CN103017934A - 消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法 - Google Patents

Abstract

消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法，属光纤测温技术领域。该方法以分布式光纤拉曼测温系统为基础，通过分别计算斯托克斯光和反斯托克斯光的速度，计算出两路信号对应的光纤距离，然后以斯托克斯光路数据点作为参考，在反斯托克斯光路数据中通过查询比较选出与其误差最小的、具有一一对应关系的数据点，对比值曲线进行修正，进而获取真实的温度信息。本发明消除了色散对温度精度的影响，可以对光纤所有测量点进行修正补偿，另外本发明仅需在算法上对采样数据进行搜寻找到最佳吻合点进行比值，无需对硬件系统改进修正，方便简单，明显提高了温度测量精度。

Description

消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法

技术领域

本发明涉及一种消除分布式拉曼测温系统中波长色散影响的方法，具体的说是在采集的数据中选择斯托克斯光和反斯托克斯光各自所对应的光纤位置相近的数据点，消除分布式拉曼测温系统中色散对空间分辨率和温度精度的不利影响。

背景技术

近年来，基于拉曼散射的分布式光纤测温系统得到了较快发展，并且逐渐地商业化。与传统的电子温度传感器相比，分布式光纤测温系统具有抗电磁干扰、耐高压、精度高、结构简单等优点，所以被广泛地应用于电力电缆温度监测、结构健康监测、大坝泄露监测等领域。目前，系统空间分辨率达到1m，测温精度0.5℃，基本能满足大部分工程应用的需求。

为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响，提高测温准确度，在系统设计中，采用双通道双波长比较的方法，即对反斯托克斯光和斯托克斯光分别进行采集，利用两者强度的比值解调温度信号。分布式测温系统根据光时域反射（OTDR）原理实现系统的空间定位，即通过高速数据采集卡采集技术测量入射光和拉曼散射光之间的时间间隔，可以得到散射光发生的位置，进而获取整条光纤的温度分布状况。

由于光纤中拉曼散射频移为13.2THz，所以反斯托克斯光和斯托克斯光的波长差约为200nm。受到光纤中色散的作用，两路散射光在光纤中的传播速度不同，当数据采集卡对两路信号的采样频率完全一致时，造成采集到的两路数据点并非对应于光纤中的同一位置，在进行比值计算然后获取温度信息时，就会发生数据点错位，从而降低了系统的空间分辨率和测温精度。在发明专利CN101975625 A“分布式光纤温度传感系统及测量方法”中，提到传统方法是加入不同长度的匹配光纤，对因速度不同造成的时间误差进行补偿，但是该方法只能对某一具体长度处的数据进行补偿，而这种由于色散引起的两路信号时间差是处处存在的，所以该方法具有一定的局限性，而且操作比较复杂，很难精确补偿长度差别。

发明内容

本发明的目的是针对现有分布式拉曼测温系统的缺陷和不足，提出了一种自修正方法以消除波长色散对系统空间分辨率及温度精度的影响。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法，通过以下测温系统来实现，该系统包括脉冲激光器、1×3波分复用器（WDM）、传感光纤、双通道的APD光电探测器、双通道数据采集卡和计算机，其中脉冲激光器与1×3WDM的输入端相连，传感光纤与1×3波分复用器的com端相连，1×3波分复用器的两个输出端分别接双通道APD光电探测器的输入端，双通道APD光电探测器的输出端分别连接到双通道数据采集卡，双通道数据采集卡通过网线与计算机相连；脉冲激光器发出的脉冲光通过1×3波分复用器进入传感光纤并进入测温现场，经测温现场沿传感光纤返回传输的散射光再进入1×3波分复用器，经1×3波分复用器中进行滤光输出斯托克斯光和反斯托克斯光，分别进入双通道APD光电探测器进行光电转换，由双通道数据采集卡进行电压放大、累加平均，双通道数据采集卡将数据通过网口传输到计算机，通过计算机进行数据处理和分析，得到光纤所在测温现场的温度信息，该方法步骤如下：

1）搭建好分布式光纤拉曼测温系统，系统所用激光器为1550nm脉冲激光器，脉冲宽度为10ns，传感光纤为62.5/125多模渐变型光纤，双通道数据采集卡采样率为100MHz；

2）开启系统，由计算机计算出反斯托克斯光和斯托克斯光的速度，速度计算所依据的公式和条件如下：

在0.2~4.0μm波长范围内，石英光纤的纤芯折射率与波长的关系为

$n^2-1=\frac{{0.6961663\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\left(0.068403\right)}^2}+\frac{{0.4079426\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\left(0.1162414\right)}^2}+\frac{{0.8974794\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\left(9.896161\right)}^2}---\left(1\right)$

其中：n为光波在光纤中的折射率，λ为光波的波长，

对于分布式拉曼测温系统，拉曼散射波长与入射光波长的关系为

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{as}}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}+\mathrm{\Δ\γ}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_s}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}-\mathrm{\Δ\γ}---\left(2\right)$

式中，λ₀为入射光波长，λ_as，λ_s分别为反斯托克斯光和斯托克斯光波长，Δγ为拉曼频移波数；入射脉冲光源波长选择为1550nm，对于石英光纤Δγ=440cm^-1，计算得到：

λ_as=1451nm，λ_s=1663nm

由式（1）知对于不同波长，折射率不同，因而其在光纤中的传播速度不同，根据v=c/n，其中，c为光在真空中的速度，n为光在介质中的折射率，计算出入射光、反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤中的传播速度分别为：

v_in=2.0775×10⁸m/s  v_as=2.0759×10⁸m/s v_s=2.0795×10⁸m/s    （3）

3）根据采样时间和两路信号的传播速度与光纤距离的对应关系

$l_{\mathrm{as}}=\frac{\mathrm{ct}}{2n_{\mathrm{as}}},l_s=\frac{\mathrm{ct}}{2n_s}---\left(4\right)$

计算出某一时刻t数据采集卡采集点分别到斯托克斯和反斯托克斯两路光信号开始返回所对应的光纤位置点之间的距离l_s、l_as，其中n_s、n_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的折射率，分别将l_s、l_as存储于数组(l_s)和(l_as)中，数组长度即采集点个数均为N，斯托克斯光和反斯托克斯光的第N个采集点所对应的距离分别为l₁、l₂，因为斯托克斯光的传播速度大于反斯托克斯光，所以l₁＞l₂，将数组(l_s)中大于l₂的数据点舍弃，将小于l₂的数据存储在l_ss数组中，l_ss数组长度为N′；

4）假设数组l_ss中第n个元素表示为l_ss(n)，n＝1,2,3,.....N′，按照下标从1开始的顺序，依次将元素l_ss(n)与数组(l_as)中的所有元素比较大小，选出差值绝对值最小的l_as作为对应元素l_as，(n)，存储到新数组l_as，当中作为其第n个元素，l_ss(n)与l_as，(n)为修正后的对应于光纤同一位置的数据点，具有一一对应关系；

5）根据分布式拉曼测温系统常用的温度解调方法，选择200m~300m段的光纤作为参考光纤，设参考温度为T₀，从数组l_ss与l_as，中选择光纤位置200m~300m对应的数据点，分别计算斯托克斯和反斯托克斯光功率的平均值为p_s，p_as比值

对于整条光纤，修正后的比值

n＝1,2,3,.....N′，代入温度计算公式

能计算出光纤各个位置处对应的温度值T，上式中参数k＝1.38×10^-23J/K为玻尔兹曼常数，h＝6.62×10^-34J□s为普朗克常数，Δν＝1.32×10¹³HZ为石英光纤中的拉曼频移。

本发明的修正算法具体原理如下：

为了消除激光器输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响，提高测温准确度，在系统设计中，采用双通道双波长比较的方法，即对反斯托克斯光和斯托克斯光分别进行采集，利用两者强度的比值解调温度信号。另外，由于拉曼测温系统根据光时域反射（OTDR）技术原理实现空间定位，从脉冲进入光纤时开始计时，则不同时刻t在输入端探测器接收到的散射信号即为l处的光纤产生，具体关系为

$l=\frac{\mathrm{ct}}{2n}$

所以对于不同的采样时间点，对应着不同的空间位置。

目前，在对信号进行温度解调时，未考虑两路光信号速度不同带来的误差，一般采集卡两路信号采用相同采样率，对于相同的采样时间间隔，认为其是对应于空间同一点的温度信息，将对应的采样点分别做比值。但是，根据上述分析由于两路散射光速度不同，在相同采样率时，获取的两路数据点并非分别对应于光纤中的同一位置，在进行比值计算然后获取温度信息时，就会发生数据点错位。假设在某一时刻t，获取到的两路数据对应的光纤长度分别为l_s和l_as则有：

$\frac{l_s}{v_{\mathrm{in}}}+\frac{l_s}{v_s}=\frac{l_{\mathrm{as}}}{v_{\mathrm{in}}}+\frac{l_{\mathrm{as}}}{v_{\mathrm{as}}}$

将公式（3）代入公式

中，可得到两路信号返回点所对应的距离误差。当光纤长度为4Km时，两路信号返回点所对应的位置误差大约为3.5m，随着光纤长度距离的增加，误差越来越大。如果不对其进行修正，直接将两路信号返回点所对应的位置长度对应相除作比值，就会造成两路信号的位置点错位相除，那么当某处温度发生变化时，就会产生温度测量误差。

本发明方法通过该算法的自修正改进，温度曲线真实准确，消除了色散对温度精度的影响。此外，该方法不同于通过匹配光纤长度进行色散补偿，匹配光纤长度为固定值，仅能补偿某一位置处的色散影响。而该自修正算法可以对光纤所有测量点进行修正补偿，效果更佳。

本发明的通过自校正色散影响的算法具有以下优点：仅需在算法上对采样数据进行搜寻找到最佳吻合点进行比值，无需对硬件系统改进修正，方便简单，明显提高了温度测量精度，而且可以对整条光纤的测量点进行自修正。

附图说明

图1是本发明的分布式光纤拉曼测温系统结构图。

其中：1、脉冲激光器，2、1×3WDM，3、传感光纤，4、双通道APD光电探测器，5、双通道数据采集卡，6、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1所示，一种消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法，通过以下测温系统来实现，该系统包括脉冲激光器1、1×3WDM（波分复用器）2、传感光纤3、双通道APD光电探测器4、双通道数据采集卡5和计算机6，其中脉冲激光器1与1×3WDM2的输入端相连，传感光纤3与1×3WDM（波分复用器）2的com端相连，1×3WDM2的两个输出端分别接双通道APD光电探测器4的输入端，双通道APD光电探测器4的输出端分别连接到双通道数据采集卡5，双通道数据采集卡5通过网线与计算机6相连；脉冲激光器1发出的脉冲光通过1×3WDM2进入传感光纤3并进入测温现场，经测温现场沿传感光纤3返回传输的散射光再进入1×3WDM2，经1×3WDM2中进行滤光输出斯托克斯光和反斯托克斯光，分别进入双通道APD光电探测器4进行光电转换，由双通道数据采集卡5进行电压放大、累加平均，双通道数据采集卡5将数据通过网口传输到计算机6，通过计算机6进行数据处理和分析，得到光纤所在测温现场的温度信息，该方法步骤如下：

1）搭建好分布式光纤拉曼测温系统，系统所用激光器为1550nm脉冲激光器，脉冲宽度为10ns，传感光纤为62.5/125多模渐变型光纤，双通道数据采集卡采样率为100MHz；

2）开启系统，由计算机计算出反斯托克斯光和斯托克斯光的速度，速度计算所依据的公式和条件如下：

在0.2~4.0μm波长范围内，石英光纤的纤芯折射率与波长的关系为

$n^2-1=\frac{{0.6961663\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\left(0.068403\right)}^2}+\frac{{0.4079426\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\left(0.1162414\right)}^2}+\frac{{0.8974794\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\left(9.896161\right)}^2}---\left(1\right)$

其中：n为光波在光纤中的折射率，λ为光波的波长，

对于分布式拉曼测温系统，拉曼散射波长与入射光波长的关系为

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{as}}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}+\mathrm{\Δ\γ}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_s}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}-\mathrm{\Δ\γ}---\left(2\right)$

式中，λ₀为入射光波长，λ_as，λ_s分别为反斯托克斯光和斯托克斯光波长，Δγ为拉曼频移波数；入射脉冲光源波长选择为1550nm，对于石英光纤Δγ=440cm^-1，计算得到：

λ_as=1451nm，λ_s=1663nm

由式（1）知对于不同波长，折射率不同，因而其在光纤中的传播速度不同，根据v=c/n，其中，c为光在真空中的速度，n为光在介质中的折射率，计算出入射光、反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤中的传播速度分别为：

v_in=2.0775×10⁸m/s  v_as=2.0759×10⁸m/s v_s=2.0795×10⁸m/s    （3）

3）根据采样时间和两路信号的传播速度与光纤距离的对应关系

$l_{\mathrm{as}}=\frac{\mathrm{ct}}{2n_{\mathrm{as}}},l_s=\frac{\mathrm{ct}}{2n_s}---\left(4\right)$

计算出某一时刻t数据采集卡采集点分别到斯托克斯和反斯托克斯两路光信号开始返回所对应的光纤位置点之间的距离l_s、l_as，其中n_s、n_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的折射率，分别将l_s、l_as存储于数组(l_s)和(l_as)中，数组长度即采集点个数均为N，斯托克斯光和反斯托克斯光的第N个采集点所对应的距离分别为l₁、l₂，因为斯托克斯光的传播速度大于反斯托克斯光，所以l₁＞l₂，将数组(l_s)中大于l₂的数据点舍弃，将小于l₂的数据存储在l_ss数组中，l_ss数组长度为N′；

（1）假设数组l_ss中第n个元素表示为l_ss(n)，n＝1,2,3,.....N′，按照下标从1开始的顺序，依次将元素l_ss(n)与数组(l_as)中的所有元素比较大小，选出差值绝对值最小的l_as作为对应元素l_as，(n)，存储到新数组l_as，当中作为其第n个元素，l_ss(n)与l_as，(n)为修正后的对应于光纤同一位置的数据点，具有一一对应关系；

（2）根据分布式拉曼测温系统常用的温度解调方法，选择200m~300m段的光纤作为参考光纤，设参考温度为T₀，从数组l_ss与l_as，中选择光纤位置200m~300m对应的数据点，分别计算斯托克斯和反斯托克斯光功率的平均值为p_s，p_as比值

对于整条光纤，修正后的比值n＝1,2,3,.....N′，代入温度计算公式

能计算出光纤各个位置处对应的温度值T，上式中参数k＝1.38×10^-23J/K为玻尔兹曼常数，h＝6.62×10^-34J□s为普朗克常数，Δν＝1.32×10¹³HZ为石英光纤中的拉曼频移。

Claims (1)

1.一种消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法，通过以下测温系统来实现，该系统包括脉冲激光器、1×3波分复用器、传感光纤、双通道的APD光电探测器、双通道数据采集卡和计算机，其中脉冲激光器与1×3波分复用器的输入端相连，传感光纤与1×3波分复用器的com端相连，1×3波分复用器的两个输出端分别接双通道APD光电探测器的输入端，双通道APD光电探测器的输出端分别连接到双通道数据采集卡，双通道数据采集卡通过网线与计算机相连；脉冲激光器发出的脉冲光通过1×3波分复用器进入传感光纤并进入测温现场，经测温现场沿传感光纤返回传输的散射光再进入1×3波分复用器，经1×3波分复用器中进行滤光输出斯托克斯光和反斯托克斯光，分别进入双通道APD光电探测器进行光电转换，由双通道数据采集卡进行电压放大、累加平均，双通道数据采集卡将数据通过网口传输到计算机，通过计算机进行数据处理和分析，得到光纤所在测温现场的温度信息，该方法步骤如下：

1）搭建好分布式光纤拉曼测温系统，系统所用激光器为1550nm脉冲激光器，脉冲宽度为10ns，传感光纤为62.5/125多模渐变型光纤，双通道数据采集卡采样率为100MHz；

2）开启系统，由计算机计算出反斯托克斯光和斯托克斯光的速度，速度计算所依据的公式和条件如下：

在0.2~4.0μm波长范围内，石英光纤的纤芯折射率与波长的关系为

$n^2-1=\frac{{0.6961663\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\left(0.068403\right)}^2}+\frac{{0.4079426\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\left(0.1162414\right)}^2}+\frac{{0.8974794\mathrm{\λ}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\left(9.896161\right)}^2}---\left(1\right)$

其中：n为光波在光纤中的折射率，λ为光波的波长，

对于分布式拉曼测温系统，拉曼散射波长与入射光波长的关系为

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{as}}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}+\mathrm{\Δ\γ}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_s}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}-\mathrm{\Δ\γ}---\left(2\right)$

式中，λ₀为入射光波长，λ_as，λ_s分别为反斯托克斯光和斯托克斯光波长，Δγ为拉曼频移波数；入射脉冲光源波长选择为1550nm，对于石英光纤Δγ=440cm¹，计算得到：

λ_as=1451nm，λ_s=1663nm

由式（1）知对于不同波长，折射率不同，因而其在光纤中的传播速度不同，根据v=c/n，其中，c为光在真空中的速度，n为光在介质中的折射率，计算出入射光、反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤中的传播速度分别为：

v_in=2.0775×10⁸m/s v_as=2.0759×10⁸m/s v_s=2.0795×10⁸m/s （3）

3）根据采样时间和两路信号的传播速度与光纤距离的对应关系

$l_{\mathrm{as}}=\frac{\mathrm{ct}}{2n_{\mathrm{as}}},l_s=\frac{\mathrm{ct}}{2n_s}---\left(4\right)$

计算出某一时刻t数据采集卡采集点分别到斯托克斯和反斯托克斯两路光信号开始返回所对应的光纤位置点之间的距离l_s、l_as，其中n_s、n_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的折射率，分别将l_s、l_as存储于数组(l_s)和(l_as)中，数组长度即采集点个数均为N，斯托克斯光和反斯托克斯光的第N个采集点所对应的距离分别为l₁、l₂，因为斯托克斯光的传播速度大于反斯托克斯光，所以l₁＞l₂，将数组(l_s)中大于l₂的数据点舍弃，将小于l₂的数据存储在l_ss数组中，l_ss数组长度为N′；

4）假设数组l_ss中第n个元素表示为l_ss(n)，n＝1,2,3,.....N′，按照下标从1开始的顺序，依次将元素l_ss(n)与数组(l_as)中的所有元素比较大小，选出差值绝对值最小的l_as作为对应元素l_as，(n)，存储到新数组l_as，当中作为其第n个元素，l_ss(n)与l_as，(n)为修正后的对应于光纤同一位置的数据点，具有一一对应关系；

5）根据分布式拉曼测温系统常用的温度解调方法，选择200m~300m段的光纤作为参考光纤，设参考温度为T₀，从数组l_ss与l_as，中选择光纤位置200m~300m对应的数据点，分别计算斯托克斯和反斯托克斯光功率的平均值为p_s，p_as，比值

对于整条光纤，修正后的比值

n＝1,2,3,.....N′，代入温度计算公式

能计算出光纤各个位置处对应的温度值T，上式中参数k＝1.38×10^-23J/K为玻尔兹曼常数，h＝6.62×10^-34J□s为普朗克常数，Δν＝1.32×10¹³HZ为石英光纤中的拉曼频移。