[实用新型]一种波分复用器件

说明书

技术领域

本实用新型涉及波分复用器件，特别是涉及一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

自1985年J.P.Dakin等人首次成功实现了基于喇曼散射的分布式测温技术以来，人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术开展了广泛研究，其中基于喇曼散射的分布式传感技术得到了最为广泛的实际应用。与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多卓越的优势：以光纤本身作为传感媒介，一次测量就可以得到沿光纤分布的数千点温度信息，实现了连续分布式测量，降低了测量不确定性；测量距离远，测量时间短，适合远程实时监控；灵敏度高，测量精度高，误报率、漏报率低；耐腐蚀、耐水、耐火、耐电磁干扰，可靠性高，维护成本低。

基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理是：在传感光纤的一端注入激光脉冲，当激光脉冲在光纤中传播时由于纤芯分子的热振动与光子相互作用而发生能量交换，产生了喇曼散射。具体的说，当光子的一部分能量传递给分子的热振动时，会发出波长比原来激光波长长的光子，称为喇曼斯托克斯(Raman Stokes)光；当分子热振动的一部分能量传递给光子时，那么将发出波长比原来激光波长短的光子，称为喇曼反斯托克斯(Raman Anti-Stokes)光。其中，喇曼反斯托克斯光对温度很敏感，而喇曼斯托克斯光对温度不敏感，所以人们通常用喇曼反斯托克斯光来解调出温度信息；并且，为了消除光纤损耗及光源功率波动的影响，通常采用喇曼斯托克斯光作为参考光。喇曼散射技术结合光时域反射技术(OTDR，Optical Time Domain Reflectometer)，就能够定位温度信息，从而实现了分布式光纤温度传感。通常称这种传感技术为Raman-DTS(Raman Distributed Temperature Sensing)。

在Raman-DTS中有一个关键技术就是如何分离出喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光，通常需要设计独特的波分复用器件来实现。激光脉冲在光纤中传输的过程中，除了会产生喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光外，还会产生瑞利散射光，其波长与输入的激光脉冲波长相同。而且相对于喇曼反斯托克斯光和斯托克斯光而言，瑞利散射光的强度高很多；通常，瑞利散射光的强度比斯托克斯光高三个数量级，比反斯托克斯光高四个数量级。因此，在强瑞利光噪声背景下提取斯托克斯光和反斯托克斯光，以及防止斯托克斯光与反斯托克斯光相互串扰，成为目前的技术难点。为了准确的解调出温度信息，通常对这种波分复用器件的隔离度要求大于60dB。

图2是中国专利数据库(公开号：CN 101696896)公开的一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件的原理模型图。其中，21是光环行器，22是反斯托克斯波长的滤波片，23是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口1注入，并通过光环行器21输出到端口2，端口2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口2，并通过光环行器21输出到反斯托克斯波长的滤波片22；反斯托克斯光透射滤波片22，由端口3输出；斯托克斯光和瑞利散射光被滤波片22反射，并输出到斯托克斯波长的滤波片23，斯托克斯光透射滤波片23，由端口4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。这种波分复用器件的隔离度主要取决于两个滤波片22、23的透射隔离度，通常这样的滤波片的的透射隔离度在35dB左右。

因此，器件的隔离度很难超过40dB。

图3是中国专利数据库(公开号：CN 101696896)公开的另一种用于分布式光纤温度传感器的波分复用器件的原理模型图。其中，31是1X3双向耦合器，32是反斯托克斯波长的滤波片，33是斯托克斯波长的滤波片。激光脉冲由端口1注入，并通过1X3双向耦合器31输出到端口2，端口2接传感光纤；传感光纤中的背向散射光返回端口2，并通过1X3双向耦合器31；用反斯托克斯波长的滤波片32、斯托克斯波长的滤波片33分别滤出反斯托克斯光和斯托克斯光，并分别由端口3和端口4输出。从而分离出反斯托克斯光和斯托克斯光。首先，这种波分复用器件采用的是1X3双向耦合器，会引入约9.5dB(10log(1/9)＝9.5dB)的额外损耗，大大削弱了可以利用的反斯托克斯光和斯托克斯光强度；其次，器件的隔离度很难超过40dB，除非设计非常特殊的滤波片，原因同上述。

如果在分布式光纤温度传感器中使用上述常规的波分复用器件，通常由于隔离度不够，会造成反斯托克斯光和斯托克斯光的相互串扰，以及瑞利散射光的干扰，这样的话，就难以获得准确的温度信息和高分辨率，严重情况下甚至导致温度曲线扭曲，系统不能正常工作。

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