本發(fā)明是一種全光纖長距離高空間分辨率單光子溫度傳感器，用于超長距離(近100km)高空間分辨率(厘米量級)的實時監(jiān)測溫度信息。

背景技術(shù)：
分布式光纖拉曼溫度傳感器是近十多年來發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場的高新技術(shù)。傳感器使用的光纖既是光傳輸介質(zhì)，又是溫度傳感介質(zhì)。利用光纖中拉曼散射效應(yīng)，光纖所處空間各點的溫度場調(diào)制了光纖中背向拉曼散射的光強度(反斯托克斯背向拉曼散射的光強度)，經(jīng)過解調(diào)將溫度信息實時顯示出來。光纖拉曼溫度傳感器具有絕緣性，抗電磁干擾，幾何易變性以及固有的大的信號傳輸帶寬等優(yōu)點，使得大型機構(gòu)溫度場的準(zhǔn)確測量和實時監(jiān)控變成了可能。近年來，分布式光纖拉曼溫度傳感器得到了快速的發(fā)展。測量距離和空間分辨率是分布式光纖拉曼溫度傳感器的重要參數(shù)。威海北洋電氣集團股份有限公司提出了一種遠(yuǎn)程分布式拉曼溫度傳感器(公開(公告)號：CN102818657A)。通過使用EDFA放大技術(shù)對測溫過程中的激光脈沖信號進(jìn)行二次放大處理，有效的提高了該傳感器的測溫距離。該傳感器能做到的最長測量距離為15km。威海北洋電氣集團股份有限公司還提出了一種高分辨率分布式光纖溫度傳感器和測溫裝置及使用方法(公開(公告)號：CN103292928A)。通過設(shè)置同步誤差監(jiān)測環(huán)路，使得數(shù)據(jù)采集卡基于時鐘移相的精確時間間隔測量能夠精確確定采集卡激光脈沖觸發(fā)信號與電脈沖信號上升沿的時間間隔，并與上位機的空間分辨率誤差范圍參數(shù)進(jìn)行比較，從而決定是否對本次觸發(fā)周期信號進(jìn)行累加處理，保證最終的空間分辨率在誤差范圍內(nèi)。該傳感器的空間分辨率最大為50cm。盡管這個空間分辨率和傳感距離可以滿足許多應(yīng)用需求，然而在一些工程中需要更長距離高空間分辨率的溫度傳感器，例如發(fā)電設(shè)備(如火力發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機、水力發(fā)電機等)、高壓開關(guān)、變壓器等中存在很多易于發(fā)熱、老化的關(guān)鍵點，這些關(guān)鍵點分布在發(fā)電設(shè)備的各個部位，而且往往相隔很近，必須采用高空間分辨率和長距離的的分布式溫度傳感器來實現(xiàn)組網(wǎng)溫度的監(jiān)控和測量。但是傳統(tǒng)的分布式溫度傳感器系統(tǒng)受使用的雪崩光電探測器和采集卡限制，很難實現(xiàn)更高的空間分辨率。另外傳感器系統(tǒng)傳感距離越長則散射回的信號越微弱，而雪崩光電探測器有很高的噪聲，對微弱信號的獲得與處理非常困難，因此限制了傳統(tǒng)的分布式溫度傳感器系統(tǒng)的傳感距離?；诖?，本發(fā)明提出一種全光纖長距離高空間分辨率單光子溫度傳感器，采用低能量皮秒量級的光發(fā)射模塊，將單光子計數(shù)技術(shù)與拉曼散射原理、門控技術(shù)相結(jié)合，得到了厘米量級的空間分辨率，采用單光子探測器來探測散射回的微弱信號，實現(xiàn)了將近100km的超長距離和厘米量級高空間分辨率探測的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有溫度傳感器系統(tǒng)溫度監(jiān)測空間分辨率低、距離不夠長的缺點，采用時間相關(guān)單光子探測技術(shù)，實現(xiàn)對溫度的長距離高空間分辨率的實時監(jiān)測。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種全光纖長距離高空間分辨率單光子溫度傳感器，包括激光光源、光纖環(huán)形器、多路光開關(guān)陣列、傳感光纖和信號采集與處理模塊。解調(diào)時，激光光源發(fā)出的光脈沖經(jīng)過環(huán)形器進(jìn)入多路光開關(guān)陣列，由多路光開關(guān)陣列分配到不同的傳感光纖，光脈沖在傳感光纖內(nèi)傳輸時激發(fā)斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光，傳感光纖內(nèi)散射回的信號再經(jīng)光纖環(huán)行器返回到信號采集與處理模塊，通過信號采集與處理模塊解調(diào)出溫度信息，通過傳輸光纜傳輸?shù)奖O(jiān)測主機；當(dāng)傳輸?shù)降男盘栔党^安全預(yù)警值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，工作人員迅速的對該報警做出相應(yīng)的處理。信號采集與處理模塊包括波分復(fù)用器、探測器、時間記錄模塊、信號處理模塊。光纖內(nèi)散射回的信號經(jīng)光纖環(huán)形器進(jìn)入波分復(fù)用器，通過波分復(fù)用器將不同波長的信號分開，波分復(fù)用器的輸出端與探測器的一個輸入端相連接，波分復(fù)用器的輸出端與探測器的另一個輸入端相連接，探測器的輸出端與時間記錄模塊相連，其輸出端連接信號處理模塊。本發(fā)明具有突出的優(yōu)點如下：1.所述全光纖長距離高空間分辨率單光子溫度傳感器能夠監(jiān)測溫度變化并且定位溫度變化區(qū)間，實現(xiàn)厘米量級的空間分辨率，傳感距離將近100km。2.所述全光纖長距離高空間分辨率單光子溫度傳感器采用低能量皮秒量級的光發(fā)射模塊作為激光光源。3.所述全光纖長距離高空間分辨率單光子溫度傳感器使用單光子計數(shù)技術(shù)對斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光進(jìn)行計算，將量子物理的拉曼散射原理與數(shù)理概率統(tǒng)計相結(jié)合。4.所述全光纖長距離高空間分辨率單光子溫度傳感器將單光子計數(shù)技術(shù)和門控技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了溫度監(jiān)測空間分辨率的提高。5.使用單模光纖作為傳感光纖，與多模光纖相比具有較低的傳輸損耗，更加適合長距離的溫度檢測。6.使用的探測器是單光子探測器，具有暗計數(shù)低、響應(yīng)頻譜寬、重復(fù)速度快等特點，適用于微弱信號的檢測。7.使用的時間記錄模塊是時間相關(guān)單光子計數(shù)器，可以高精度的測量出單個光子脈沖的相關(guān)時間，時間分辨率非常高。附圖說明圖1是本發(fā)明系統(tǒng)組成框圖；圖2是本發(fā)明中單光子溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。本發(fā)明提出的系統(tǒng)其組成如圖1所示，包括激光光源1、光纖環(huán)形器2、多路光開關(guān)陣列3、傳感光纖4和信號采集與處理模塊5。解調(diào)時，激光光源1發(fā)出的光脈沖經(jīng)過環(huán)形器2進(jìn)入多路光開關(guān)陣列3，由多路光開關(guān)陣列3分配到不同的傳感光纖4，光脈沖在傳感光纖4內(nèi)傳輸時激發(fā)斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光，散射回的信號再經(jīng)光纖環(huán)行器2返回到信號采集與處理模塊5，通過信號采集與處理模塊5解調(diào)出溫度信息，通過傳輸光纜6傳輸?shù)奖O(jiān)測主機7；當(dāng)傳輸?shù)降男盘栔党^安全預(yù)警值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，工作人員迅速的對該報警做出相應(yīng)的處理。信號采集與處理模塊5包括波分復(fù)用器8、探測器9、時間記錄模塊10、信號處理模塊11。光纖內(nèi)散射回的信號經(jīng)光纖環(huán)形器2進(jìn)入波分復(fù)用器8，通過波分復(fù)用器8將不同波長的信號分開，波分復(fù)用器8的輸出端8-2與探測器9的一個輸入端相連接，波分復(fù)用器8的輸出端8-3與探測器9的另一個輸入端相連接，探測器9的輸出端與時間記錄模塊10相連，其輸出端連接信號處理模塊11。如圖2本發(fā)明中單光子溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖所示，包括激光光源1、光纖環(huán)形器2、波分復(fù)用器8、探測器9、時間記錄模塊10、信號處理模塊11和傳感光纖4。所述激光光源1是皮秒激光器，中心波長為1550nm，脈沖寬度50ps-2000ps可調(diào)，外觸發(fā)情況下重復(fù)頻率范圍為1kHz-1GHz，峰值功率在毫瓦量級可調(diào)。所述皮秒激光器的最小脈沖寬度為50ps，理論上對應(yīng)的單光子溫度傳感器最小空間分辨率為0.5cm，當(dāng)脈沖寬度為2000ps,理論上對應(yīng)的單光子溫度傳感器空間分辨率為20cm。調(diào)整皮秒激光器的脈沖寬度，可以相應(yīng)的調(diào)整單光子溫度傳感器的空間分辨率。通過使用皮秒激光器，實現(xiàn)了對單光子溫度傳感器厘米量級的高空間分辨率的要求。所述皮秒激光器外觸發(fā)情況下重復(fù)頻率范圍為1kHz-1GHz。由于利用脈沖光作為探測脈沖時，應(yīng)該滿足脈沖光的重復(fù)周期大于它在光纖中往返的傳播時間，這樣就能夠防止在入射端接收前一個脈沖產(chǎn)生的后向散射信號之前發(fā)出下一個探測脈沖，從而發(fā)生混疊影響前一個脈沖的散射信號。因此該皮秒激光器的重復(fù)頻率所對應(yīng)的最長傳感距離為100km，滿足了單光子溫度傳感器長距離探測的需求。所述波分復(fù)用器8包括3個端口，端口8-1與光纖環(huán)形器2的輸出端相連，端口8-2、8-3與探測器9的兩個輸入端分別相連。所述波分復(fù)用器8由中心波長1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長1663nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片構(gòu)成。所述探測器9是單光子探測器，具有暗計數(shù)低、響應(yīng)頻譜寬、重復(fù)速度快等特點，適用于微弱信號的檢測。所述時間記錄模塊10是時間相關(guān)單光子計數(shù)器，可以高精度的測量出單個光子脈沖的相關(guān)時間，時間分辨率非常高。所述傳感光纖4是單模光纖。與多模光纖相比具有較低的傳輸損耗，更加適合長距離的溫度檢測。皮秒激光器發(fā)出的1550nm波長的光經(jīng)過光纖環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖，在傳感光纖內(nèi)會產(chǎn)生拉曼散射效應(yīng)得到拉曼散射光，該拉曼散射光可分為波長為1450nm的反斯托克斯光和波長為1663nm的斯托克斯光。散射回的光再通過光纖環(huán)形器進(jìn)入波分復(fù)用器。波分復(fù)用器與單光子探測器相連接，通過波分復(fù)用器的分光作用，單光子探測器可以分別得到反斯托克斯光和斯托克斯光的光子數(shù)，再通過時間相關(guān)單光子計數(shù)器記錄單光子探測器光子探測的時間，使用信號處理模塊對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于反斯托克斯光對溫度比較敏感，而斯托克斯光對溫度不敏感，可以用反斯托克斯光作為信號光，斯托克斯光作為參考光，通過兩者的光子數(shù)的比值解調(diào)出溫度信息。再通過時間相關(guān)單光子計數(shù)器記錄的時間對該溫度信息實現(xiàn)定位。所述單光子探測器與時間相關(guān)單光子計數(shù)器構(gòu)成時間相關(guān)單光子計數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于極弱光探測，所基于的原理是：在記錄微弱、高重復(fù)頻率的脈沖信號時，由于光強很低，以至于在一個信號周期內(nèi)探測到一個光子的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，因此沒有必要考慮在一個信號周期內(nèi)探測到幾個光子的情形，只要記錄這些光子，測量它們在信號周期內(nèi)的時間，并建立光子時間分布的直方圖就夠了。該系統(tǒng)的輸出信號是對應(yīng)于探測到單個光子的隨機分布的脈沖序列。一般情況下一個信號周期內(nèi)探測到多于一個光子的幾率是很小的，有些信號周期會探測到一個光子，也有許多信號周期沒有檢測到光子，當(dāng)探測到一個光子時，就可以在信號周期內(nèi)測得與探測器脈沖對應(yīng)的時間。時間相關(guān)單光子計數(shù)系統(tǒng)可以高精度的測量出單個光子脈沖的相關(guān)時間，具有信噪比高、抗漂移性好、時間穩(wěn)定性好、便于計算機進(jìn)行分析處理等優(yōu)點。激光器發(fā)出的光經(jīng)波分復(fù)用器后進(jìn)入傳感光纖中，單光子探測器中得到的拉曼后向散射計數(shù)率可以表示為：Iu＝ηu△νuP0L|gR,u|N(Ωup)Dc+Bu(1)其中下標(biāo)u代表s或a，s、a分別指斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光。Iu表示每秒內(nèi)散射的光子數(shù)，Bu表示由暗計數(shù)和瑞利背向散射放大的自發(fā)輻射的背景光子數(shù)。ηu表示單光子探測器的探測效率與濾波器傳輸系數(shù)的乘積，Δvu表示系統(tǒng)中應(yīng)用于斯托克斯和反斯托克斯通道的濾波器的帶寬，P0表示為激光器的峰值功率，L為光纖長度，gR，u為拉曼增益系數(shù)，Dc為激光器信號的占空比，Ωup＝Ωu-Ωp為激光器的光波長與斯托克斯和反斯托克斯波長的徑向頻率失諧，N為光子數(shù)，可以表示為：假設(shè)拉曼增益系數(shù)gR，u和失諧系數(shù)Ωup與斯托克斯和反斯托克斯濾波器帶寬頻率無關(guān)，并且假設(shè)Ωap≈Ωsp，則斯托克斯光子計數(shù)率與反斯托克斯光子計數(shù)率之比為：其中Is表示斯托克斯計數(shù)率，Bs為斯托克斯背景計數(shù)率，Ia表示反斯托克斯計數(shù)率，Ba為反斯托克斯背景計數(shù)率，x表示被測光纖的位置，C是一個常數(shù)(包括單光子探測器的探測效率，相對拉曼增益等)。將被測光纖的一部分放置在已知溫度的環(huán)境中，利用公式(3)，可以解調(diào)出常數(shù)C的值。通過測量被測光纖中的拉曼散射，利用公式(3)，就可以計算出被測光纖所處的溫度環(huán)境。