光纖環(huán)校正雙端探測分布式拉曼光纖傳感系統(tǒng)

陳福昌，戴 杰，余超群，張華林，周錦榮

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光纖環(huán)校正雙端探測分布式拉曼光纖傳感系統(tǒng)

陳福昌1，戴 杰2，余超群1，張華林1，周錦榮1

( 1. 閩南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 漳州 363000；2. 中天科技光纖有限公司，江蘇 南通 226009 )

為解決分布式拉曼光纖傳感系統(tǒng)中光纖損耗及變化帶來的測溫誤差，提出一種帶溫控光纖環(huán)校正雙端注入環(huán)形結(jié)構(gòu)的解決方案。該方案從光纖兩端分時(shí)采集得到反斯托克斯拉曼散射信號(hào)相乘并進(jìn)行幾何平均，消除了波長相關(guān)損耗和局部損耗帶來的影響，并利用溫控光纖環(huán)實(shí)時(shí)消除光纖損耗變化帶來的測溫誤差。系統(tǒng)還可在傳感光纖斷裂后瞬時(shí)切換成單端注入模式對整條傳感光纖進(jìn)行溫度監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在15 ℃ ~210℃的溫度范圍內(nèi)得到0.9 ℃的測量精度。

光纖元件；拉曼散射；光纖傳感；雙端探測；溫度傳感

0 引 言

分布式光纖傳感器因其長距離分布式測量、抗電磁干擾、體小質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市煤氣管道、輸電/通信電纜、大壩橋梁、隧道公路等需要進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度、應(yīng)變監(jiān)測的基礎(chǔ)設(shè)施和安防系統(tǒng)領(lǐng)域[1-4]。分布式拉曼光纖傳感系統(tǒng)因其在實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測方面的長距離和高精度性能，自問世起就成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的拉曼光纖傳感方案采用單端注入方式，同時(shí)探測自發(fā)拉曼散射中的斯托克斯光和反斯托克斯光信號(hào)，利用二者的比值進(jìn)行溫度解調(diào)，這種單端注入的方式在實(shí)際應(yīng)用中能方便地進(jìn)行傳感光纖布局。文獻(xiàn)[5]對這種單端注入拉曼傳感系統(tǒng)的溫度附加損耗進(jìn)行了深入研究，通過實(shí)驗(yàn)得出單位長度光纖對該段光纖位置之后的光纖產(chǎn)生測溫附加誤差與該段光纖溫度成正比以及與受溫度影響的光纖長度成正比的規(guī)律，使傳感系統(tǒng)在2 km傳感距離上的測溫精度由4.09 ℃提升至0.47 ℃。該研究結(jié)果對于高精度溫度傳感工程應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。然而，由于斯托克斯光和反斯托克斯光在光纖中傳輸存在波長相關(guān)損耗[6]，在未對該損耗進(jìn)行校正的情況下，傳感系統(tǒng)得到的測溫曲線并不能完全真實(shí)地反應(yīng)光纖沿線溫度信息。雙端注入環(huán)形結(jié)構(gòu)的傳感方案可解決這一問題。

在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)境變化會(huì)使傳感光纖波長相關(guān)損耗和局部損耗不斷變化，導(dǎo)致傳感系統(tǒng)解調(diào)出來的測溫曲線發(fā)生緩慢、不易察覺的測量誤差[7]。為保證系統(tǒng)測溫精度穩(wěn)定可靠，需要消除這種波長相關(guān)損耗和局部損耗變化帶來的影響[8]。

本文在雙端注入環(huán)形結(jié)構(gòu)的拉曼光纖傳感系統(tǒng)基礎(chǔ)上，僅采用反斯托克斯光信號(hào)進(jìn)行傳感光纖溫度解調(diào)，并通過溫控光纖環(huán)對上述損耗變化進(jìn)行校正，且能在傳感光纖出現(xiàn)斷點(diǎn)的情況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)換成單端注入模式進(jìn)行應(yīng)急處理，確保實(shí)現(xiàn)整條傳感光纖的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測。該方案僅需采用單路雪崩光電探測電路和單通道數(shù)據(jù)采集模塊，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，對實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

1 傳感原理

分布式拉曼光纖傳感系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)利用了光纖中背向自發(fā)拉曼散射的溫度效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù)[9]。因斯托克斯光對溫度僅有微小敏感性，而反斯托克斯光則展現(xiàn)出強(qiáng)烈的溫度敏感性，達(dá)到0.8%/℃[10]，傳統(tǒng)解調(diào)方法采用自發(fā)拉曼散射光信號(hào)中的斯托克斯光作為參考光，反斯托克斯光作為信號(hào)光，利用下面的公式進(jìn)行測溫：

為消除上述光纖損耗因素對測溫的影響，本文采用雙端注入的環(huán)形結(jié)構(gòu)搭建拉曼光纖傳感系統(tǒng)，將泵浦脈沖分時(shí)注入傳感光纖前端和末端，并相應(yīng)地從前端和末端獲得反斯托克斯光信號(hào)。用表示從前端散射回來的前向散射信號(hào)，表示從末端散射回來的后向散射信號(hào)，對二者進(jìn)行幾何平均可得環(huán)形反斯托克斯信號(hào)如下：

式(2)顯示光纖上每個(gè)點(diǎn)的損耗都是，表明光纖各處損耗與位置無關(guān)，說明雙端注入環(huán)形結(jié)構(gòu)傳感系統(tǒng)可以消除靜態(tài)波長相關(guān)損耗和局部損耗，這是雙端注入環(huán)形結(jié)構(gòu)傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)單端注入傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)別。

由于環(huán)境變化會(huì)使傳感光纖波長相關(guān)損耗和局部損耗隨時(shí)變化，使測溫曲線發(fā)生緩慢、不易察覺的測量誤差，式(2)是在不考慮和變化的情況下得到的，利用該信號(hào)進(jìn)行溫度解調(diào)只能保證系統(tǒng)在較短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定工作。為使系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠工作，需要引入隨時(shí)間變化的和，并對此變化因素進(jìn)行校正解調(diào)，式(2)變?yōu)?/p>

從式(5)可看出，其值是一個(gè)與位置無關(guān)的常數(shù)。在傳感光纖中取一段光纖環(huán)置于恒溫狀態(tài)，從取樣光纖環(huán)中獲得式(5)的值，并化簡得到：

因式(6)可實(shí)時(shí)獲得且其已考慮所有光纖損耗變化因素，所以式(7)可實(shí)時(shí)解調(diào)出整條傳感光纖溫度。

值得一提的是，該雙端注入環(huán)形結(jié)構(gòu)的拉曼傳感系統(tǒng)在光纖發(fā)生斷裂時(shí)仍可繼續(xù)工作。一旦檢測到光纖斷裂，可保存系統(tǒng)最后的監(jiān)測溫度以及前向和后向拉曼散射信號(hào)并以此為基準(zhǔn)，利用傳統(tǒng)單端注入單通道解調(diào)方法得到光纖前端測量溫度和末端測量溫度[14]，合并后仍可得到整條光纖的溫度。

2 實(shí) 驗(yàn)

基于雙端注入環(huán)形結(jié)構(gòu)的分布式拉曼光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光源(Pulsed laser)采用波長1 550 nm，峰值功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率可調(diào)的高速脈沖激光器。該實(shí)驗(yàn)中，激光器參數(shù)設(shè)置為峰值功率10 W，脈寬10 ns，重頻10 kHz。波分復(fù)用器(WDM)采用專為DTS設(shè)計(jì)的模塊，可將1 450 nm/1 550 nm/1 660 nm的光信號(hào)有效分離(本系統(tǒng)未用到1 660 nm端口)。1′2光開關(guān)(Switch)插入損耗約0.6 dB，通道隔離度大于40 dB。APD光電探測電路包含前置跨阻放大電路和主放大電路，電路帶寬100 MHz。數(shù)據(jù)采集卡(DAC)包含12 bit精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率為100 MS/s。溫控模塊(TC)控溫精度達(dá)0.2 ℃，用于控制光纖環(huán)溫度恒定。傳感光纖采用長飛光纖光纜有限公司生產(chǎn)的62.5 μm/125 μm多模光纖，總長約2 km。傳感光纖首尾兩端分別接入光開關(guān)兩個(gè)端口，光纖兩端各取20 m繞成光纖環(huán)并處于溫控模塊恒溫控制中。在距離傳感光纖前端約1 km處繞70 m光纖圈置于恒溫箱(Incubator)中，恒溫箱控溫精度±1 ℃。

傳感系統(tǒng)工作原理如下：光源發(fā)出泵浦脈沖，經(jīng)過WDM注入光開關(guān)，光開關(guān)兩通道分時(shí)切換，分別產(chǎn)生前向和后向拉曼散射信號(hào)。拉曼散射信號(hào)經(jīng)WDM濾波后，進(jìn)入APD光電探測電路進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大，在脈沖光源的觸發(fā)下，數(shù)據(jù)采集卡同步采集反斯托克斯拉曼散射信號(hào)，最后將采集的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖1 雙端注入環(huán)形結(jié)構(gòu)的分布式拉曼光纖傳感系統(tǒng)

3 結(jié)果分析與討論

圖2 前向和后向的歸一化反斯托克斯信號(hào)

傳感光纖布置如圖1，調(diào)節(jié)溫控模塊使光纖環(huán)處于15 ℃的恒溫狀態(tài)，恒溫箱加熱至51 ℃，采集得到整條光纖前向和后向反斯托克斯信號(hào)，歸一化處理后如圖2所示。

采用式(2)將圖2中前向和后向反斯托克斯信號(hào)相乘并進(jìn)行幾何平均可得環(huán)形的反斯托克斯信號(hào)曲線如圖3(a)所示。從圖3(a)可看出，恒溫箱中的光纖散射回來的反斯托克斯信號(hào)明顯增強(qiáng)，另外，室溫下光纖各處的反斯托克斯信號(hào)并不相等，這是因?yàn)槭?2)中的因子與位置有關(guān)，不同位置處的并不相同，因此需要對進(jìn)行定標(biāo)。在室溫(15℃)下采集前向與后向反斯托克斯信號(hào)相乘并求幾何平均作為基準(zhǔn)信號(hào)，定標(biāo)后可得環(huán)形反斯托克斯信號(hào)如圖3(b)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的測溫精度，將恒溫箱在15 ℃~210 ℃之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，可得不同溫度下經(jīng)過定標(biāo)的環(huán)形反斯托克斯信號(hào)，利用式(7)可解調(diào)得到光纖溫度曲線如圖4所示。

圖4左上角標(biāo)注的是恒溫箱中70 m傳感光纖的實(shí)際溫度，右上角標(biāo)注的是傳感系統(tǒng)測量得到的溫度，兩者溫度誤差不超過0.9 ℃。為驗(yàn)證光纖損耗變化帶來的測溫誤差，在離光纖前端約1 km處引入3 dB固定衰減器，以此來產(chǎn)生局部損耗變化，在恒溫箱實(shí)際溫度45℃時(shí)測得前向和后向反斯托克斯信號(hào)如圖5(a)所示，分別利用損耗變化未校正和已校正的方法進(jìn)行解調(diào)得到溫度曲線如圖5(b)所示。 由圖5(b)可知，經(jīng)校正后恒溫箱中的70 m傳感光纖平均溫度為45.4 ℃，接近實(shí)際溫度45 ℃，說明此校正方法可靠有效。同時(shí)，沒進(jìn)行損耗校正的測溫曲線整體發(fā)生約30 ℃的漂移，在實(shí)際測溫中已不能準(zhǔn)確監(jiān)測溫度。 考慮到實(shí)際應(yīng)用中傳感光纖斷裂且不能馬上進(jìn)行光纖熔接處理的緊急情況，本文最后演示傳感光纖發(fā)生斷裂時(shí)切換成單端注入單通道解調(diào)方式進(jìn)行溫度解調(diào)的應(yīng)急工作模式。將本實(shí)驗(yàn)所用的2 km傳感光纖從1 km處剪斷，由于斷點(diǎn)存在，此時(shí)采集前向和后向反斯托克斯信號(hào)都只能獲得1 km的信號(hào)曲線，如圖6(a)所示。在光纖斷裂前，恒溫箱中的傳感光纖處于42 ℃，其他光纖處于室溫；光纖斷裂后，將恒溫箱溫度調(diào)至58 ℃，采集前向和后向反斯托克斯信號(hào)，利用單端注入單通道解調(diào)方法，可得整條傳感光纖溫度曲線如圖6(b)所示。由圖6可知，系統(tǒng)仍能保證測溫準(zhǔn)確性。

圖3 (a) 經(jīng)過幾何平均的環(huán)形反斯托克斯信號(hào)；(b) 經(jīng)過定標(biāo)的環(huán)形反斯托克斯信號(hào)

圖4 不同溫度下解調(diào)得到的傳感光纖溫度曲線

圖5 (a) 3 dB衰減的前向和后向反斯托克斯信號(hào)；(b) 校正和未校正的溫度解調(diào)曲線

圖6 (a) 前向和后向反斯托克斯信號(hào)；(b) 單端注入單通道解調(diào)的溫度曲線

4 結(jié) 論

提出了一種帶溫控光纖環(huán)校正雙端注入環(huán)形結(jié)構(gòu)的分布式拉曼光纖傳感系統(tǒng)方案。該方案只需測量反斯托克斯單路信號(hào)，不僅能消除波長相關(guān)損耗和局部損耗帶來的測溫誤差，還能采用光纖環(huán)校正消除光纖損耗變化帶來的影響，并且能對光纖斷裂進(jìn)行應(yīng)急處理，保證整條傳感光纖沿線溫度的準(zhǔn)確測量。實(shí)驗(yàn)表明，在2 km的傳感光纖上，15 ℃~210 ℃的測溫范圍內(nèi)能準(zhǔn)確監(jiān)測光纖沿線溫度，最大測量誤差僅0.9 ℃。該方案只需單路光電探測和數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，對實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

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Distributed Raman Fiber Sensing System with Fiber-ring Calibration and Double-ended Probe

CHEN Fuchang1，DAI Jie2，YU Chaoqun1，ZHANG Hualin1，ZHOU Jinrong1

( 1. College of Physics and Information Engineering, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000, Fujian, China;2. Zhongtian Technology Fiber Corporation, Nantong 226009, Jiangsu, China )

To eliminate the measurement errors caused by fiber loss and loss variations, a solution employed in Raman distributed fiber sensing system with fiber-ring calibration method and double-ended injection structure is proposed and experimentally demonstrated. Double-ended injection structure adopted in the system eliminates the influence of wavelength-dependent loss and local loss through geometric mean of anti-Stokes Raman scattering signal timesharing obtained from both ends of the sensing fiber. The fiber-ring calibration method is used to correct measurement errors caused by real-time variations of fiber losses. Moreover, with instantaneous switch between double-ended injection structure and single-ended mode, the system can monitor the temperature of the entire fiber even with presence of break point. Experiments show that measurement accuracy of 0.9 ℃ is obtained within temperature range of 15 ℃~210 ℃.

optical fiber components; Raman scattering; optical fiber sensing; double-ended probe; temperature sensing

1003-501X(2016)08-0033-06

TN247; TP212.1

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.08.006

2015-09-21；

2016-02-24

國家自然科學(xué)基金(61405086)；福建省教育廳A類(JA14207)；漳州市自然科學(xué)基金(ZZ2013J02)；閩南師范大學(xué)新世紀(jì)人才(MX13003)；閩南師范大學(xué)杰出青年計(jì)劃(SJ12001)

陳福昌(1984-)，男(漢族)，福建漳州人。講師，博士，主要研究工作是分布式光纖傳感技術(shù)。E-mail: chenfc27@163.com。