CN102410887B - 分布式光纤温度传感器系统中的受激拉曼散射补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤温度传感器系统中的受激拉曼散射补偿方法，包括(1)计算特定泵浦光功率和特定光纤长度处，前向传输自发拉曼散射信号光功率经L处的瑞利散射后的后向传输光强和泵浦光经前向传输和L处的瑞利散射后的后向传输光强的步骤。(2)利用龙格库塔方法数值计算受激散射过程，得出受激拉曼散射信号光的步骤；(3)根据步骤(2)获得光纤任意点z处自发拉曼散射信号和受激拉曼散射信号的步骤；(4)获得自发拉曼散射信号因受激而放大的倍数的步骤；(5)根据放大倍数得出真实的自发拉曼散射信号。采用本发明可以消除受激拉曼散射的影响，提高温度测量的精度。

Description

分布式光纤温度传感器系统中的受激拉曼散射补偿方法

技术领域

本发明公开了一种分布式光纤温度传感器系统中的受激拉曼散射补偿方法。 

背景技术

分布式光纤温度传感器是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统。该系统利用拉曼散射效应和OTDR技术实现对敏感光纤所处温度场的分布式测量。与传统电温度传感器相比，光纤温度传感器具有灵敏度高、抗强电磁干扰、本质安全、重量轻、寿命长、可靠性高等优点，可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐、大型建筑结构的温度监控和火灾报警。虽然拉曼型分布式光纤温度传感器的研究已相对成熟，国内外众多研究单位和公司也推出了自己的研究成果和产品，但仍然存在着一些不完善的地方，OTDR过程中的受激拉曼散射便是其中一个重要问题。 

目前分布式光纤温度传感器发展的方向是：一，长距离；二，高精度。传输距离越长，需要的泵浦光功率越高，而较高的泵浦光功率和较长的传输距离都极易导致受激拉曼散射的发生(因为受激拉曼散射阈值随泵浦光功率和传输距离的增加而减小)；分布式光纤温度传感器精度越高需要的信噪比越大，信噪比增大一方面要求增加信号光功率，另一方面要求降低噪声，而信号光功率的增大要求增加泵浦光功率，这样同样容易导致受激拉曼散射的发生。因此，补偿OTDR过程中的受激拉曼散射对于推动分布式光纤温度传感器的发展具有十分重要的意义。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种分布式光纤温度传感器系统中的受激拉曼散射补偿方法。采用本发明可以消除受激拉曼散 射的影响，提高温度测量的精度。 

本发明的技术解决方案是： 

现有的分布式光纤温度传感器系统多以自发拉曼散射为测温机理，利用自发拉曼散射信号光作为携带温度信息的载体，而传感器系统用光源一般为脉冲激光器，其输出脉冲光重复频率较大导致其功率并不能准确测量，因此，在分布式光纤温度传感器系统中就容易出现由于对光源功率控制不准而产生受激拉曼散射的现象，由于受激拉曼散射信号对温度不敏感，不能携带温度信息，所以就导致了分布式光纤温度传感器系统测温精度不高、测温不准确等问题，为了解决这些问题，本发明公布了一种分布式光纤温度传感器系统中的受激拉曼散射补偿方法，具体步骤如下： 

(1)在初始条件为入射泵浦光强度是I′_p0(0)、光纤长度为L时，计算前向传输时，在光纤长度L处的自发拉曼散射信号I′_s0(L)，入射泵浦光I′_p0(0)经过L距离的前向传输和L处的瑞利散射后，后向传输光强衰减为I_p0(L)；I′_s0(L)经过L处的瑞利散射后，后向传输光强衰减为I_s0(L)； 

(2)将I_p0(L)和I_s0(L)分别作为后向传输时受激拉曼散射的泵浦光和信号光，L作为传输距离，利用龙格库塔方法数值计算受激散射过程，得出受激拉曼散射信号光I_s(L)； 

(3)重复步骤(2)，求出泵浦光和信号光在光纤上任意点z处反射后的受激拉曼散射过程，得出自发拉曼散射信号I_s0(z)和受激拉曼散射信号I_s(z)； 

(4)根据下式得出自发拉曼散射信号因受激而放大的倍数A(z)， 

A(z)＝I_s(z)/I_s0(z)              (1) 

(5)用实验所得z处的受激信号除以A(z)，得出真实的自发拉曼散射信号。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

1、本发明通过理论计算光纤中的受激拉曼散射和自发拉曼散射，得到了沿光纤长度上任意一点的自发拉曼散射由于受激而放大的倍数，通过对沿光纤长度上任意一点的受激拉曼散射进行补偿，得到真实的自发拉曼散射信号， 从而保持了原始信号的准确性，提高了分布式光纤温度传感器系统的测温精度； 

2、本发明通过对沿光纤长度上任意一点的受激拉曼散射进行补偿，消除了由于受激拉曼散射导致的原始信号尾端上翘的畸变，从而使得解调后的温度曲线更准确，提高了分布式光纤温度传感器系统的测温准确性； 

3、由于分布式光纤温度传感器系统可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐等方面，根据实际应用的需要，往往要求分布式光纤温度传感器系统可以实现长距离的分布式温度测量。若要实现长距离测量，就必须提高泵浦光的功率，而较高的泵浦光功率和较长的传输距离都极易导致受激拉曼散射的发生，所以受激拉曼散射一直以来都是阻碍长距离分布式温度传感器系统发展的主要因素之一。 

本发明通过对沿光纤长度上任意一点的受激拉曼散射进行补偿，消除了受激拉曼散射的影响，从而为实现长距离分布式光纤温度传感器系统提供了可能，满足了实际应用的需要。 

4、随着分布式光纤温度传感器系统技术的不断成熟，分布式光纤温度传感器系统发展的趋势是向着高精度方向发展，而分布式光纤温度传感器系统的精度越高需要的信噪比越大，信噪比增大一方面要求增加信号光功率，另一方面要求降低噪声，而信号光功率的增大要求增加泵浦光的功率，而泵浦光功率增大到受激拉曼散射阈值就会导致受激拉曼散射的产生。本发明通过对光纤长度上任意一点的受激拉曼散射进行补偿，消除了受激拉曼散射的影响，从而可以适当增加泵浦光功率，提高系统的信噪比，从而实现高精度的分布式光纤温度传感器系统。 

5、本发明通过对受激拉曼散射进行补偿，消除了受激拉曼散射的影响，提高了分布式光纤温度传感器系统用光源的功率，使得产生的信号光的功率也得到提高。信号光功率的提高降低了系统对放大电路的要求，使得放大电路不必为了追求高的信噪比而牺牲带宽，从而提高了放大电路的带宽。 

6、本发明通过对受激拉曼散射进行补偿，消除了受激拉曼散射的影响，提高了分布式光纤温度传感器系统用光源的功率，使得产生的信号光的功率也得到提高。信号光功率的增强削弱了系统中杂散光的影响，降低了对波分复用器件的要求，使得分布式光纤温度传感器系统的标定和系统参数的确定都更准确和更具有普遍适用性，从而为分布式光纤温度传感器系统的批量研制提供了参考。 

7、本发明通过对受激拉曼散射进行补偿，消除了受激拉曼散射的影响，提高了分布式光纤温度传感器系统用光源的功率，使得产生的信号光的功率也得到提高。信号光功率的增加使得系统在运行过程中不易受到外界环境的影响，从而增强了分布式光纤温度传感器系统长期工作的稳定性和可靠性。 

附图说明

图1为本发明流程图； 

图2为理论计算受激散射中泵浦光和信号光沿光纤长度的变化； 

图3为理论计算光纤不同位置处反射的信号光受激及补偿后的强度； 

图4为实验测量光纤不同位置处反射的信号光； 

图5为实验测量光纤不同位置处反射的信号光经补偿后的强度； 

图6为实验测量光纤不同位置处反射的信号光受激及补偿后的强度。 

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。 

如图1所示为本发明流程图，下面就对本发明的每个步骤进行介绍。 

(1)首先计算泵浦光前向传输时，在初始条件为：入射泵浦光强度为I′_p0(0)、光纤长度为L时，计算在光纤长度为L处产生的自发拉曼散射信号I′_s0(L)。其中入射泵浦光I′_p0(0)经过L距离的前向传输和光纤L处的瑞利散射后，后向传输光强衰减为I_p0(L)。I′_s0(L)经过光纤L处的瑞利散射后，后向传输光强衰减为I_s0(L)。 

上述后向传输泵浦光和信号光I_p0(L)、I_s0(L)的计算公式为： 

I_p0(L)＝I′_p0(0)exp(-α_pL)Γ_p                      (2) 

$I_{s0}\left(L\right)=\frac{1}{2}v{\mathrm{\ρ}}_s{I}_{p0}\left(L\right)T_0{\mathrm{\Γ}}_s/{\mathrm{\Γ}}_p---\left(3\right)$

其中，α_p为泵浦频率处的光纤损耗系数，Γ_p、Γ_s分别为泵浦光、信号光在光纤单位长度上的后向散射系数，T₀为泵浦光脉冲宽度。υ＝c/n是光在光纤中传播时的光速，c为真空中的光速，n为光纤折射率。ρ_s为信号光散射系数，与温度有关，可表示为： 

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{\ΔE}/\mathrm{kT})}---\left(4\right)$

其中，ΔE＝h(v₀-v_s)，为泵浦光与信号光能量差，h为普朗克常数，v₀为泵浦光频率，v_s为信号光频率。k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。 

特定入射泵浦光强度I′_p0(0)可由激光器输出功率以及光纤参数获得，具体的计算方法如下： 

$I_{p0}^{\′}\left(0\right)=\frac{P_0}{A_{\mathrm{eff}}}---\left(5\right)$

其中P₀为激光器输出光平均功率，P₀≈P_pT₀f，P_p为激光器输出脉冲峰值功率，f为脉冲重复频率，A_eff为有效纤芯截面。 

(2)将从步骤(1)得到的I_p0(L)和I_s0(L)分别作为后向传输时受激拉曼散射的初始泵浦光和初始信号光，L作为受激拉曼散射作用距离，利用龙格库塔法数值计算后向传输受激拉曼散射过程，得出初始信号光经过受激拉曼散射过程之后的光强I_s(L)。 

利用龙格库塔法数值求解受激拉曼散射的过程如下： 

耦合波方程为： 

$\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dz}}=g_R{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_s{I}_s---\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{dI}}_p}{\mathrm{dz}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{{\mathrm{\ω}}_s}{g}_R{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_p{I}_p---\left(7\right)$

初始条件为： 

I_s(0)＝I_s0(L)                (8) 

I_p(0)＝I_p0(L)                (9) 

其中，g_R为拉曼增益系数，α_s为信号频率处的光纤损耗系数，ω_p、ω_s为泵浦光和信号光的圆频率。 

利用龙格库塔法，结合初始条件，对耦合波方程进行数值求解，可得出受激拉曼散射信号光I_s(L)。 

(3)重复步骤(2)，求出泵浦光和信号光在光纤长度L上的任意点z处反射后的受激拉曼散射过程，理论计算得出光纤长度L上的每一点z处对应的自发拉曼散射信号光I_s0(z)和受激拉曼散射信号光I_s(z)，z为长度变量，取值范围为0～L。 

(4)用步骤(3)中得到的z处的受激拉曼散射信号I_s(z)除以z处的自发拉曼散射信号I_s0(z)，得出整个光纤长度上自发拉曼散射信号因受激而放大的倍数，即 

A(z)＝I_s(z)/I_s0(z)                    (1) 

(5)用实验测量得到的受激拉曼散射信号除以理论计算得到的相应点z处的A(z)，得出实验中真实的自发拉曼散射信号。 

实施例 

(1)首先进行理论计算。选取主要参数如下：泵浦光峰值功率P_p＝10W，有效纤芯截面A_eff＝3068μm²，光纤长度L＝6550m，泵浦光脉冲宽度T₀＝10ns，绝对温度T＝300k，光纤折射率n＝1.5。 

(2)根据选取的参数，运用以下公式计算后向传输泵浦光光强I_p0(L＝6550m)和后向传输信号光光强I_s0(L＝6550m) 

I_p0(L＝6550)＝I′_p0(0)exp(-α_p×6550)Γ_p                (1) 

$I_{s0}(L=6550)=\frac{1}{2}v{\mathrm{\ρ}}_s{I}_{p0}\left(6550\right)T_0{\mathrm{\Γ}}_s/{\mathrm{\Γ}}_p---\left(2\right)$

其中，α_p为泵浦频率处的光纤损耗系数，Γ_p、Γ_s分别为泵浦光、信号光在 光纤单位长度上的后向散射系数，T₀为泵浦光脉冲宽度。v＝c/n是光在光纤中传播时的光速，c为真空中的光速，n为光纤折射率。ρ_s为信号光散射系数，与温度有关。 

(3)后向传输泵浦光光强I_p0(L＝6550m)和后向传输信号光光强I_s0(L＝6550m)分别作为后向传输时受激拉曼散射的初始泵浦光和初始信号光，光纤长度L＝6550m作为受激拉曼散射作用距离，使用龙格库塔法，利用耦合波方程结合初始条件数值计算受激拉曼散射信号I_s(L＝6550m)，耦合波方程和初始条件如下： 

耦合波方程为： 

$\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dz}}=g_R{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_s{I}_s---\left(3\right)$

$\frac{{\mathrm{dI}}_p}{\mathrm{dz}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{{\mathrm{\ω}}_s}{g}_R{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_p{I}_p---\left(4\right)$

初始条件为： 

I_s(0)＝I_s0(L＝6550m)                (5) 

I_p(0)＝I_p0(L＝6550m)                (6) 

其中，g_R为拉曼增益系数，α_s为信号频率处的光纤损耗系数，ω_p、ω_s为泵浦光和信号光的圆频率。 

(4)设定z为长度变量，取值范围为0m～6550m，重复步骤(2)，求出I_p0(L＝z)和I_s0(L＝z)，重复步骤(3)，数值计算在光纤上每一点z处反射的信号光受激的情况，计算出I_s0(z)和I_s(z)，I_s(z)的计算结果如图2中虚线stokes所示。将I_s(z)和I_s0(z)相除，得到整个光纤上自发拉曼散射信号光因受激拉曼散射而放大的倍数A(z)。理论计算中每隔(5/3)m选取一点，所以6550m一共计算3930点即可，计算结果如图3中实线所示，图中St-RS表示受激拉曼散射，Sp-RS表示补偿后的自发拉曼散射，N表示采集数据点数。 

(5)选取光纤长度L＝6550m，泵浦光峰值功率为10W的一组实验数据，用实验测量的信号光除以理论计算的相应点处的A(z)进行补偿验证，如图3、 图4、图5所示，可以看出，经过受激拉曼散射补偿，在光纤上每一点(z)处反射的信号光由受激拉曼散射信号光成为自发拉曼散射信号光。 

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。 

Claims (3)

1.一种分布式光纤温度传感器系统中的受激拉曼散射补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在初始条件为入射泵浦光强度是I′_p0(O)、光纤长度为L时，计算前向传输时，在光纤长度L处的自发拉曼散射信号I′_s0(L)，入射泵浦光I′_p0(O)经过L距离的前向传输和L处的瑞利散射后，后向传输光强衰减为I_p0(L)；I′_s0(L)经过L处的瑞利散射后，后向传输光强衰减为I_s0(L)；

(2)将I_p0(L)和I_s0(L)分别作为后向传输时受激拉曼散射的泵浦光和信号光，L作为传输距离，利用龙格库塔方法数值计算受激散射过程，得出受激拉曼散射信号光I_s(L)；

(3)重复步骤(2)，求出泵浦光和信号光在光纤上任意点z处反射后的受激拉曼散射过程，得出自发拉曼散射信号I_s0(z)和受激拉曼散射信号I_s(z)；

(4)根据下式得出自发拉曼散射信号因受激而放大的倍数A(z)，

A(z)＝I_s(z)/I_s0(z)        (1)

(5)用实验所得z处的受激信号除以A(z)，得出真实的自发拉曼散射信号。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤温度传感器系统中的受激拉曼散射补偿方法，其特征在于：在所述步骤(1)中后向传输泵浦光和信号光I_p0(L)、I_s0(L)的计算公式为：

I_p0(L)＝I′_p0(0)exp(-α_pL)Γ_p        (2)

$I_{s0}\left(L\right)=\frac{1}{2}v{\mathrm{\ρ}}_s{I}_{p0}\left(L\right)T_0{\mathrm{\Γ}}_s/{\mathrm{\Γ}}_p---\left(3\right)$

其中，α_p为泵浦频率处的光纤损耗系数，Γ_p、Γ_s分别为泵浦光、信号光在光纤单位长度上的后向散射系数，T₀为泵浦光脉冲宽度；v＝c/n是光在光纤中传播时的光速，c为真空中的光速，n为光纤折射率；ρ_s为信号光散射系数，与温度有关，可表示为：

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{\ΔE}/\mathrm{kT})}---\left(4\right)$

其中，ΔE＝h(v₀-v_s)，为泵浦光与信号光能量差，h为普朗克常数，v₀为泵浦光频率，v_s为信号光频率；k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤温度传感器系统中的受激拉曼散射补偿方法，其特征在于：在所述步骤(2)用龙格库塔法数值求解受激拉曼散射的过程如下：

耦合波方程为：

$\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dz}}=g_R{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_s{I}_s---\left(5\right)$

$\frac{{\mathrm{dI}}_p}{\mathrm{dz}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{{\mathrm{\ω}}_s}{g}_R{I}_p{I}_s-{\mathrm{\α}}_p{I}_p---\left(6\right)$

初始条件为：

I_s(0)＝I_s0(L)            (7)

I_p(0)＝I_p0(L)            (8)

其中，g_R为拉曼增益系数，α_s为信号频率处的光纤损耗系数，ω_p、ω_s为泵浦光和信号光的圆频率；

利用龙格库塔法，结合初始条件，对耦合波方程进行数值求解，可得出受激拉曼散射信号光I_s(L)。

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