CN101256098A - 一种分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法，其包括以下步骤：(1)计算出系统中瑞利散射信号和反斯托克斯信号的测量值与理论值之间的偏差，(2)将系统实际瑞利散射信号和反斯托克斯信号的实际测量值分别减去其偏差值得到其改进值，(3)根据瑞利散射信号与反斯托克斯信号的改进值的比值确定光纤上各点的温度值。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过对由于特定分布式光纤温度传感器系统中电路和环境噪声及非线性对瑞利散射信号和反斯托克斯信号的实际测量值与排除系统影响后理论值之间的偏差计算出来，对实际测量的进行补偿，确保了瑞利散射信号和反斯托克斯信号采样的准确性，从而进一步确保分布式光纤温度传感器系统中温度采集的准确性。

Description

一种分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法。

背景技术

温度是一切物理、化学和生物过程的重要状态参量之一，温度测量在工程应用和科学研究中具有十分重要的位置。由于光纤本身不受射频场和其他电磁辐射干扰的影响、不产生电火花并且绝缘性好等特性，使得光纤温度传感器成为军用和民用结构中有效的分布温度测量手段。

分布式光纤温度传感系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统。该技术最早于1981年由英国南安普顿大学提出，目前国外(主要是英国、日本等国)已研制出产品。国内也正积极开展这方面的研究工作，已经研制成功分布式光纤温度传感器的系列产品，并在一些工业领域得到了初步应用，分布式光纤温度传感器(DTS)系统是基于先进的光时域反射(OTDR)技术的原理和光纤的背向拉曼散射温度效应，以光纤为载体，由主机、传感光缆及其他附件组合而成，分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、大的信号传输带宽等特点。它能够连续测量光纤沿线所在处的温度，测量距离在几千米范围，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。

在分布式光纤温度传感系统中温度的测量原理是将-束脉冲激光发射到光纤里，光在光纤中传输的同时与光纤内的分子相互作用，发生散射，散射有多种，如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光。同一段光缆中，瑞利散射光子数以及拉曼散射光子数均以指数形式衰减，而且，瑞利散射光子数基本不受温度信号影响，拉曼散射中斯托克斯光子数反斯托克斯光子数随温度变化。若入射光子数为N_e，则斯托克斯拉曼光子数：

$N_s=K_{s}S{\mathrm{\γ}}_s^4{N}_e{R}_s\left(T\right)\exp [-({\mathrm{\α}}_e+{\mathrm{\α}}_s)\frac{c}{2n}t]---\left(1\right)$

反斯托克斯光子数：

$N_a=K_{a}S{\mathrm{\γ}}_a^4{N}_e{R}_a\left(T\right)\exp [-({\mathrm{\α}}_e+{\mathrm{\α}}_a)\frac{c}{2n}t]---\left(2\right)$

瑞利散射光子数：

$N_R=K_{R}S{{\mathrm{\γ}}_0}^4{N}_e\exp [-2a_e\frac{c}{2n}t]---\left(3\right)$

其中，K_s、K_a、K_R分别是与光纤的斯托克斯、反斯托克斯、瑞利散射截面等有关的系数；s是光纤的背向散射因子；γ₀、γ_s、γ_a：分别是入射光子频率、斯托克斯和反斯托克斯拉曼光子频率；α_e、α_s、α_a分别是入射光、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的平均传输损耗；c是真空中的光速；n是光纤的折射率；t是光在光纤中传输的时间；R_s(T)、R_a(T)：分别是与光纤分子(SiO₂)低能级和高能级上的布居数有关的系数，与局域光纤处的温度有关：

R_s(T)＝[1-exp(-hΔγ/kT)]^-1  (4)

R_a(T)＝[exp(hΔγ/kT)-1]^-1  (5)

其中，Δγ为拉曼声子频率，h为普朗克常数，k为玻耳兹曼常数。

分布式光纤温度传感系统中测量温度较为传统的做法是，使用斯托克斯或者瑞利散射光对反斯托克斯光解调，但是由于瑞利散射光的强度比斯托克斯光要高3-4个量级，所以，一般大都采用瑞利散射光来对反斯托克斯光进行解调，用这种温度解调方法，既减小了光强检测的难度，又提高了温度灵敏度，当采用瑞利散射光对反斯托克斯光解调：

$F\left(T\right)=\frac{N_a\left(T\right)}{N_R\left(T\right)}=\frac{K_a}{K_R}{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_a}{{\mathrm{\γ}}_0}\right)}^4{R}_a\left(T\right)\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_0)L]---\left(6\right)$

在实际系统中，使用经光电变换后的瑞利散射信号和反斯托克斯散射信号的电平代替测量光子数，如果已知起始温度T₀，则从式(6)中可确定光纤上各点的温度。

在实际的分布式光纤温度传感器系统中，由于反射的光信号非常微弱，电路和环境的噪声以及非线性影响很大，并且不能通过累加取平均等常规方法去除，实际测量瑞利散射信号和拉曼散射信号的电平存在较大的误差，这样通过式(6)计算出来的光纤上各点的温度值的误差也很大，温度值不够精确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对分布式光纤温度传感器系统中由于电路和环境噪音及非线性影响进行补偿的精确度高的分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、首先计算出在所述分布式光纤温度传感器系统中瑞利散射信号的测量值与排除系统影响后瑞利散射信号的理论值之间的偏差，以及在所述分布式光纤温度传感器系统中反斯托克斯信号的测量值与排除系统影响后反斯托克斯信号的理论值之间的偏差，并将这个偏差作为所述分布式光纤温度传感器系统的固有特性；

(2)、分别测出所述分布式光纤温度传感器系统在实际使用过程中瑞利散射信号和反斯托克斯信号的第一组测量值，用第一组测量值中瑞利散射信号值减去步骤(1)中计算出的系统引起的瑞利散射信号偏差得到瑞利散射信号的改进值，用第一组测量值中反斯托克斯信号值减去步骤(1)中计算出的系统引起的反斯托克斯信号偏差得到反斯托克斯信号的改进值；

(3)、根据瑞利散射信号的改进值与反斯托克斯信号的改进值的比值确定光纤上各点的温度值。

所述步骤(1)中通过以下步骤计算在所述分布式光纤温度传感器系统中瑞利散射信号和反斯托克斯信号的测量值与排除系统影响时瑞利散射信号和反斯托克斯信号的理论值之间的偏差：

①、首先将所述分布式光纤温度传感器系统中的一段光缆放置于一个恒温环境下，并利用所述分布式光纤温度传感器系统分别获取一组瑞利散射信号和反斯托克斯信号的第二组测量值，并将所述第二组测量值分别取常数e的对数并保存为第三组测量值；

②、将所述第三组测量值中瑞利散射信号与该信号处光纤离测量设备的距离进行最小二乘法处理，得到一个拟合后的第一一元线性曲线y_r＝a_rx+b_r，将所述第三组测量值中反斯托克斯信号与该信号处光纤离测量设备的距离也进行最小二乘法处理，得到一个拟合后的第二一元线性曲线y_s＝a_sx+b_s，其中x表示测量信号处光纤离测量设备的距离，y_r表示第三组测量值中瑞利散射信号经过对数变换及线性拟合后的值，y_s表示是第三组测量值中反斯托克斯信号经过对数变换及线性拟合后的值；

③、分别对第一一元线性曲线y_r＝a_rx+b_r和第二一元线性曲线y_s＝a_sx+b_s进行指数变换，得到排除系统影响时瑞利散射信号的理论值和排除系统影响时反斯托克斯信号的理论值；

④、将步骤①中的第二组测量值中瑞利散射信号值和反斯托克斯信号值分别减去步骤③中排除系统影响时瑞利散射信号理论值和排除系统影响时反斯托克斯信号的理论值，分别得到系统引起的瑞利散射信号偏差和反斯托克斯信号偏差。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过对由于特定分布式光纤温度传感器系统中电路和环境噪声及非线性对实际测量的瑞利散射信号和反斯托克斯信号的测量值与排除系统影响后理论值之间的偏差计算出来，并把这个偏差作为特定系统的固有特性，对实际测量的瑞利散射信号和反斯托克斯信号的测量值进行补偿，确保了瑞利散射信号和反斯托克斯信号采样的准确性，从而进一步确保分布式光纤温度传感器系统中温度采集的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例中分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法的流程图；

图2为图1中测量值与理论值之间的偏差实现方法流程图；

图3为本发明实施例中宁波地区某处的一分布式光纤温度传感器系统采集的瑞利信号原始值曲线和反斯托克斯信号原始值曲线及采用现有技术计算的温度曲线；

图4为图3中瑞利信号原始值和反斯托克斯信号原始值分别取常数e的对数后的曲线以及对取常数e的对数后并分别进行最小二乘法处理的瑞利散射信号拟合值和反斯托克斯信号拟合值曲线；

图5为本发明实施例中瑞利散射信号偏差曲线；

图6为本发明实施例中反斯托克斯信号偏差曲线；

图7为本发明实施例中利用本发明技术后瑞利信号及反斯托克斯信号的改进值曲线及利用改进值计算的温度值曲线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1，本发明提供了一种分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法，其包括以下步骤：

(1)、首先计算出在所述分布式光纤温度传感器系统中瑞利散射信号的测量值与排除系统影响后瑞利散射信号的理论值之间的偏差σ_r，以及在所述分布式光纤温度传感器系统中反斯托克斯信号的测量值与排除系统影响后反斯托克斯信号的理论值之间的偏差σ_a，并将这个偏差作为所述分布式光纤温度传感器系统的固有特性；

(2)、分别测出所述分布式光纤温度传感器系统在实际使用过程中瑞利散射信号和反斯托克斯信号的第一组测量值(λ_r(T)₁，λ_a(T)₁)，用第一组测量值中瑞利散射信号值λ_r(T)₁减去步骤(1)中计算出的系统引起的瑞利散射信号偏差σ_r得到瑞利散射信号的改进值λ′_r(T)，用第一组测量值中反斯托克斯信号值λ_a(T)₁减去步骤(1)中计算出的系统引起的反斯托克斯信号偏差σ_a得到反斯托克斯信号的改进值λ′_a(T)；

(3)、根据瑞利散射信号的改进值λ′_r(T)与反斯托克斯信号的改进值λ′_a(T)的比值确定光纤上各点的温度值。

而上述步骤(1)中计算分布式光纤温度传感器系统中瑞利散射信号和反斯托克斯信号的测量值与排除系统影响时瑞利散射信号和反斯托克斯信号的理论值之间的偏差通过以下方式进行：

①、首先将所述分布式光纤温度传感器系统中的一段光缆放置于一个恒温环境下，并利用所述分布式光纤温度传感器系统分别获取一组瑞利散射信号和反斯托克斯信号的第二组测量值(λ_r(T)₂，λ_a(T)₂)，并将所述第二组测量值分别取常数e的对数并保存为第三组测量值(λ_r(T)₃，λ_a(T)₃)；

②、将所述第三组测量值中瑞利散射信号λ_r(T)₃与该信号处光纤离测量设备的距离x进行最小二乘法处理，得到一个拟合后的第一一元线性曲线y_r＝a_rx+b_r，将所述第三组测量值中反斯托克斯信号λ_a(T)₃与该信号处光纤离测量设备的距离x也进行最小二乘法处理，得到一个拟合后的第二一元线性曲线y_s＝a_sx+b_s，其中x表示测量信号处光纤离测量设备的距离，y_r表示第三组测量值中瑞利散射信号经过对数变换及线性拟合后的值，y_s表示是第三组测量值中反斯托克斯信号经过对数变换及线性拟合后的值；

③、分别对第一一元线性曲线y_r＝a_rx+b_r和第二一元线性曲线y_s＝a_sx+b_s进行指数变换，得到排除系统影响时瑞利散射信号的理论值 $y_r^{\′}=e^{y_r}=e^{b_r}\·e^{a_{r}x}$ 和排除系统影响时反斯托克斯信号的理论值 $y_s^{\′}=e^{y_s}=e^{b_s}\·e^{a_{s}x};$

④、将步骤①中的第二组测量值中瑞利散射信号值λ_r(T)₂和反斯托克斯信号值λ_a(T)₂分别减去步骤③中排除系统影响时瑞利散射信号理论值y′_r和排除系统影响时反斯托克斯信号的理论值y′_s，分别得到系统引起的瑞利散射信号偏差σ_r和反斯托克斯信号偏差σ_a，详见图2所示。

上述计算方法的推导原理为：同一段光缆中，整条光缆上的瑞利散射信号以及反斯托克斯信号均以一阶指数形式衰减，由于在实际测量过程中，使用经光电变换后的瑞利散射信号和反斯托克斯散射信号的电平代替测量光子数，这里用V_a、V_r表示瑞利散射信号和反斯托克斯散射信号的电平，根据背景技术中式(2)和式(3)，将V_a、V_r简化为：

$V_a=A_1{R}_a\left(T\right)e^{B_{1}x}---\left(8\right)$

$V_r=A_2{e}^{B_{2}x}---\left(9\right)$

对(8)、(9)求对数得：

y_a＝V′_a＝lnA₁+ln R_a(T)+B₁·x     (10)

y_r＝V′_r＝ln A₂+B₂·x             (11)

以上，A₁、A₂、B₁、B₂对特定的分布式光纤温度传感器系统而言为固定常数，R_a(T)在光缆温度不变化的时间段内也为常量。

由式(10)、(11)知，y_a与y_r是x的一元方程，并且与x是单调线性关系，其中x表示距离，是时间t的一元线性函数。

因此，在实际实现中，先将光缆放置于恒温环境，然后用分布式光纤温度传感器系统的设备分别获取一组瑞利散射信号和反斯托克斯信号的实际测量值，这一组值的多少取决于光缆长短，而光缆长短不少于设备测量长度标称值，并对这些测量值分别取常数e的对数并保存于新的数组中，然后将上述取过常数e对数后的测量结果与测量处光纤的位置值分别进行最小二乘法(一元线性回归)处理，得到拟合后的标准曲线

y_r＝a_rx+b_r和y_s＝a_sx+b_s，

然后，对上述拟合后瑞利散射信号和反斯托克斯信号进行指数反变换，得到排除电路噪声以及非线性影响的理论曲线即排除系统影响时瑞利散射信号和反斯托克斯信号的理论值 $y_r^{\′}=e^{y_r}=e^{b_r}\·e^{a_{r}x},$ $y_s^{\′}=e^{y_s}=e^{b_s}\·e^{a_{s}x};$

最后用瑞利散射信号测量值减去排除系统影响时瑞利散射信号的理论值得到系统引起的瑞利散射信号偏差σ_r；同理，用反斯托克斯信号测量值减去排除系统影响时反斯托克斯信号的理论值得到系统引起的反斯托克斯信号偏差σ_a。在实际使用时，用瑞利散射信号测量值λ_r(T)减去瑞利散射信号偏差σ_r作为排除系统电路及环境噪声以及非线性影响的改进值λ′_r(T)，用反斯托克斯信号测量值λ_a(T)减去反斯托克斯信号偏差σ_a作为排除系统电路及环境噪声以及非线性影响的改进值λ′_a(T)，并使用λ′_a(T)/λ′_r(T)的比值代替原先未经过处理的的λ_a(T)/λ_r(T)比值，代入式(6)中即可确定光纤上各点的温度，这里λ_a(T)/λ_r(T)＝N_a(T)/N_r(T)。

以下是宁波地区某处的一分布式光纤温度传感器系统在使用本专利方法测量温度的一个具体的实施例，其步骤为：

步骤以一：首先将一段光缆设置于恒温25℃的环境，用分布式光纤温度传感器系统分别获取一组瑞利散射信号和反斯托克斯信号的第一组数据(λ_r(T)，λ_a(T))，将这些第一组数据保存在数组中，而测量出光纤离测量设备的位置我们采用空间点数来代替，并分别绘制成的瑞利信号原始值曲线和反斯托克斯信号原始值曲线如附图3所示，其中横轴表示空间点数，纵轴表示温度；

如果直接采用第一组数据和背景技术中式(6)的原理进行温度计算，则所计算温度曲线如附图3中利用原始值计算温度值所示。可以看出，该温度曲线多处扭曲，线性度非常不好；

步骤二：将上述第一组数据分别取常数e的对数，保存为第二组数据，并分别绘制成的瑞利信号原始值取常数e对数后的曲线和反斯托克斯信号原始值取常数e对数后的曲线，如附图4所示。理论上，第二组数据应为直线，但是从图中看出，瑞利信号和反斯托克斯信号取对数后有许多扭曲的地方，正是由于这些扭曲的地方，造成了附图3中温度曲线的扭曲；

步骤三：对第二组数据进行最小二乘法处理，得到一个瑞利散射信号拟合值和反斯托克斯信号拟合值，分别如附图4中瑞利信号拟合后的值与斯托克斯信号拟合后的值所示；

步骤四：对上述拟合后的瑞利信号和反斯托克斯信号进行指数变换，得到排除电路噪声以及非线性影响的理论曲线，即排除系统影响时瑞利散射信号和反斯托克斯信号的理论值。排除系统影响时瑞利散射信号如附图5所示，排除系统影响时反斯托克斯信号如附图6所示；

步骤五：用瑞利散射信号测量值减去排除系统影响时瑞利散射信号的理论值，得到系统引起的瑞利散射信号偏差σ_r，如附图5所示；同理，用反斯托克斯信号测量值减去排除系统影响时反斯托克斯信号的理论值，得到系统引起的反斯托克斯信号偏差σ_a，如附图6所示；

步骤六：用第一组数据中瑞利散射信号λ_r(T)减去瑞利散射信号偏差σ_r作为排除系统电路及环境噪声以及非线性影响的改进值λ′_r(T)，用第一组数据中斯托克斯信号λ_a(T)减去瑞利散射信号偏差σ_a作为排除系统电路及环境噪声以及非线性影响的改进值λ′_a(T)。用λ′_a(T)和λ′_r(T)代替原先的测量数据及第一组数据λ_a(T)和λ_r(T)，然后利用背景技术中式(6)计算温度值如附图7所示。与附图3相比，采用本发明专利技术方案后所计算的温度曲线无扭曲，线性度较好。

Claims (2)

1. 一种分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、首先计算出在所述分布式光纤温度传感器系统中瑞利散射信号的测量值与排除系统影响后瑞利散射信号的理论值之间的偏差(σ_r)，以及在所述分布式光纤温度传感器系统中反斯托克斯信号的测量值与排除系统影响后反斯托克斯信号的理论值之间的偏差(σ_a)，并将这个偏差作为所述分布式光纤温度传感器系统的固有特性；

(2)、分别测出所述分布式光纤温度传感器系统在实际使用过程中瑞利散射信号和反斯托克斯信号的第一组测量值(λ_r(T)₁，λ_a(T)₁)，用第一组测量值中瑞利散射信号值(λ_r(T)₁)减去步骤(1)中计算出的系统引起的瑞利散射信号偏差(σ_r)得到瑞利散射信号的改进值(λ_r′(T))，用第一组测量值中反斯托克斯信号值(λ_a(T)₁)减去步骤(1)中计算出的系统引起的反斯托克斯信号偏差(σ_a)得到反斯托克斯信号的改进值(λ_a′(T))；

(3)、根据瑞利散射信号的改进值(λ_r′(T))与反斯托克斯信号的改进值(λ_a′(T))的比值确定光纤上各点的温度值。

2. 根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法，其特征在于所述步骤(1)中通过以下步骤计算在所述分布式光纤温度传感器系统中瑞利散射信号和反斯托克斯信号的测量值与排除系统影响时瑞利散射信号和反斯托克斯信号的理论值之间的偏差：

①、首先将所述分布式光纤温度传感器系统中的一段光缆放置于一个恒温环境下，并利用所述分布式光纤温度传感器系统分别获取一组瑞利散射信号和反斯托克斯信号的第二组测量值(λ_r(T)₂，λ_a(T)₂)，并将所述第二组测量值分别取常数e的对数并保存为第三组测量值(λ_r(T)₃，λ_a(T)₃)；

②、将所述第三组测量值中瑞利散射信号(λ_r(T)₃)与该信号处光纤离测量设备的距离(x)进行最小二乘法处理，得到一个拟合后的第一一元线性曲线y_r＝a_rx+b_r，将所述第三组测量值中反斯托克斯信号(λ_a(T)₃)与该信号处光纤离测量设备的距离(x)也进行最小二乘法处理，得到一个拟合后的第二一元线性曲线y_s＝a_sx+b_s，其中x表示测量信号处光纤离测量设备的距离，y_r表示第三组测量值中瑞利散射信号经过对数变换及线性拟合后的值，y_s表示是第三组测量值中反斯托克斯信号经过对数变换及线性拟合后的值；

③、分别对第一一元线性曲线y_r＝a_rx+b_r和第二一元线性曲线y_s＝a_sx+b_s进行指数变换，得到排除系统影响时瑞利散射信号的理论值( $y_r^{\′}=e^{y_r}=e^{b_r}\·e^{a_{r}x}$ )和排除系统影响时反斯托克斯信号的理论值( $y_s^{\′}=e^{y_s}=e^{b_s}\·e^{a_{s}x}$ )；

④、将步骤①中的第二组测量值中瑞利散射信号值(λ_r(T)₂)和反斯托克斯信号值(λ_a(T)₂)分别减去步骤③中排除系统影响时瑞利散射信号理论值(y′_r)和排除系统影响时反斯托克斯信号的理论值(y_s)，分别得到系统引起的瑞利散射信号偏差(σ_r)和反斯托克斯信号偏差(σ_a)。

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