所测量温度点的定位,是光纤激光拉曼温度雷达[2]。

在DOFRTS系统中的检测光纤不带电,抗射频和电磁干扰,防燃,防爆,抗腐蚀,耐高电压和强电磁场,耐电离辐射,能在有害环境中安全运行,是实用的“本安”型传感器。

DOFRTS系统在上世纪80年代中期出现,近年来,由于应用的需要,其由近程[3,4]、中程[5]向远程发展。

随着光纤长度的增加,光纤损耗也增加。

以30km为例,即使在1550nm单模光纤低损耗区,前向传输的损耗7.5dB(0.25dB/km),背向反斯托克斯拉曼回波1450nm单模光纤传输的损耗达10. 5dB(0.35dB/km),光纤尾端的反斯托克斯拉曼回波的总损耗达18dB。

因此实现远程DOFRTS系统的关键在于选择新的工作原理和新的技术,提高系统的信噪比,提高测量精度。

本文采用最新的光纤放大的反斯托克斯背向拉曼散射测温原理,采用掺铒光纤激光器作为抽运源、应用高速瞬态波形采样技术和智能化恒温技术,研制了30km远程DOFRTS。

2　工作原理2.1　OT DR原理 当激光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中存在折射率的微观不均匀性,会产生瑞利散射。

在时域里,入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t,激光脉冲在光纤中走过的路程为2L,2L=Vt,V为光在光纤中传播的速度,V=c/n,c为真空中的光速,n为光纤的折射率。

在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利散射光。

用OT DR 技术,可以确定光纤处的损耗、光纤故障点及断点的位置,对测量点进行定位,因此也可称为光纤激光雷达。

在空间域里,光纤的瑞利背向散射光子通量为 <R=K R Sν40<e exp(-2α0L)(1)式中:<e为在光纤入射端的激光脉冲的光子通量;K R 为与光纤瑞利散射截面相关的系数;ν0为入射激光的频率;S为光纤的背向散射因子;α0为入射光子频率处光纤的损耗;L为局域处离入射端的长度,有 L=Ct2n(2) 2.2　放大的反斯托克斯拉曼自发散射测温新原理 实验发现,当进入光纤的激光功率超过一个阈值时,光纤的背向反斯托克斯拉曼自发散射时域曲线出现放大的反斯托克斯拉曼自发散射现象,得到背向放大的反斯托克斯拉曼自发散射(简称ASR)的OT DR 曲线。

实验证明[6],光纤ASR同样存在温度效应。

在光纤L处局域的放大的反斯托克斯拉曼散射光子通量φα(T)为　<a(T)=KαGSν4a<e exp[-(α0+αa)L]R a(T)(3)式中:K a是与光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数;G为放大因子;S为光纤的背向散射因子;νa为光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子频率;α0、αa分别为入射光、反斯托克斯拉曼散射光的光纤传输损耗;L为光纤待测局域处的长度; R a(T)为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数,与光纤局域处的温度有关,即有 R a(T)=[exp(hΔν/kT)-1]-1(4)其中:h是普朗克常数;Δν为拉曼频移量。

当T=T0时,由式(1)可得<a(T0)=KαGSν4a<e exp[-(α0+αa)L]R a(T0)(5) 式(5)除式(3)得到放大的反斯托克斯拉曼自发散射的强度比为<a(T)<a(T0)=exp(hΔγ/kT0)-1exp(hΔγ/kT )-1(6) 由实验测量<a(T)/<a(T0),则可测定光纤局域处的温度。

图1为T=T0时在局域处没加温的ASR的时域曲线(称为基线)。

图2为光纤的局域位置加温后的ASR的时域曲线图。

图3为用ASR的时域曲线基线解调后的传感光纤的温度分布曲线。

图1　在局域处没有加温的ASR OT DR曲线Fig.1　ASR time dom ain OT DR curve图2　在局域处加温后的ASR OT DR曲线Fig.2　ASR time dom ain OT DR curve・5711・第10期　张在宣等:30km远程分布光纤拉曼温度传感器系统 图3　解调后传感光纤的温度分布曲线Fig.3　T emperature distribution curve图4　DOFRTS 系统的温度定标曲线Fig.4　T emperature calibration curve3　远程DOFRTS 的结构设计3.1　主　机 由光源、光纤波分复用系统以及光电接收和放大模块构成光源模块。

采用脉冲掺铒光纤激光器,激光中心波长1547.4nm ,光谱带宽0.075nm ,脉冲重复率2kH z ,脉冲宽度10ns ,激光输出功率0～100W 可调。

光纤波分复用器(OW DM )模块由1×2双向耦合器和光纤光学干涉滤光器(FW DM )组成。