基于光子计数光时域反射仪的光纤温度传感系统的制作方法

基于光子计数光时域反射仪的光纤温度传感系统
(一)技术领域
1.本发明涉及的是一种基于光子计数光时域反射仪的光纤温度传感系统，可用于外界温度的实时监控，可广泛用于冶金冶炼、建筑、电力系统和石油化工等领域，属于光纤传感技术领域。
(二)

背景技术：

2.光纤传感技术是20世纪70年代发展起来的新技术，随着光纤的大规模实用化，光纤传感器也由于其体积小、重量轻、传输损耗低、不受电磁干扰、可在易燃易爆炸等恶劣环境下工作等优点而被广泛应用；光在传输过程中，光纤容易受到外界环境(温度、应变、形变)的影响，从而导致光强度、相位、波长、频率和偏振态的等光参量发生变化，光纤传感技术正是通过监测这些光参量的变化从而获得相对应的待测量信息发展而来的技术。
3.分布式光纤传感系统是利用光纤链路上的被测光纤作为传感介质的一种传感系统，能够对光纤链路范围内的对象进行远程和实时监测，具有将传感和光信号传输集一体，从而实现远距离测量和实时监控；仅通过一次的测量就可以获得整个光纤沿线的一维分布图；只需使用一套系统便可以实现从数十公里乃至上百公里的光纤链路上获得大量数据信息等特点。
4.光时域反射仪(otdr)是以后向散射理论为基础，用来测量被测光纤传输特性的测量仪器；它的基本原理是脉冲激光器发出的脉冲光信号在沿被测光纤传输的过程中产生瑞利后向散射信号和菲涅尔反射，通过光电探测器接收回波信号的信息，之后经过处理后到被测光纤的特征信息。
5.传统的光时域反射仪采用模拟探测技术，受限于模拟探测技术的带宽和响应时间，大动态范围和高空间分辨率之间成为其最突出的矛盾，使得传统的光时域反射仪的应用场景受到了极大的限制。
6.基于光子计数光时域反射仪很好的解决动态范围和空间分辨率之间的矛盾，相比于传统的基于线性光电探测的光时域反射仪，基于光子计数的光时域反射仪得益于单光子探测器其极高的探测灵敏度(探测器内部增益相比于传统的光电探测器具有3-4个量级的提升)，大大提高了弱光检测能力，从而提高的系统的探测速度，降低系统的探测时间，有效的降低或者消除系统的测试盲区，进而同时获得了高空间分辨率和大动态范围。
7.目前的温度传感系统主要利用光纤中不同种类散射光的温度特性达到温度传感的目的，可以分为三类：基于瑞利后向散射的分布式温度传感器、基于拉曼散射的分布式温度传感器和基于布里渊散射的分布式温度传感器。
8.基于拉曼散射的分布式温度传感器在能源行业已经得到普遍应用，如文献中“high-resolution single-mode fiber-optic distributed raman sensor for absolute temperature measurement using superconducting nanowire single-photon detectors”，在不需要单独的温度校准标准的情况下，该系统可以获得高精度、高空间分辨率的温度测量；但是这类温度传感器需要进行复杂的频移处理，制造成本高，系统结果较为
复杂。
9.基于布里渊散射的分布式温度传感器是一种新型的一种新型的温度传感技术，如文献中“a distributed brillouin temperature sensor sing a single-photon detector”提出了使用瑞利/反斯托克斯的比值来测量温度信息；这类温度传感器具有动态范围大，灵敏度较高的特点，但是这类温度传感器也涉及到后向散射光的频移，需要复杂的频移处理，系统复杂且制造成本高，难以实现大规模商业化应用。
10.基于瑞利散射光时域反射仪技术的分布式温度传感器近几年也得到了广泛的研究，如文献“一种低成本的基于温度敏感光纤和otdr技术的新型分布式温度传感器”提出了相关的设计和验证；虽然不需要复杂的频移处理，系统结构相对简单，但是光纤中的瑞利散射对于温度的敏感性比较差，只能采用具有温度增敏能力的特种光纤；或者对被测光纤进行辐照处理并高温退火，从而使得被测光纤对于温度敏感，这类光纤制造成本高，难以大规模使用。
11.为了解决上述问题，本发明公开了一种基于光子计数光时域反射仪的光纤温度传感系统，可用于外界环境温度的实时监测，可广泛用于冶金冶炼、建筑、电力系统和石油化工等领域；该发明基于单光子计数光时域反射仪，受益于单光子探测器的优异性能，该系统可以实现低暗计数率和低后脉冲率的低噪声运行，提高了单光子计数光学时域反射系统的信噪比，大幅度降低了系统所需的测试时间，提高了测量速度；与此同时，本发明提出了在被测光纤中加入光纤传感器，利用光子数和温度之间的关系来表征外界温度变化，在得到被测光纤的特征信息的同时实时监测外界温度变化；相比于基于瑞利后向散射的分布式温度传感器、基于拉曼散射的分布式温度传感器和基于布里渊散射的分布式温度传感器，既不需要进行复杂的频移处理，也不需要特种光纤，本系统具有设计简单，价格低廉，系统稳定，实用性强等特点。
(三)

技术实现要素：

12.本发明的目的在于提供一种具有可用于实时监控外界温度、成本低廉、设计简单和稳定性强的基于光子计数光时域反射仪的光纤温度传感系统；可广泛用于冶金冶炼、建筑、电力系统和石油化工等领域。
13.本发明的目的是这样实现的：
14.基于光子计数光时域反射仪的光纤温度传感系统是由脉冲激光器(1)、三端口光纤环形器(2)、被测光纤(fut)(3)、光纤传感器(4)、单光子探测器(5)、信号读出电路(6)、时间相关单光子计数器(tcspc)(7)以及系统控制和数据处理模块(8)组成；脉冲激光器(1)在输出脉冲光信号的同时会输出一个同步电信号(sync)触发时间相关单光子计数系统(tcspc)(7)使其开始计数，脉冲光信号经由三端口光纤环形器(2)的a端口进入，通过b端口输出至被测光纤(3)中，在被测光纤中连接n个光纤传感器(4)，被测光纤(fut)(3)和光纤传感器(4)中产生的后向散射光信号再次耦合进入到三端口光纤环形器(2)的b端口，通过c端口输出到单光子探测器(5)中，单光子探测器(5)每接收到一个脉冲光信号后，连同信号读出电路(6)读出并对应输出一个电信号传输至时间相关单光子计数器(tcspc)(7)使其停止计数，时间相关单光子计数器(tcspc)(7)一方面记录同步电信号和单光子探测器输出电信号之间的时间差；另一方面统计检测到的光子数量，并将统计到光子计数-时间直方图数据
通过usb传送给系统控制和数据处理模块(8)进行处理，通过解调光纤传感器处的光子数变化，完成对外界温度变化实时监测的目的；同时系统控制和数据处理模块7可以通过调制脉冲激光器的脉冲重复频率和脉冲宽度，从而分别来改变系统的最大探测长度和探测精度。
15.脉冲激光器在输出脉冲光信号的同时会输出一个同步电信号触发时间相关单光子计数系统使其开始计数。
16.脉冲光信号经由三端口光纤环形器的a端口进入，通过b端口输出至被测光纤中。
17.被测光纤中连接有n个光纤传感器，该光纤传感器由单模光纤(smf)-空芯光纤(cof)-单模光纤(smf)组成的级联结构；由于空芯光纤的纤芯内注入了胶体物质，其与单模光纤纤芯的折射率不同，所以在单模光纤和空芯光纤的两个熔融点处形成了两个反射界面，分别记为m1和m2，脉冲光信号入射至反射界面时，m1和m2的反射率r1和r2和透射率t1和t2分别由式(1)、式(2)得：分别由式(1)、式(2)得：其中n1指的是单模光纤的纤芯折射率，n2指的是空芯光纤中胶体物质的折射率。
18.在光纤传感器反射界面处的反射功率主要有两个值，第一个值是光信号通过的第一个反射界面时的反射光功率，第二个是透过第一个反射界面，经二个反射表面反射回来再次反向透射第一个反射的反射光功率，假设脉冲光信号到第一个反射界面的功率为p，则此处的反射功率p1由式(3)可得：则光纤传感器的等效反射率r由式(4)可得：
19.当外界温度发生变化时，光纤传感器中空芯光纤中的胶体物质的折射率会随着温度的变化而变化，从而导致在熔接点(反射界面)返回的后向散射光信号的数量发生变化。
20.后向散射光信号再次经由三端口光纤环形器的b端口输入，经由c端口输出到单光子探测器中，单光子探测器每接收到一个光信号，连同信号读出电路读出并对应输出一个电信号传输至时间相关单光子计数器(tcspc)使其停止计数；在信号探测过程中，探测噪声取决于单光子探测器的暗计数率，光子计数噪声等效功率(最小探测功率)nep
pc
由式(5)可得：其中，h为普朗克常量，v为光子频率，η为单光子探测器的探测效率，p
dc
为单光子探测器的暗计数率。
21.时间相关单光子计数器(tcspc)每探测到一个电信号，就会测出该周期的光子到达时间(同步电信号和单光子探测器输出电信号之间的时间差)，并在对应的时间通道中加1，每个时间通道即为一个存储单元，通道宽度决定了系统的最小计时精度；经过很多个周期大量单光子事件的记录，每个存储单元内的总计数就对应了该时间通道内的信号强度，
由此可建立光子数-时间分布直方图，得到原始信号波形。
22.原始信号波形经由系统控制和数据处理模块处理后得到温度和光子数的关系，之后通过解调光纤传感器处的光子数变化，完成对外界温度变化实时监测的目的。
23.根据被测光纤长度的不同，系统控制和数据处理模块可以控制脉冲激光器的脉冲重复频率和脉冲宽度，从而改变系统的最大可测量范围和定位精度；同时脉冲激光器的脉冲重复频率必须保证同一时刻只有一个光脉冲在被测光纤中传播，同时发出一个同步电信号触发时间相关单光子计数器以保证二者时钟同步。
24.与现有的技术相比，本发明具有以下有益的发明特性。
25.本发明了一种基于光子计数光时域反射仪的光纤温度传感系统，系统中的单光子探测器可以实现低暗计数率和低后脉冲率的低噪声运行，提高了单光子计数光时域反射仪的信噪比，提高了测量速度，大幅度降低了系统获取数据所需的测量时间，具有更大的动态范围和更高的空间分辨率；同时，本发明提出了在被测光纤中加入光纤传感器，利用的光子数-温度之间的对应关系来表征外界温度变化，通过解调光纤传感器处的光子数变化，完成对外界温度变化实时监测的目的，本系统具有设计简单，价格低廉，系统稳定，实用性强等特点。
(四)附图说明
26.图1是基于光子计数光时域反射仪的光纤温度传感系统；该系统由脉冲激光器(1)、三端口光纤环形器(2)、被测光纤(fut)(3)、光纤传感器(4)、单光子探测器(5)、信号读出电路(6)、时间相关单光子计数器(tcspc)(7)以及系统控制和数据处理模块(8)组成。
27.图2是被测光纤中的分布式光纤温度传感器的结构示意图；该光纤传感器由单模光纤(smf)4-1-空芯光纤(cof)4-4-单模光纤(smf)4-1级联而成；在光纤温度传感器的制作中，通过光纤熔接机将注入胶体物质的空芯光纤融入两根单模光纤之中，从而实现单模光纤和空芯光纤之间的高效耦合；单模光纤4-1的包层4-2直径为125μm,纤芯4-3的直径为9μm；空芯光纤4-4的包层4-5直径为125μm,纤芯4-6的纤芯直径为9μm。
28.图3是基于光子计数的光纤温度传感系统的实施例的示意图；该系统由脉冲激光器(1)、三端口光纤环形器(2)、被测光纤(fut)(3)、光纤传感器(4)、雪崩光电二极管探测器(5)、主动淬灭和复位集成电路(aqr-ic)(6)、时间相关单光子计数器(tcspc)(7)以及系统控制和数据处理模块(8)组成。
29.图4是空芯光纤长度为50μm的单模光纤(smf)-空芯光纤(cof)-单模光纤(smf)组成的光纤传感器在(a)t＝2s；(b)t＝5s(c)t＝10s(d)t＝20s测量时间下得到的温度-光子数对应关系图。
30.图5是空芯光纤长度为500μm的单模光纤(smf)-空芯光纤(cof)-单模光纤(smf)组成的光纤传感器在(a)t＝2s；(b)t＝5s(c)t＝10s(d)t＝20s测量时间下得到的温度-光子数对应关系图。
(五)具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的计数方案进行清楚的描述。
31.图3给出了基于光子计数的分布式光纤温度系统的实施例。该系统是由脉冲激光器(1)、三端口光纤环形器(2)、被测光纤(fut)(3)、光纤传感器(4)、雪崩光电二极管探测器(5)、主动淬灭和复位集成电路(aqr-ic)(6)、时间相关单光子计数器(tcspc)(7)以及系统控制和数据处理模块(8)组成；脉冲激光器(1)在输出脉冲光信号的同时会输出一个同步电信号(sync)触发时间相关单光子计数系统(tcspc)(7)使其开始计数，脉冲光信号经由三端口光纤环形器(2)的a端口进入，通过b端口输出至被测光纤(3)中，在被测光纤中连接n个光纤传感器(4)，被测光纤(3)和光纤传感器(4)中产生的后向散射光信号再次耦合进入到三端口光纤环形器(2)的b端口，通过c端口输出到雪崩光电二极管探测器(5)中，雪崩光电二极管探测器(5)每接收到一个脉冲光信号后，连同主动淬灭和复位集成电路(aqr-ic)(6)读出并对应输出一个电信号传输至时间相关单光子计数器(tcspc)(7)使其停止计数，时间相关单光子计数器(tcspc)(7)一方面记录同步电信号和单光子探测器输出电信号之间的时间差；另一方面统计检测到的光子数量，并将光子计数-时间直方图数据通过usb传送给系统控制和数据处理模块(8)进行处理，通过解调光纤传感器处的光子数变化，完成对外界温度变化实时监测的目的；同时系统控制和数据处理模块7可以通过调制脉冲激光器的脉冲重复频率和脉冲宽度，从而分别来改变系统的最大探测长度和探测精度。
32.脉冲激光器在输出脉冲光信号的同时会输出一个同步电信号触发时间相关单光子技术系统使其开始计数；脉冲激光器的脉冲重复频率受到系统控制和数据处理模块的调制，从而使得同一时刻只有一个光脉冲在被测光纤中传播，同时发出一个同步电信号触发时间相关单光子计数器以保证二者时钟同步。
33.脉冲光信号经由三端口光纤环形器的a端口进入，通过b端口输出至被测光纤中。
34.被测光纤中连接有2个光纤传感器，该传感器是由单模光纤(smf)-空芯光纤(cof)-单模光纤(smf)组成的级联结构；由于空芯光纤的纤芯内注入了胶体物质，其与单模光纤的纤芯的折射率不同，所以在单模光纤和空芯光纤的两个熔融点处形成了两个反射界面；当脉冲光信号入射至反射界面时，其折射率会发生变化，从而导致光子数发生变化。
35.当外界温度发生变化时，2个光纤传感器中空芯光纤中的胶体物质的折射率随着外界温度的变化而变化，从而导致在反射界面返回的后向散射光信号的数量也随之发生变化。
36.后向散射光信号再次经由三端口光纤环形器的b端口输入，经由c端口输出至雪崩光电二极管探测器后，由雪崩光电二极管探测器连同主动淬灭和复位集成电路(aqr-ic)读出并对应输出一个电信号传输至时间相关单光子计数系统(tcspc)使其停止计数，时间相关单光子计数系统每探测到一个电信号，就会测出该周期的光子到达时间，并在对应的时间通道中加1。
37.每个时间通道即为一个存储单元，经过很多个周期大量单光子事件的记录，每个存储单元内的总计数就对应了该时间通道内的信号强度，由此可建立光子数-时间分布直方图，得到原始信号波形。
38.原始信号波形经由系统控制和数据处理模块处理后得到温度和光子数的关系，之后通过解调光纤传感器处的光子数变化，完成对外界温度变化实时监测的目的。