分布式光纤温度传感器新测温原理的研究

第17卷第1期2006年3月
中国计量学院学报
Journal of China Jiliang University
Vol.17No.1Mar.2006
【文章编号】　100421540(2006)0120025204
【收稿日期】　2005210218
【作者简介】　王剑锋(1970—),男,江苏盐城人,讲师.主要研究方向为分布式光纤传感器.
分布式光纤温度传感器新测温原理的研究
王剑锋1,张在宣1,徐海峰1,刘红林1,余向东1,Insoo S.KIM 2
(1.中国计量学院信息工程学院,浙江杭州310018;2.韩国电气技术研究院,韩国汉城437-808)
【摘　要】　介绍了分布式光纤温度传感器的工作原理和应用状况,分析了光纤中放大的自发拉曼散射现象及其时域特性.提出了一种基于光纤中放大的自发拉曼散射光脉冲信号温度效应的新温度测量原理,并将其应用于分布式光纤传感器系统,进而讨论了基于新测温原理的实验现象和实验数据.【关键词】　分布式光纤温度传感器;O TDR ;放大的自发拉曼散射;温度效应;测温原理【中图分类号】　O561.1;O437.3 【文献标识码】　A
R esearch of a ne w temperature measure principle of distributed
optical f iber temperature sensors
W ANG Jian 2feng 1,ZHANG Z ai 2xuan 1,XU Hai 2feng 1,LIU Hong 2lin 1,YU X iang 2dong 1,Insoo S.KIM 2
(1.Optoelectronics Technology Institute ,China Jiliang University ,Hangzhou 310018,China ;
2.Optical Technology Research Group ,K orea Electrotechnology Research Institute ,Uiwang 2city ,437-808,K orea )
Abstract :In this paper ,the working principle and the application status of distributed optical fiber temperature sensors are introduced briefly.The amplified spontaneous Raman scattering phenomenon in optical fiber and its time domain characteristics are analyzed.A new temperature measure principle based on the temperature effect of amplified spontaneous Raman scattering signals in optical fiber is put forward ,and the new principle is ap 2plied to distributed optical fiber temperature sensor systems.Experiment phenomenon and data derived f rom the new principle are discussed in detail.
K ey w ords :distributed optical fiber temperature sensor ;O TDR ;amplified spontaneous Raman scattering ;temperature effect ;temperature measure principle
分布光纤传感器系统最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的,1983年英国的Hartog 用液体光纤的激光拉曼光谱效应进行了分布光纤温度传感器原理性实验[1],1985年英国的Dakin 在实验室用氩离子激光器作为光源进行了用石英
光纤的拉曼光谱效应的分布光纤温度传感器测温
实验[2],同年Hartog 和Dakin 分别独立地用半导体激光器作为光源,研制了分布光纤温度传感器实验装置[3,4]1此后,分布光纤温度传感器得到了很大的发展,研究出了多种传感机理,有的还使用
了特种光纤[5,6].
分布式光纤温度传感器的应用推广也不断地推动研究水平的进步,分布式光纤温度传感器系统的发展大致经历了短程(2km系统)、中程(10km 系统)和远程(30km系统)三个阶段.在某些特殊的应用场合,如发电厂输电干线的火灾监测、大型煤矿和油井的防爆系统、高速公路和城市轨道交通系统的形变监测等,目前的远程分布式光纤温度传感器系统已经不能满足测温距离的要求,需要测温距离更长的分布式光纤温度测量系统.而新的测温原理的研究正可以达到这样的目的.
1　分布式光纤传感器基本原理
1.1　光纤光时域反射(OT D R)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,激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L,2L=V3t,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.用光时域反射技术,可以确定光纤处的损耗,光纤故障点、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:
<R=K R・S・v40・<e・exp(-2α0L)(1)式(1)中:<e—在光纤入射端的激光脉冲的光子通量;K R—与光纤瑞利散射截面相关的系数; v0—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:
L=C・t
2n
(2)
1.2　分布式光纤拉曼温度传感器系统的测温
原理[7]
在频域里,拉曼散射光子分为斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子,斯托克斯拉曼散射光子的频率为:
v s=v0-Δv(3)反斯托克斯拉曼散射光子的频率为:
v a=v0+Δv(4)式(3)、(4)式,Δv为光纤声子的振动频率(Δv =1132×1013Hz).
长度为L的光纤局域的斯托克斯拉曼散射光子通量,几乎与温度T无关:
<s=K S・S・v4S・<e・exp[-(a0+a s)・L]・R S(T)
(5)
而长度为L的光纤局域的反斯托克斯拉曼散射光子通量则受到该局域的温度T调制:
<a=K a・S・v4a・<e・exp[-(α0+αa)・L]・R a(T)
(6)式(5)、(6)中:K S,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;S—为光纤的背向散射因子;νS,νa—为光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光子频率;α0,αS,αa—分别为入射光、斯托克斯拉曼散射光、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 S(T),R a(T)—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:
R S(T)=[1-exp(-hΔv/k T)]-1(7)
R a(T)=[exp(hΔv k T)-1]-1(8)式(7)、(8)中:h—为普朗克常数;k—为波耳兹曼常数.
用斯托克斯拉曼散射O TDR曲线来解调反斯托克斯拉曼散射O TDR曲线,依据式(9)就可以得到距离入射端面距离为L处的光纤上某点的温度T:
<a
<S=
K a
K S
・v a
v S
4
・exp(-hΔv/kT)・exp[-(αa-αS)L]
(9) 2　基于光纤中放大的自发拉曼散射光脉冲的新测温原理
2.1　光纤中放大的自发拉曼散射现象
观测光纤中放大的自发拉曼散射现象的实验装置结构如图1所示.它主要由以下几部分组成[8,9]:脉冲泵浦源:由脉冲掺饵光纤激光器组成,波长:1550nm;脉宽:10ns;前沿:5ns;重复频率: 2k Hz;峰值功率:0～100W可调.
BDC:双向1X2光纤耦合器.
光纤:25km G652光纤,光纤既是光的传输和放大的介质,也是光的传感介质.
FWDM:1450/1660滤波器波分复用器.
OPM:光纤功率计.
62中　国　计　量　学　院　学　报第17卷
A PD :低噪音,快速光电雪崩二极管.Amp :低噪音,宽带100M Hz 前置放大器和
主放大器.
DPO :5GHz 瞬态数字示波器
.
图1　放大的自发拉曼散射现象实验装置图
脉冲铒激光器发出的1550nm 激光脉冲由BDC 的一端输入G652光纤,产生背向的1451nm 自发反斯托克斯拉曼散射和1663nm 斯托克斯拉曼散射光,则背向1451nm 自发反斯托克斯拉曼散射光和1663nm 自发斯托克斯拉曼散射光将起信号光的作用.当进入光纤的激光功率超过一个阈值泵浦功率时,两种信号光在传输过程中被放大,因为自发拉曼散射在整个拉曼增益谱内产生光子,所以所有频率分量都被放大,形成两个波段(蓝移和红移)的分布式光纤拉曼放大器.出现放大的背向自发拉曼散射现象.再经过1450/1660滤波器波分复用器FWDM ,将两束光波分成两个通道,用光纤功率计O PM 1,O PM 2分别测量背向自发反斯托克斯拉曼散射光和自发斯托克斯拉曼散射光的功率;同时,可通过低噪音,快速光电雪崩二极管A PD 1,A PD 2和低噪音,宽带100M Hz 前置放大器和主放大器Amp 1,Amp 2输入5GHz 瞬态数字示波器DPO ,得到放大的反斯托克斯和斯托克斯背向拉曼自发散射光的时域反射(O TDR )曲线.这种现象的物理本质是:在单模G652光纤中,自发的背向1451nm 反斯托克斯和1663nm 斯托克斯拉曼散射光脉冲又被1550nm 激光脉冲光源所泵浦,产生放大了的背向1451nm 反斯托克斯和1663nm 斯托克斯自发拉曼散射光信号.单模光纤既是反斯托克斯和斯托克斯自发拉曼散射源又是产生放大效应的介质.光纤的背向反斯托克斯和斯托克斯自发
拉曼散射时域曲线出现放大的现象,得到放大了的背向自发拉曼散射信号的O TDR 曲线,由于这种被放大了的自发反斯托克斯拉曼散射光信号的强度受到光纤温度的调制,所以也具有温度效应.
放大的背向反斯托克斯(ASR )和斯托克斯拉(SR )自发散射信号的光时域反射(O TDR )曲线如图2所示
.
图2　放大的SR 和ASR 信号的OT DR 曲线图
2.2　产生放大的自发拉曼散射现象的阈值功率
和信号增益[10]
随着激光脉冲功率的增加出现了放大的现象,存在一个阈值功率,SR 和ASR 的抽运阈值功率分别为1810W 和2514W.SR 和ASR 的增益也随抽运功率的增加线性地增加.表1给出了背向斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射的阈值功率和增益,图3、图4分别给出了SR 和ASR 的增益特性曲线.
表1　不同抽运功率条件下SR 和ASR 的增益
　P p /W
18.020.222.725.428.432.035.840.345.050.7G (SR )/dB 0.00.7
1.4
2.5
3.5
4.5
5.7
6.98.0
8.6G (ASR )/dB
0.00.7 1.4 2.2 3.1 4.0
4.9
图3　背向斯托克斯拉曼(SR )散射的增益特性
7
2第1期王剑锋,等:分布式光纤温度传感器新测温原理的研究
图4　背向反斯托克斯拉曼(ASR )散射的增益特性
2.3　阈值时间位置的特性
从图2中见到,SR 和ASR O TDR 曲线在一
开始并不出现放大的现象,在一定的抽运功率条件下,经历一段时间后才开始出现放大现象,定义这段时间为阈值时间位置T th ,ASR 的阈值时间位置比SR 的长,随着抽运功率的增加,阈值时间位置向前移.表2给出了不同抽运功率条件下,SR 和ASR O 曲线阈值时间位置T th .图5、图6分别给出了随抽运功率变化曲线.
表2　不同抽运功率条件下,SR 和ASR 阈值时间位置T th
　Pp/W
18.020.222.725.428.432.035.840.345.050.7Tt (SR )/s 40
34
28
24222120181614Tt (ASR )/s
68
60
50
40
34
26
24
图5　不同泵浦功率下的SR
域值时间
图6　不同泵浦功率下的ASR 域值时间
因为自发拉曼散射光放大效应的存在,所以在光纤的远端散射信号得到了增强,从而可以测
量到更远处被温度场调制了的光纤散射信号,也就可以测量到更远处光纤上的温度值.这种新的温度测量原理延伸了系统测温光纤的长度,也提高了系统的性能.
3　结　论
1)单模G652光纤中,背向反斯托克斯和斯
托克斯光信号产生放大现象的泵浦阈值峰值光功
率分别是是25.4W 和18W.
2)入射到光纤的激光抽运功率达到阈值抽运功率后,在SR 和ASR 的O TDR 时域曲线上,需要经历一段阈值时间T th 后,才能达到粒子数反转的条件,获得了光信号的放大,体现了分布式光纤拉曼放大器的特点.
3)放大的背向反斯托克斯自发拉曼散射强度受到光纤所处的温度调制,具有温度效应,为分布式光纤温度传感器提供了新的测温原理.
【参　考　文　献】
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8
2中　国　计　量　学　院　学　报第17卷。