CN102980683A - 脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器及测温装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤温度传感器，具体的说是一种结构合理，且能够有效提高测温精度的脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器及测温装置和方法，其特征在于数据采集卡内还设有编码生成模块，编码生成模块的输出端与脉冲编码驱动器的输入端相连接，所述传感光纤为单模光纤，单模光纤的始端与光纤波分复用器的com输出端相连接，单模光纤的末端与反射镜相连接，本发明提供的远程脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，采用格雷编码脉冲原理有效地提高了进入传感光纤的光子数，提高了系统的信噪比，使得当传感光纤的长度较长或同等光纤长度条件下，有效提高测量精度，降低测量时间，并基于反射镜方案，采用一只反射镜，实现了系统的自校正功能，克服了由于波长不同导致的绝对温度测量存在误差的问题。

Description

脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器及测温装置和方法

技术领域

 本发明涉及光纤温度传感器，具体的说是一种结构合理，且能够有效提高测温精度的脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器及测温装置和方法。

背景技术

在分布式光纤传感器中，利用光纤自发拉曼散射光强收温度调制的原理和光时域反射原理组成的分布式光纤拉曼温度传感器，具有广阔的应用市场。它可以在线实时预报现场的温度及其变化的趋势，设置报警温度对现场温度变化进行监测，是一种本质安全型的线型感温探测器，已成功应用于石油石化、电力及港口等领域。

目前，大多采用斯托克斯与反斯托克斯的比值来解调温度，但由于斯托克斯与反斯托克斯波长不同，测温光纤的损耗不同，在解调时因弯曲等非线性损耗造成测温误差，降低了测温精度，需要解决因波长损耗而引入的测温误差。虽然引入反射镜的方案可以较好解决波长损耗差异，但因其自身原因导致系统的信噪比下降，同样降低了系统的测温精度。

张在宣于2011年提出《光纤拉曼频移器双波长脉冲编码光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器》（中国专利：CN201110226344.0 ），采用主副两套激光器来解决测温的校正问题，但额外需要一套激光器、一路ADP监测及放大通道。

发明内容

 本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种结构合理、操作简便，设备连接复杂度低，测温精度高的脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器及测温装置和方法。

本发明可以通过以下措施达到：

一种脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，包括滤波片、光电接收及放大模块、数据采集卡，以及依次相连接的脉冲编码驱动器、脉冲激光器、放大器、光纤波分复用器、传感光纤，其中光纤波分复用器的反射光信号输出端与滤波片输入端相连接，滤波片输出端与光电接收及放大模块相连接，光电接收及放大模块的输出端与数据采集卡的输入端相连接，其特征在于数据采集卡内还设有编码生成模块，编码生成模块的输出端与脉冲编码驱动器的输入端相连接，所述传感光纤为单模光纤，单模光纤的始端与光纤波分复用器的com输出端相连接，单模光纤的末端与反射镜相连接。

本发明中所述脉冲激光器采用脉冲编码半导体DFB激光器，中心波长为1550nm，谱宽为0.1nm，功率为10mW，所述放大器为掺饵光纤放大器，其工作波长为1550±10nm，输入功率范围1-15mW，输出功率范围为2-15W，所述光纤波分复用器设有com输出端，1550nm输入端以及1450nm输出端，其中掺铒光纤放大器的输出端与光纤波分复用器的1550nm输入端相连接，光电接收及放大模块与光纤波分复用器的1450nm输出端相连接。

本发明中所述的反射镜对1550nm及1450nm的光信号的反射率≥99%，反射镜熔焊在传感光纤的末端。

本发明中所述滤波片的中心波长1450nm，光谱带宽为28nm，透过率98%，对1550nm光信号的隔离度>45dB。

本发明还提出一种脉冲编码自校正分布式光纤测温装置，包括光纤温度传感器以及工控机，其特征在于所述的光纤温度传感器为上述脉冲编码自校正分布式光纤拉曼温度传感器。

本发明还提出一种利上述脉冲编码自校正分布式光纤测温装置测温的方法，其特征在于数据采集卡内的编码生成模块生成格雷编码，并将其送入脉冲编码驱动器，脉冲编码半导体DFB激光器在脉冲编码驱动器的控制下重复输出4组格雷编码激光脉冲信号，该激光编码脉冲信号经掺铒光纤放大器放大后输出高功率的激光编码脉冲，高功率的激光编码脉冲信号通过光纤波分复用器进入传感光纤，并经位于传感光纤尾端的反射镜反射后，获得反斯托克斯拉曼背向散射信号，反斯托克斯拉曼背向散射信号经1450nm滤波片滤除后，由光电接收及放大模块接收并进行处理，然后由数据采集卡接收处理后的信号兵上传至工控机，上传至工控机的反斯托克斯信号经解码解调后，经过温度定标，计算得出整条光纤上各段的温度和温度变化。

本发明提供的远程脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，采用格雷编码脉冲原理有效地提高了进入传感光纤的光子数，提高了系统的信噪比，使得当传感光纤的长度较长或同等光纤长度条件下，有效提高测量精度，降低测量时间，并基于反射镜方案，采用一只反射镜，实现了系统的自校正功能，克服了由于波长不同导致的绝对温度测量存在误差的问题。

附图说明：

附图1是本发明中光纤温度传感器的结构示意图。

附图2是本发明中光纤测温装置的结构示意图。

附图标记：脉冲编码驱动器1、脉冲激光器2、放大器3、光纤波分复用器4、反射镜5、滤波片6、光电接收及放大模块7、数据采集卡8、工控机9、传感光纤10。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如附图1所示，本发明提出的一种脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，包括滤波片6、光电接收及放大模块7、数据采集卡8，以及依次相连接的脉冲编码驱动器1、脉冲激光器2、放大器3、光纤波分复用器4、传感光纤10，其中光纤波分复用器4的反射光信号输出端与滤波片6输入端相连接，滤波片6的输出端与光电接收及放大模块7相连接，光电接收及放大模块7的输出端与数据采集卡8的输入端相连接，其特征在于数据采集卡8内还设有编码生成模块，编码生成模块的输出端与脉冲编码驱动器1的输入端相连接，所述传感光纤10为单模光纤，单模光纤的始端与光纤波分复用器4的com输出端相连接，单模光纤的末端与反射镜5相连接。

本发明中所述脉冲激光器2采用脉冲编码半导体DFB激光器，其中心波长为1550nm，谱宽为0.1nm，功率为10mW，所述放大器3为掺饵光纤放大器，其工作波长为1550±10nm，输入功率范围1-15mW，输出功率范围为2-15W，所述光纤波分复用器4设有com输出端，1550nm输入端以及1450nm输出端，其中掺铒光纤放大器3的输出端与光纤波分复用器4的1550nm输入端相连接，光电接收及放大模块7与光纤波分复用器4的1450nm输出端相连接。

本发明中所述的反射镜5对1550nm及1450nm的光信号的反射率≥99%。

本发明中所述滤波片6的中心波长1450nm，光谱带宽为28nm，透过率98%，对1550nm光信号的隔离度>45dB。

本发明还提出一种脉冲编码自校正分布式光纤测温装置，包括光纤温度传感器以及工控机11，其特征在于所述的光纤温度传感器为上述脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，工控机11与数据采集卡8的输出端相连接。

本发明还提出一种利上述脉冲编码自校正分布式光纤测温装置测温的方法，其特征在于数据采集卡内的编码生成模块生成格雷编码，并将其送入脉冲编码驱动器，脉冲编码半导体DFB激光器在脉冲编码驱动器的控制下重复输出4组格雷编码激光脉冲信号，该激光编码脉冲信号经掺铒光纤放大器放大后输出高功率的激光编码脉冲，高功率的激光编码脉冲信号通过光纤波分复用器进入传感光纤，并经位于传感光纤尾端的反射镜反射后，获得反斯托克斯拉曼背向散射信号，反斯托克斯拉曼背向散射信号经1450nm滤波片滤除后，由光电接收及放大模块接收并进行处理，然后由数据采集卡接收处理后的信号兵上传至工控机，上传至工控机的反斯托克斯信号经解码解调后，经过温度定标，计算得出整条光纤上各段的温度和温度变化。

其中本发明所述传感器的编码脉冲是格雷编码序列，即由“0”和“1” 元素组成的4组编码序列，而每2组可以组成一个元素为“1”和“-1”的格雷互补序列。格雷互补序列中的一个的自相关函数的峰值等于码的个数（L），旁瓣大约有峰值的10%左右，而当两组自相关函数相加后，峰值增加为原来的二倍（2L）而旁瓣可以完全对消掉，

由格雷编码原理推导可知，采用N位的格雷编码序列可获得的信噪比改善为：                                               

                         （1）

由公式（1）可知，采用格雷编码对系统信噪比的改善随着其编码位数的提高而提高，当N取128时，系统信噪比的改善为：

 。

脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器的空间分辨率由编码序列单个窄脉冲激光的宽度决定，由于采用格雷编码序列，在不改变脉冲峰值功率的基础上，即解决了提高系统的入纤功率也避免了因光纤非线性效应的产生而造成的原始OTDR曲线的变形。

此外，目前大多采用斯托克斯与反斯托克斯的比值来解调温度，但由于斯托克斯与反斯托克斯波长不同，测温光纤的损耗不同，在解调时由弯曲等非线性损耗造成测温误差，降低了测温精度，需要解决因波长损耗而引入的测温误差。

本发明的远程脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，可以自校正在现场使用测温光缆时由光缆的弯曲及受压伸缩而造成的非线性损耗，克服了由于波长不同导致的绝对温度测量误差问题，当数据采集卡将相关数据上传到工控机（本发明中所述工控机为可以进行温度解调的相关计算的计算机）后，在工控机中对数据进行以下处理，完成温度的解调：

将传感光纤中的背向散射反斯托克斯光在经过反射镜前后的信号强度分别为：

                     （2）

 （3）

其中：

为光纤在温度T长度l处的拉曼横截面积，

和分别为经反射镜反射回的泵浦光和反斯托克斯光。

上述公式（2）和（3）相乘，可以将积分项变为在光纤位置l处的常数，其表达式如下：

                         （4）

其中：

，

。

从公式（4）可以看到与传输相关的所有损耗已被消除。因此，采集的原始数据上只体现了温度信息。

对于光纤任意位置z，公式（4）可改为：

                                             （5）

因为

正比于反斯托克斯反射信号的横截面差异，上式（5）可由下式表示：

                                    （6） 

其中：为比例系数。

对于上式（6），可以采用类似于传统DTS的解调步骤来构造温度方程，其具体表达式如下式（7）所示。

                          （7）

本发明提供的远程脉冲编码自校正分布式光纤拉曼温度传感器，自校正有效解决了因波长不同导致的绝对温度测量误差问题，同时格雷脉冲编码解决了反射镜引入的信噪比下降问题也显著地提高了系统整体的信噪比。本发明只采用一只脉冲编码半导体DFB激光器、一只掺铒光纤放大器，并采用一只光纤波分复用器以及光电接收和放大模块，数据采集卡也只需一路模拟输入通道，是一种成本低、本质安全、信噪比高和稳定性好的分布式光纤拉曼温度传感器。

Claims (8)

1.一种脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，包括滤波片、光电接收及放大模块、数据采集卡，以及依次相连接的脉冲编码驱动器、脉冲激光器、放大器、光纤波分复用器、传感光纤，其中光纤波分复用器的反射光信号输出端与滤波片输入端相连接，滤波片输出端与光电接收及放大模块相连接，光电接收及放大模块的输出端与数据采集卡的输入端相连接，其特征在于数据采集卡内还设有编码生成模块，编码生成模块的输出端与脉冲编码驱动器的输入端相连接，所述传感光纤为单模光纤，单模光纤的始端与光纤波分复用器的com输出端相连接，单模光纤的末端与反射镜相连接。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，其特征在于所述脉冲激光器采用脉冲编码半导体DFB激光器，中心波长为1550nm，谱宽为0.1nm，功率为10mW，所述放大器为掺饵光纤放大器，其工作波长为1550±10nm，输入功率范围1-15mW，输出功率范围为2-15W，所述光纤波分复用器设有com输出端，1550nm输入端以及1450nm输出端，其中掺铒光纤放大器的输出端与光纤波分复用器的1550nm输入端相连接，光电接收及放大模块与光纤波分复用器的1450nm输出端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，其特征在于所述反射镜对1550nm及1450nm的光信号的反射率≥99%。

4.根据权利要求3所述的一种脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，其特征在于所述滤波片的中心波长1450nm，光谱带宽为28nm，透过率98%，对1550nm光信号的隔离度>45dB。

5.一种脉冲编码自校正分布式光纤测温装置，包括光纤温度传感器以及工控机，其特征在于所述的光纤温度传感器为权利要求4所述的脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器，其中数据采集卡的输出端与工控机的输入端相连接。

6.一种利用如权利要求5所述的脉冲编码自校正分布式光纤测温装置测温的方法，其特征在于数据采集卡内的编码生成模块生成格雷编码并将其送入脉冲编码驱动器，脉冲编码半导体DFB激光器在脉冲编码驱动器的控制下重复输出4组格雷编码激光脉冲信号，该激光编码脉冲信号经掺铒光纤放大器放大后输出高功率的激光编码脉冲，高功率的激光编码脉冲信号通过光纤波分复用器进入传感光纤，并经位于传感光纤尾端的反射镜反射后，获得反斯托克斯拉曼背向散射信号，反斯托克斯拉曼背向散射信号经1450nm滤波片处理后，由光电接收及放大模块接收滤波片输出的信号并进行处理，然后由数据采集卡接收处理后的信号并上传至工控机，上传至工控机的反斯托克斯信号经解码解调后，经过温度定标，计算得出整条光纤上各段的温度和温度变化。

7.根据权利要求6所述的一种利用如权利要求5所述的脉冲编码自校正分布式光纤测温装置测温的方法，其特征在于采用N位格雷编码，N≥128。

8.根据权利要求7中所述的一种利用如权利要求5所述的脉冲编码自校正分布式光纤测温装置测温的方法，其特征在于数据采集卡将数据上传至工控机后，工控机对数据进行以下处理，以完成温度的获取：传感光纤中的背向散射反斯托克斯光在经过反射镜前后的信号强度分别由式（2）和式（3）来表示：

                     （2）

 （3）

其中：

为光纤在温度T长度l处的拉曼横截面积，

和

分别为经反射镜反射回的泵浦光和反斯托克斯光，

上述公式（2）和（3）相乘，将积分项变为在光纤位置l处的常数，其表达式如下：

                         （4）

其中：，

，

对于光纤任意位置z，公式（4）可改为：

                                             （5）

因为

正比于反斯托克斯反射信号的横截面差异，上式（5）可由下式表示：

                                    （6） 

其中：

为比例系数，对于上式（6），采用如表达式（7）的解调步骤来构造温度方程：

                         （7）。

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