CN102607634A - 分布式光纤传感的空间分辨率标定装置及其标定方法 - Google Patents

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本发明涉及一种分布式光纤传感的空间分辨率标定装置及其标定方法。本发明的目的是提供一种易于理解和操作的分布式光纤传感的空间分辨率标定装置及其标定方法，客观、准确地对各种类型分布式光纤传感仪器的空间分辨率进行标定，为技术人员进行仪器选购、性能评测、监测设计、测量和数据分析等工作提供参考。本发明的技术方案是：一种分布式光纤传感解调仪的空间分辨率标定装置，其特征在于：具有一分为二的水浴箱，一侧为低温箱，另一侧为配置加热器的高温箱，水浴箱上配有盖板；在水浴箱内、中间隔板的两侧均竖直放置盘线架。本发明适用于对ROTDR（拉曼光时域）、BOTDA/BOTDR（布里渊光时域）等解调仪器的空间分辨率进行标定。

Description

分布式光纤传感的空间分辨率标定装置及其标定方法
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感的空间分辨率标定装置及其标定方法。适用于对ROTDR（拉曼光时域）、BOTDA/BOTDR（布里渊光时域）等解调仪器的空间分辨率进行标定。
背景技术
分布式光纤传感是一种基于光时域分析技术，通过对光纤中的背向散射光进行解调，获取光纤沿线连续的温度和应变分布信息的技术。目前成功投入商业化应用的主要有ROTDR（拉曼光时域、温度监测）技术和BOTDR/BOTDA（布里渊光时域、应变和温度监测）两类，过去十年来，在石油开采、火灾预警、结构健康监测等领域得到了较广泛的应用。分布式光纤传感最大的优势是不再局限于某个测点，一次测量即可获得数百米甚至数公里范围的所有信息，在安全监控领域，有助于更全面、有效地对工程运行安全状态进行评估，在事故发生前进行预警。
相比传统点式传感器，分布式光纤传感所采集的信号是自发或受激散射光、且通过光的时差定位，因此有许多独特的技术指标，其中最重要的一项是空间分辨率(Spatial Resolution)，它不只是距离和空间的概念，还决定是否能准确分辨局部信息和测量精度。一般来说，只有当光纤上产生的应变或温度改变的范围大于所设定的空间分辨率时，该变化量才能被准确地检测出来。空间分辨率越小，对局部异常的敏感程度越高，实测精度越有保障。
空间分辨率主要由解调仪发射的脉冲光宽度所决定，受激光源、调幅器、电路带宽、采样速度、散射光特性等影响，目前的商业产品中，ROTDR和BOTDR仪器的最高空间分辨率为1m（对应脉冲光宽度10ns），BOTDA仪器的最高空间分辨率为0.1m（对应脉冲光宽度1ns）。
由于空间分辨率的原理较复杂，而且是分布式光纤传感特有的技术参数，因此虽然空间分辨率甚至会对测量精度产生影响，但仍容易被部分仪器使用者所忽视。分布式光纤传感技术各项指标的定义和评价方法，尚无规范可循，对仪器实际空间分辨率性能的评定依据，各厂家的观点也不完全相同，导致用户在选购仪器、应用中进行设置、后期数据分析时产生困惑，不利于技术的普及推广。    
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种易于理解和操作的分布式光纤传感的空间分辨率标定装置及其标定方法，客观、准确地对各种类型分布式光纤传感仪器的空间分辨率进行标定，为技术人员进行仪器选购、性能评测、监测设计、测量和数据分析等工作提供参考。
本发明所采用的技术方案是：一种分布式光纤传感解调仪的空间分辨率标定装置，其特征在于：具有一分为二的水浴箱，一侧为低温箱，另一侧为配置加热器的高温箱，水浴箱上配有盖板；在水浴箱内、中间隔板的两侧均竖直放置盘线架。
所述低温箱与高温箱内均安装温度计，底部均设有放水口。
所述水浴箱箱体与盖板内填充保温材料。
一种采用所述的空间分辨率标定装置进行标定的方法，其特征在于：
1、首先将一条传感光纤固定在低温箱和高温箱内的盘线架上，该传感光纤一部分置于低温箱内，另一部分置于高温箱内；
2、然后往低温箱中注入T1℃的水，高温箱内注水，经加热器加热至T2℃；
3、检测传感光纤的温度分布曲线，该温度分布曲线呈台阶形，并在台阶处表现为一条缓坡曲线，该处的理论温度差ΔT=T2-T1，取实测温度差10~90%ΔT所对应的这段光纤长度为所述分布式光纤传感解调仪的空间分辨率。
另一种采用所述的空间分辨率标定装置进行标定的方法，其特征在于：
a、首先将一条传感光纤固定在低温箱和高温箱内的盘线架上，在传感光纤线路中，取长度逐段递增的L1~Ln的各段置于高温箱中，所期望标定的空间分辨率应介于L1~Ln之间，其余部分置于低温箱中，低温箱中的每段光纤长度大于所期望标定的空间分辨率的3~5倍；
b、往低温箱中注入T1℃的冰水混合物，高温箱内注水，经加热器加热至T2℃；
c、检测得传感光纤的温度分布曲线，分别处于低温箱和高温箱传感光纤的理论温度差ΔT=T2-T1，如果在Li+2段，检测到了理论温度差ΔT的90%以上的温差变化，则可判断该分布式光纤传感解调仪的空间分辨率≤Li+2；在Li+1段没有检测出或测值小于ΔT的90%，则可评定该解调仪的空间分辨率>Li+1。
所述T1设置为0℃，T2设置为25℃、50℃或75℃三档，分别进行测试。
本发明的有益效果是：采用该分布式光纤传感的空间分辨率标定装置，用户在选购仪器、验收、工程应用时，可准确地对不同的解调仪、或者同一仪器的不同设置进行空间分辨率的检验，由于装置固定，因此标定成果受人为因素影响小。另一方面，生产厂家也可利用该装置，从实用化的角度对仪器的空间分辨率进行评测，客观、真实地陈述产品性能。 
附图说明
图1为本发明的A-A剖视图。
图2为本发明的B-B剖视图。
图3为本发明的C-C剖视图。
图4为本发明中温度台阶法的空间分辨率标定说明。
图5为本发明中热点法的空间分辨率标定说明。
具体实施方式
如图1~图3所示，本实施例中空间分辨率标定装置具有一分为二的水浴箱，其中一侧为低温箱1，另一侧为高温箱2且其内配置加热器9，加热器9经导线连接水浴箱外的电源插头10。在水浴箱内、中间隔板的两侧分别竖直放置一个盘线架7，根据需要可将适当长度的传感光纤8固定在盘线架7上。低温箱1与高温箱2内均安装温度计6进行观察，低温箱1与高温箱2底部设置放水口11。在所述水浴箱顶部配有盖板12。
本实施例中水浴箱箱体由内壳5和外壳3组成，内壳与外壳之间填充保温材料4，所述盖板12内同样填充保温材料4。
本实施例中标定ROTDR（拉曼光时域）时通常使用多模裸光纤，BOTDA/BOTDR（布里渊光时域）则通常使用单模裸光纤，具体根据分布式光纤传感解调仪的要求选用。当空间分辨率≥0.2m时，采用该空间分辨率标定装置的标定效果较好，操作方法有温度台阶法和热点法两种，说明如下：
(1) 温度台阶法
空间分辨率表现为系统完全地响应突然或阶越温度变化的一段距离，据此可采用温度台阶法进行标定，方法如下：
1、首先将一条传感光纤8固定在低温箱1和高温箱2内的盘线架7上，该传感光纤一部分置于低温箱1内，另一部分置于高温箱2内；
2、然后往低温箱1中注入T1℃的水，高温箱2内注水，经加热器9加热至T2℃；
3、检测传感光纤8的温度分布曲线（如图4所示），该温度分布曲线呈台阶形，并在台阶处表现为一条缓坡曲线，该处的理论温度差ΔT=T2-T1，取实测温度差10~90%ΔT所对应的这段光纤长度为所述分布式光纤传感解调仪的空间分辨率。
测试过程中，T1建议设置为0℃（冰水混合物），T2建议设置25℃、50℃、75℃三档，取最弱（最长）的一次成果，作为标定的空间分辨率。
(2) 热点法
空间分辨率的实际工程意义，是在空间上对差异信号反应的灵敏性，据此可采用热点法进行标定，方法如下：
a、首先将一条传感光纤8固定在低温箱1和高温箱2内的盘线架7上，在传感光纤8线路中，取长度逐段递增的L1~L3的各段置于高温箱2中，所期望标定的空间分辨率应介于L1~L3之间（分别取略小于、等于、或略大于所期望标定的空间分辨率），其余部分置于低温箱1中，低温箱中的每段光纤长度大于所期望标定的空间分辨率的3~5倍；
b、往低温箱1中注入T1℃的冰水混合物，高温箱2内注水，经加热器9加热至T2℃；
c、检测得传感光纤8的温度分布曲线（如图5所示），分别处于低温箱1和高温箱2传感光纤的理论温度差ΔT=T2-T1，分析实测的光纤温度分布曲线：在L2热点位置，检测到了理论ΔT的90%以上的温差变化，评定该分布式光纤传感解调仪的空间分辨率≤L2；在L1热点位置，没有检测出温差或测值小于ΔT的90%，则评定该仪器的空间分辨率>L1。
测试过程中，T1建议设置为0℃(冰水混合物)，T2建议设置25℃、50℃、75℃三档，取最弱(最长)的一次成果，作为标定的空间分辨率。注意传感光纤8应尽量保持自由状态，弯曲半径大于2cm，测试采样点间距应不大于设置的空间分辨率的1/2。
上述装置及方法仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种分布式光纤传感解调仪的空间分辨率标定装置，其特征在于：具有一分为二的水浴箱，一侧为低温箱（1），另一侧为配置加热器（9）的高温箱（2），水浴箱上配有盖板（12）；在水浴箱内、中间隔板的两侧均竖直放置盘线架（7）。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感解调仪的空间分辨率标定装置，其特征在于：所述低温箱（1）与高温箱（2）内均安装温度计（6），底部均设有放水口（11）。
3.根据权利要求1或2所述的分布式光纤传感解调仪的空间分辨率标定装置，其特征在于：所述水浴箱箱体与盖板（12）内填充保温材料（4）。
4.一种采用权利要求1所述的空间分辨率标定装置进行标定的方法，其特征在于：
4.1、首先将一条传感光纤（8）固定在低温箱（1）和高温箱（2）内的盘线架（7）上，该传感光纤一部分置于低温箱（1）内，另一部分置于高温箱（2）内；
4.2、然后往低温箱（1）中注入T1℃的水，高温箱（2）内注水，经加热器（9）加热至T2℃；
4.3、检测传感光纤（8）的温度分布曲线，该温度分布曲线呈台阶形，并在台阶处表现为一条缓坡曲线，该处的理论温度差ΔT=T2-T1，取实测温度差10~90%ΔT所对应的这段光纤长度为所述分布式光纤传感解调仪的空间分辨率。
5.一种采用权利要求1所述的空间分辨率标定装置进行标定的方法，其特征在于：
5.1、首先将一条传感光纤（8）固定在低温箱（1）和高温箱（2）内的盘线架（7）上，在传感光纤（8）线路中，取长度逐段递增的L1~Ln的各段置于高温箱（2）中，所期望标定的空间分辨率应介于L1~Ln之间，其余部分置于低温箱（1）中，低温箱中的每段光纤长度大于所期望标定的空间分辨率的3~5倍；
5.2、往低温箱（1）中注入T1℃的冰水混合物，高温箱（2）内注水，经加热器（9）加热至T2℃；
5.3、检测得传感光纤（8）的温度分布曲线，分别处于低温箱（1）和高温箱（2）传感光纤的理论温度差ΔT=T2-T1，如果在Li+2段，检测到了理论温度差ΔT的90%以上的温差变化，则可判断该分布式光纤传感解调仪的空间分辨率≤Li+2；在Li+1段没有检测出或测值小于ΔT的90%，则可评定该解调仪的空间分辨率>Li+1。
6.根据权利要求4或5所述的标定方法，其特征在于：所述T1设置为0℃，T2设置为25℃、50℃或75℃三档，分别进行测试。
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