ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及分布式光纤传感领域，公开了一种ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置和方法，装置包括ASE信号发生器，其发出ASE激光脉冲信号分为两束，其中一束作为参考光束被第二探测器探测；另一束作为探测光束经波分复用器后入射到传感光纤，产生的后向拉曼散射光经波分复用器、掺铒光纤放大器后，被第一探测器探测；数据采集卡采集两个光电探测器的探测信号后发送至计算机；计算机用于对ASE拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构，进行时域相关压缩运算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。本发明专利技术可以达到毫米量级的空间分辨率，提高了系统的信噪比，温度精度且无需定标过程。需定标过程。需定标过程。

【技术实现步骤摘要】
ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置和方法


[0001]本专利技术涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼传感装置和方法，其空间分辨率可达毫米量级。

技术介绍

[0002]分布式光纤拉曼传感系统可以连续测量传感光纤沿线的分布式温度特征信息。在分布式光纤拉曼传感系统中，传感光纤沿线的环境温度可以对光纤中的拉曼散射光进行强度调制，系统通过采集这些携带着温度信息的拉曼散射光，经过解调就可以得到传感光纤沿线的温度变化情况。分布式光纤拉曼传感系统具有环境适应能力强、抗电磁干扰、检测范围大、温度精度高等优点，因此被广泛应用于煤矿、油气管道、桥梁、建筑等温度安全监测领域。
[0003]在分布式光纤拉曼传感系统中，空间分辨率是一项主要的技术指标，可以反映测温系统中能够分辨光纤温度变化的最小长度。该系统所用探测信号为脉冲信号，定位原理为脉冲时间飞行法，这种方法采集得到的拉曼后向散射信号并非传感光纤L位置点的光强信息，而是大小为半个脉冲宽度的一段传感光纤上的光强信息叠加，这使得传统分布式拉曼传感系统空间分辨率受限于脉冲宽度。
[0004]基于此，有必要专利技术一种全新的温度解调方法，解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率受限于OTDR原理，导致其难以突破1m的技术难题，以及系统解调温度前需要进行定标处理问题。

技术实现思路

[0005]为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率受限于OTDR原理，导致其难以突破1m的技术难题，以及系统解调温度前需要进行定标处理的问题，本专利技术提出了一种基于ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼传感装置和方法，可以准确识别并解调出光纤沿线温度突变点信息且不需要定标过程，最终实现光纤沿线的毫米量级空间分辨率测量。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置，包括ASE脉冲信号源，光纤耦合器，波分复用器，传感光纤，掺铒光纤放大器，第一光电探测器，第二光电探测器，数据采集卡和计算机；
[0007]所述ASE脉冲信号源发出的ASE脉冲信号经光纤耦合器分为两束，其中一束作为参考光束被第二探测器探测；另一束作为探测光束经波分复用器后入射到传感光纤，在传感光纤中产生的后向拉曼散射光经波分复用器、掺铒光纤放大器后，被第一探测器探测；数据采集卡采集第一光电探测器，第二光电探测器的探测信号后发送至所述计算机；
[0008]所述计算机用于对ASE拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的ASE拉曼后向散射信号，并通过将ASE脉冲参考信号和重构后的ASE拉曼后向散射信号进行时域相关压缩运算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。
[0009]ASE脉冲信号源包括ASE信号发生器，隔离器，声光调制器，脉冲信号发生器，所述
ASE信号发生器发出的ASE激光经隔离器后入射到声光调制器，经脉冲信号发生器驱动的声光调制器调制后输出ASE脉冲信号；
[0010]ASE信号发生器的工作波长为1550nm。
[0011]光纤耦合器用于将ASE脉冲信号分比为功率比为1∶99的参考光和探测光。
[0012]本专利技术还提供了一种基于ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感方法，采用所述的一种基于ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
[0013]S1、搭建传感装置，并进行ASE脉冲参考信号I
ref
和ASE拉曼后向散射信号I
as
(L)的数据采集；I
as
(L)表示传感光纤L位置处的ASE拉曼后向散射信号强度；
[0014]S2、对ASE拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构；
[0015]S3、根据ASE脉冲参考信号和时域差分信号重构后的ASE拉曼后向散射信号，进行短尺度时域相关压缩系数的运算；
[0016]S4、寻找短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值，分别对应的延时采样点个数a0和a1，并计算温度突变位置，温度突变区域长度和温度突变区域温度信息。
[0017]所述步骤S2中，对ASE拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构的表达式为：
[0018][0019]其中，F
as
(L，i)表示传感光纤L位置处的ASE拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构后第i个数据点的时域差分信号，I
as
(L)和分别表示传感光纤L位置处和位置处的后向拉曼反斯托克斯光的强度，其中，1≤i≤W
·
f
s
。
[0020]所述步骤S3中，进行短尺度时域相关压缩系数的运算公式如下：
[0021][0022]其中，C(a)表示延时a个采样点时的短尺度时域相关压缩系数；N表示重构后ASE拉曼后向散射信号总采样点个数，F
as
(n)表示进行时域差分信号重构后第n个采样点的时域差分信号；I
ref
(n+a)表示延时a个采样点的ASE脉冲参考信号；N表示重构后ASE拉曼后向散射信号总采样点个数。
[0023]温度突变位置和温度突变区域长度的计算公式分别为：
[0024]L1＝a0·
c/(2n0·
f
s
)；
[0025]ΔL＝(a1‑
a0)
·
c/(2n0·
f
s
)；
[0026]其中，a0和a1分别表示短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值分别对应的延时采样点个数，c表示光速，n0表示光纤中的折射率，f
s
表示采样率，L1和ΔL分别表示温度突变位置和温变区域长度。
[0027]温度突变区域温度信息的计算公式为：
[0028][0029]其中，C
peak
表示短尺度时域相关压缩系数的正峰值，W表示脉冲宽度，f
s
表示采样率，P
i
为ASE脉冲激光第i个数据点的功率，K
a
表示与拉曼反斯托克斯背向散射截面有关的系数，λ
a
是拉曼反斯托克斯散射信号的波长，Δv为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，T0表示非温变区传感光纤温度，表示温变位置L1处的附加损耗信息，表示温变位置L1处的衰减信息，α0、α
as
分别是入射光和反斯托克斯光在传感光纤中单位长度上的损耗系数，ΔA
p
(m)表示温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数，其计算公式为：
[0030][0031]其中，m表示温度突变区域的长度ΔL在时间尺度内的表示，m＝ΔL
·
2n0/c，ΔL表示温变区域长度，c表示光速，n0表示光纤中的折射率。
[0032]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术基于自发辐射噪声(ASE)激光信号产生拉曼后向散射信号，将其进行时域差分重构，在光纤沿线温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于，包括ASE脉冲信号源，光纤耦合器（5），波分复用器（6），传感光纤（7），掺铒光纤放大器（8），第一光电探测器（9），第二光电探测器（10），数据采集卡（11）和计算机（12）；所述ASE脉冲信号源发出的ASE脉冲信号经光纤耦合器（5）分为两束，其中一束作为参考光束被第二探测器（10）探测；另一束作为探测光束经波分复用器（6）后入射到传感光纤（7），在传感光纤（7）中产生的后向拉曼散射光经波分复用器（6）、掺铒光纤放大器（8）后，被第一探测器（9）探测；数据采集卡（11）采集第一光电探测器（9），第二光电探测器（10）的探测信号后发送至所述计算机（12）；所述计算机（12）用于对ASE拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的ASE拉曼后向散射信号，并通过将ASE脉冲参考信号和重构后的ASE拉曼后向散射信号进行时域相关压缩运算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。2.根据权利要求1所述的ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于，ASE脉冲信号源包括ASE信号发生器（1），隔离器（2），声光调制器（3），脉冲信号发生器（4），所述ASE信号发生器（1）发出的ASE激光经隔离器（2）后入射到声光调制器（3），经脉冲信号发生器（4）驱动的声光调制器（3）调制后输出ASE脉冲信号；ASE信号发生器（1）的工作波长为1550nm。3.根据权利要求1所述的ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于，光纤耦合器（5）用于将ASE脉冲信号分比为功率比为1：99的参考光和探测光。4.一种ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感方法，采用权利要求1所述的一种基于ASE时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置实现，其特征在于，包括以下步骤：S1、搭建传感装置，并进行ASE脉冲参考信号I
ref
和ASE拉曼后向散射信号I
as
（L）的数据采集；I
as
（L）表示传感光纤L位置处的ASE拉曼后向散射信号强度；S2、对ASE拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构；S3、根据ASE脉冲参考信号和时域差分信号重构后的ASE拉曼后向散射信号，进行短尺度时域相关压缩系数的运算；S4、寻找短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值，分别对应的延时采样点个数a0和a1，并计算温度突变位置，温度突变区域长度和温度突变区域温度信息。5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，周新新，张明江，王晨懿，张建忠，薛晓辉，许扬，余涛，于福浩，冯凯，尹子彤，程姿嘉，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：