[发明专利]一种单端注入多芯光纤的拉曼传感测温系统及方法

权利要求书

1.一种单端注入多芯光纤拉曼传感测温系统，包括脉冲激光器、波分复用器、光电转换模块和信号采集模块，其特征在于：设置信号处理模块和扇入扇出模块，所述扇入扇出模块包括扇入模块和扇出模块，扇入模块包括扇入模块芯1，扇出模块包括扇出模块纤芯1和扇出模块纤芯2，

对多芯光纤进行测温时，从中任取两根纤芯进行测量，记为多芯光纤芯1和多芯光纤芯2，脉冲激光器产生泵浦脉冲，经过波分复用器注入扇入模块纤芯1中，通过多芯光纤芯1后，从扇出模块纤芯1输出并经过单模光纤注入扇出模块纤芯2中，通过多芯光纤芯2返回扇入模块，构成光纤环路，实现对多芯光纤芯1和多芯光纤芯2的同时测量；多芯光纤芯1和多芯光纤芯2产生的拉曼散射信号经波分复用器滤出斯托克斯和反斯托克斯光信号，进入光电转换模块转换为电信号；在脉冲激光器同步控制信号的触发下，信号采集模块同步采集拉曼散射信号，平均后的信号输入信号处理模块进行温度解调；

测温时无需切换端口，无需布置光纤环路，使用单根多芯光纤进行测温，无需使用光开关切换端口，只需一次测量就得到测温结果，消除波长相关损耗和局部损耗带来的测温误差，提高测温精度；

光电转换模块由两个APD光电探测器组成，光电转换模块产生的电信号被信号采集模块同步采集，信号采集模块包含模数转换器，采集得到的信号输入信号处理模块解调温度；多芯光纤前若干部分置于恒温箱中作为参考光纤，中间若干部分置于冷水浴中；后若干部分置于热水浴中；测温过程中，能够采用的设置方案有，设置恒温箱温度为12℃，室温为12℃，冷水浴设置温度为0℃，热水浴设置温度为15℃，冷水浴和热水浴控温精度±0.5℃；

通过将两根纤芯同一位置处信号相乘求几何平均，得到双端测量结果，传感光纤上的每一点的波长相关损耗均相等，消除静态波长相关损耗对温度测量的影响；

首先在已知温度下进行定标，将测量结果与定标结果相除，消除与位置相关常数系数的影响，进一步提高测温精度。

2.根据权利要求1所述单端注入多芯光纤拉曼传感测温系统，其特征在于：所述多芯光纤纤芯数量大于2，不同纤芯具有相同的折射率分布，不同纤芯长度差异小于5cm/km，纤芯间串扰小于-40dB/km。

3.根据权利要求1所述单端注入多芯光纤拉曼传感测温系统，其特征在于：所述扇入扇出模块1550nm波长插入损耗小于1.5dB，回波损耗大于45dB，纤芯间串扰小于-50dB。

4.一种单端注入多芯光纤拉曼传感测温方法，其特征在于：用于如权利要求1至3任一项所述的单端注入多芯光纤拉曼传感测温系统。

5.根据权利要求4所述单端注入多芯光纤拉曼传感测温方法，其特征在于：测温过程包括以下步骤，

步骤1，设多芯光纤总长度为L，测量得到的多芯光纤芯1和多芯光纤芯2的斯托克斯和反斯托克斯光信号总长度为2L，斯托克斯和反斯托克斯光信号上z位置和2L-z位置都对应多芯光纤上z位置，z位置的环境温度为T(z)，则z位置和2L-z位置的反斯托克斯和斯托克斯光信号比分别为：

其中，P_as(z)和P_s(z)分别为光纤位置z处反斯托克斯和斯托克斯光功率，C_as(z)和C_s(z)是由光纤位置z决定的常数，h为普朗克常数，Δν为拉曼散射光与入射光的频率差，k为玻尔兹曼常数，α_as(x)、α_s(x)分别为反斯托克斯光、斯托克斯光在光纤位置x处的损耗；

步骤2，根据步骤1所得结果，得到z位置反斯托克斯双端测量信号P_{as_Double}(z)和斯托克斯双端测量信号P_{s_Double}(z)，进而得到z位置斯托克斯和反斯托克斯光信号双端测量结果为：

考虑时间t，将α_as(z)、α_s(z)表示为α_as(z,t)、α_s(z,t)，多芯光纤芯1和多芯光纤芯2的z位置分别对应测量结果中的z与2L-z处，

α_as(z,t)＝α_as(2L-z,t)

α_s(z,t)＝α_s(2L-z,t)

得到

双端测量斯托克斯和反斯托克斯光信号在传感光纤每一位置处的波长相关损耗都相同，为

步骤3，通过定标消除常数C_as和C_s的影响，实现如下，

在多芯光纤中取一段置于恒温状态作为参考，基于这段恒温光纤，在t0时刻，对多芯光纤上任一点z，在已知光纤温度分布Temp0(z,t0)下，其反斯托克斯和斯托克斯双端测量信号分别为P_{as_Double}(z,t0)和P_{s_Double}(z,t0)，双端测量定标结果为：

在t1时刻，对多芯光纤上任一点z，在待测光纤温度分布Temp1(z,t1)下进行测量，反斯托克斯和斯托克斯双端测量信号分别为P_{as_Double}(z,t1)和P_{s_Double}(z,t1)，双端测量结果为：

t1时刻测量结果与t0时刻定标结果相除，得到：

步骤4，设z0为恒温光纤上一点，在其t0时刻温度Temp0(z0,t0)和t1时刻温度Temp1(z0,t1)均已知的情况下，计算得到波长相关损耗为：

计算恒温光纤上Δα的平均值作为

步骤5，对于多芯光纤上除恒温光纤外其他任一点z，测量结果与定标结果相除为：

在Δα已经求解出的情况下，得到：

从而实现解调得到多芯光纤上的温度曲线。