CN103180702B - 自校正功能的光纤分布式温度传感器系统及其温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明对使用一个光源和光检测器测量自动校正温度是有效的。

Description

自校正功能的光纤分布式温度传感器系统及其温度测量方法

技术领域

本发明涉及具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统以及使用其测量温度的方法，更具体地，涉及具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统和使用其测量温度的方法，在其中，可以通过在分布式温度传感器系统中提供反射装置来使用一个光源和一个光检测器，因此可以仅使用反斯托克斯拉曼散射光信号测量沿着光纤分布的温度。 

背景技术

通常，使用光纤的背向散射光测量被测光纤中分布的温度的原理如下面所描述的。如果激发光源的光脉冲进入被测光纤，则在该光纤中生成散射光，并且散射光的一部分反馈至被测光纤的进入端，因此，形成背向散射光。大部分背向散射光是波长与入射光的波长相等的瑞利散射光，并且在背向散射光中还包括具有被拉曼散射改变波长的少量拉曼散射光。瑞利散射光的强度通常是入射光的强度的大约1/100，而拉曼散射光与瑞利散射光的1/10,000一样弱。拉曼散射光包括：相对于入射光其波长朝向长波长改变的斯托克斯光；和相对于入射光其波长朝向短波长改变的反斯托克斯光。当进入到光纤的光与二氧化硅分子碰撞时，发生拉曼散射。由于二氧化硅分子的运动量根据温度而改变，所以散射量根据温度改变。即，斯托克斯光和反斯托克斯光的强度取决于绝对温度。因此，如果获得斯托克斯光和反斯托克斯光之间的比率，则可以获得被测光纤的纵长方向上的温度分布。在这点上，温度仅影响反斯托克斯光，而为了补偿光源的迁移，通过测量散射量来测量斯托克斯光。为了通过基于上述原理从被测光纤的背向散射光中分离和提取散射光来被测光纤的分布式温度，确实需要光纤分布式温度传感器。 

图1示意性地示出了传统拉曼传感器系统的结构的图。图1所示的拉 曼传感器系统使用拉曼现象按照距离测量温度。拉曼传感器系统通常包括：电源单元、激光二极管、脉冲发生器、光循环器、拉曼散射测量滤波器、光检测器、模拟数字转换器(ADC)等。如果将通过激光二极管生成的脉冲调制入射光传送至被测光纤中，则取决于距离发生光的延迟。因此，脉冲形式的输入光信号被转换成具有背向距离分辨率的散射光。将使用拉曼滤波器将通过光纤产生的散射信号分成具有不同波长的散射信号。波长与通过激光二极管生成的入射光的波长相同的的瑞利散射信号接收在瑞利散射区域中，以及能够根据温度改变测量信号变化的反斯托克斯散射信号和斯托克斯散射信号接收在反斯托克斯散射区域和斯托克斯散射区域中。通过光检测器独立地检测各散射区域所接收的瑞利散射信号、反斯托克斯散射信号、斯托克斯散射信号，并且通过模拟数字转换器将检测到的信号转换为数字信号。 

然而，在拉曼传感器系统中背向散射光的强度分布的不正确性已成为严重的问题。不正确性不仅受温度影响，而且由光纤中的物理干扰所产生的局部衰减也会引起不正确性。为了避免由强度分布的不正确性所导致的测量误差，需要去除局部衰减的影响。这种不正确性主要由斯托克斯光和反斯托克斯光之间范围在100nm至200nm内的波长差和对入射光的波长的依赖性所导致。另外，以不同制造工艺制造的光纤具有差分衰减分布。此外，当光纤受弯曲、张力、压缩、辐射以及化学污染防碍时，差分衰减进一步增加。在弯曲和压缩的情况下，差分衰减相对较小，因此，可以通过瑞利波或斯托克斯波来补偿这种差分衰减。另外，在核结构中的伽马射线辐射是差分衰减导致温度误差的典型原因。尽管为了解决该问题已经提出了使用瑞利带和反斯托克斯带的一些方法，但是波长差的问题仍然存在，因此，不能完全去除因波长差所导致的差分衰减。 

为了解决该问题，已提出用于自动校正差分衰减的双端方法。然而，尽管该方法具有很多优点，当被测光纤损坏时，仍存在需要被测光纤的两倍长度的光纤和附加分布的温度传感器信道的问题。此后，为了解决双端方法的问题，提出了使用双光源的方法。然而，使用双光源的方法仍具有需要一个附加的光源、一个光学开关以及两个光检测器的问题。 

因此，需要开发一种使用一个光源和一个光检测器进一步简单和完整地测量自动校正温度的方法。 

发明内容

技术问题 

因此，考虑到上述问题提出了本发明，本发明的第一目的是提供具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统和使用该系统测量温度的方法，其中，可以使用一个光源和一个光检测器测量自动校正的温度。 

本发明的第二目的是提供具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统和使用该系统测量温度的方法，其中，取决于入射光的斯托克斯光和反斯托克斯光之间的波长差以及光纤中存在的实际障碍可以克服。 

本发明的第三目的是提供具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统和使用该系统测量温度的方法，其中，由差分衰减导致的被测温度的不正确性可以简单地并完全消除，因此，节省了其成本。 

问题的解决方案 

为了实现以上目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统，该系统包括：用于生成脉冲调制的光信号的光源，包括电源单元100、脉冲发生器110以及激光二极管105；与光源单元连接的被测光纤120，其中光信号通过被测光纤进入和传输；设置在被测光纤120的一端处的反射装置125，用于沿着被测光纤120反射通过被测光纤120传输的光信号；设置在被测光纤120和光源单元之间的光循环器115，用于在与从光源单元进入的光信号的方向不同的方向上分离并传输从被测光纤120进入的光信号；与光循环器115连接的拉曼滤波器130，用于分离光学循环器115所分离和传输的光信号和仅通过在光学循环器115所分离和传输的光信号中的反斯托克斯拉曼散射光信号；与拉曼滤波器130连接的光检测器135，用于将反斯托克斯拉曼散射光信号转化为可以进行信号处理的电信号；与光检测器135连接的放大器140，用于放大被转换的电信号；与放大器140连接的数字转换器145，用于将放大的电信号转换为数字形式；以及与数字转换器145连接的信号处理单 元150，用于在使用拉曼效应测量温度时，输出在被测光纤120的纵长方向上分布的温度数据。 

另外，光纤分布式温度传感器系统进一步包括光放大器160，用于放大光源单元所生成的光信号并且位于光源单元和光学循环器115之间。 

另外，光放大器160包括EDFA和ASE滤波器。 

另外，反射装置125是镜子。 

另外，反射装置125反射从光源单元进入的光信号并且反射由被测光纤120产生的对于所反射的光信号的背向散射光。 

另外，从被测光纤120进入光检测器135的光信号包括：由被测光纤120产生的常规背向散射光信号、对于被反射装置125反射的光信号由被测光纤120产生的反射的背向散射光信号以及由被测光纤120生成的前向散射光信号。 

另外，光检测器135是APD，并且APD检测拉曼散射光信号中的反斯托克斯光信号并且将反斯托克斯光信号转换为电信号。 

另外，APD通过反复检测常规背向散射光信号、反射的背向散射光信号以及前向散射光信号来计算平均值。 

另外，放大器140包括电流放大器和电压放大器。 

另外，沿被测光纤120分布的温度仅使用反斯托克斯拉曼散射光来测量。 

另外，使用以下数学公式计算被测光纤120中的某点z处的温度： 

$T\left(z\right)={\left(\frac{k_B}{\mathrm{hc\Δv}}\log (\frac{I_f\left(z_0\right)}{I_f\left(z\right)}({\exp }^{\frac{\mathrm{hc\Δv}}{T\left(z_0\right)k_B}}-1)+1)\right)}^{-1}$

其中，h表示普朗克常数，c表示真空状态下的光信号的速度，Δv表示在被测光纤中的拉曼位移率，k_B表示波尔兹曼常数，T(z₀)表示被测光纤的参考点处的温度，I_f(z₀)表示被测光纤的参考点处的反斯托克斯拉曼散射光的强度，以及I_f(z)表示在被测光纤的某点处的反斯托克斯拉曼散射光的强度。 

另外，光纤分布式温度传感器系统进一步包括显示单元，用于根据信号处理单元150输出的数据在屏幕上显示整个被测光纤120上的温度的信息。 

根据本发明的另一方面，提供了使用具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统测量温度的方法，该方法包括以下步骤：通过光源单元生成脉冲调制的光信号(S410)；所生成的光信号通过设置在被测光纤120的一端处的光循环器115进入被测光纤120(S420)；在进入的光信号沿着被测光纤传输时产生散射光信号，散射光信号中的背向散射光信号沿着被测光纤120传输并进入光循环器115(S430)；通过设置在被测光纤120的另一端处的反射装置125产生用于进入的光信号的反射光信号，并且在反射光信号沿着被测光纤120在至光循环器115的方向上传输时生成散射光信号(S440)；通过反射装置125反射对于所反射的光信号的散射光信号中的背向散射光信号，沿着被测光纤120传输背向散射光信号，并且使背向散射光信号进入光循环器115(S450)；将进入的光信号通过光循环器115传输至拉曼滤波器130，以及通过拉曼滤波器130分离光信号并且仅通过光信号中的反斯托克斯拉曼散射光信号(S460)；通过光检测器135将通过的反斯托克斯拉曼散射光信号转换为电信号，通过放大器140放大该电信号，以及通过数字转换器145将放大的电信号转换为数字信号(S470)；以及基于转换的数字信号数据通过信号处理单元150输出分布在被测光纤120的纵长方向上的温度数据(S480)。 

另外，生成光信号的步骤S410进一步包括通过连接至光源单元的光放大器160放大生成的光信号。 

另外，输出温度数据的步骤S480进一步包括通过连接至信号处理单元的显示单元基于所述数据在屏幕上显示整个被测光纤120上的温度信息。 

本发明的有益效果 

根据本发明的实施例，可以使用一个光源和一个光检测器测量自动校正的温度。 

此外，可以通过克服取决于入射光的斯托克斯光和反斯托克斯光之间的波长差和光纤中所存在的实际障碍正确地测量自动校正的温度。 

此外，可以简单地并完全消除由差分衰减导致的被测温度的不正确性，因此可以节约成本。 

附图说明

图1是示出传统拉曼传感器系统的结构的视图； 

图2是示出根据本发明实施例的光纤分布式温度传感器系统的结构的视图； 

图3是示出根据本发明实施例生成的常规背向散射光信号的视图； 

图4是示出根据本发明实施例生成的反射的背向散射光信号的视图； 

图5是示出根据用于实施本发明的温度实验的第一实验性实例和第二实验性实例的具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统的结构的视图； 

图6是示出根据本发明的第一实验性实例的反斯托克斯时间和强度之间的关系的曲线图； 

图7是示出根据本发明的第一实验性实例的距离和温度之间的关系的曲线图； 

图8是示出根据本发明的第一实验性实例的图7的曲线图的放大部分的曲线图； 

图9是示出根据本发明的第二实验性实例的与弯曲损坏相关的反斯托克斯的距离和强度之间的关系的曲线图； 

图10是示出根据本发明的第二实验性实例的图9的曲线的放大部分的曲线图； 

图11是示出根据本发明的第二实验性实例的距离和温度之间的关系的曲线图；以及 

图12是顺序示出根据本发明实施例的使用反斯托克斯拉曼散射光测量自动校正的温度的方法的流程图。 

具体实施方式

<温度传感器系统> 

图2是示出根据本发明实施例的光纤分布式温度传感器系统的结构的图。如图2所示，光纤分布式温度传感器系统包括光源单元、被测光纤120、反射装置125、光循环器115、拉曼滤波器130、光检测器135、放大器140、 数字转换器145以及数字处理单元150。下面详细描述温度传感器系统的构成部分。 

光源单元生成脉冲调制光信号。光源单元包括电源单元100、脉冲发生器110、激光二极管105，并且电源单元100为光源单元中的单元提供所需的电力。脉冲发生器110生成脉冲形式的用于驱动激光二极管105的驱动电流。激光二极管105是当被供电时生成激光光信号的元件，其较小并且能够生成高强度的半导体激光束。激光的波长优选在使用单模光纤的范围内(1300nm至1500nm)。电流分量的脉冲波形用作输入信号以驱动激光二极管105并且该脉冲波形被调制为高速的光脉冲信号，光信号通过被测光纤120传输。 

另一方面，光纤分布式温度传感器系统可以进一步包括位于光源单元和光学循环器115之间的光放大器160。光放大器可以配置有掺铒光纤放大器(EDFA)和放大自发发射部件(ASE)。优选地，EDFA与半导体激光放大器相比较优点在于，具有较高的增益，甚至在高速信号传输期间也没有劣化，并且具有低噪声系数。ASE过滤器消除EDFA的光放大所伴随的ASE噪声。由于本发明的光放大器160在没有进行光电转换的情况下放大光信号本身，因此光学部件不用于光电转换，因此，结构简单、经济。 

光纤是线性安装的线性传感器并且感测分布在光纤中的温度。当形成在长线路上延伸的光纤时，光纤感测穿过的连续几个部分的实时温度。由于光纤的每一部分都用作点测量传感器，所以光纤本身以点测量传感器串联结合的形式工作。当通过放大器160放大的光信号前进时，光纤生成背向散射光。 

反射装置125反射从光源单元所接收到的光信号并且反射被测光纤120生成的背向散射光以用作反射的光信号。在本发明中，镜子可以用作反射装置125。 

图3是示出根据本发明实施例生成的常规背向散射光信号205的视图，而图4是示出根据本发明实施例生成的反射的背向散射光信号210的视图。 

图3中示出的常规背向散射光信号205的强度I_n可以表示为如数学表达式1所示，而图4中示出的反射的背向散射光信号210的强度I_r可以表 示为如数学表达式2所示。 

数学表达式1： 

$I_n\left(l\right)=P_{0}g(l,T)\exp (-{\&Integral;}_0^l{\mathrm{\&alpha;}}_P\left(z\right)\mathrm{dz}-{\&Integral;}_0^l{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{AS}}\left(z\right)\mathrm{dz})+C$

数学表达式2： 

$I_r\left(l\right)=P_0{R}_p{R}_{\mathrm{AS}}g(l,T)\exp (-{\&Integral;}_0^L{\mathrm{\&alpha;}}_P\left(z\right)\mathrm{dz}-{\&Integral;}_l^L{\mathrm{\&alpha;}}_P\left(z\right)\mathrm{dz}-{\&Integral;}_0^L{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{AS}}\left(z\right)\mathrm{dz}-{\&Integral;}_l^L{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{AS}}\left(z\right)\mathrm{dz})+C$

此处，P₀表示入射泵浦功率，g(l，T)表示在位于l处的具有温度T的被测光纤120中捕捉的拉曼散射横截面，而R_P和R_AS表示反射工具125对于进入的光信号和反斯托克斯的波长的反射率。如果数学表达式1乘以数学表达式2，对于位置l，将积分条件集合在一起而成为常数。因此，可以得到下面示出的数学表达式3。 

数学表达式3： 

$I_f\left(l\right)=\sqrt{(I_n\left(l\right)-C)(I_r\left(I\right)-C)}=\mathrm{ARg}(l,T)P_0$

此处， $A=\exp (-{\&Integral;}_0^l({\mathrm{\&alpha;}}_z\left(z\right)+{\mathrm{\&alpha;}}_s\left(z\right))\mathrm{dz}),$ 且 $R=\sqrt{R_p{R}_s}.$

′A′表示在被测光纤120的整个范围的积分函数。从数学表达式3的左侧项去除取决于位置的所有的传输相关的损耗，而保留取决于温度的g(i，T)。也就是说，局部衰减在整个范围对光信号产生等量的影响，并且可以被认为是常数。因此，可以从被测的光信号去除物理效应而不是温度信息。如果某一位置z替换数学表达式3中的l，那么g(l，T)可以表示为下面示出的数学表达式4。 

数学表达式4： 

$g(z,T)=\frac{I_f\left(z\right)}{\mathrm{AR}{P}_0}$

因为g(z，T)与反斯托克斯散射光的差分横截面成比例，所以数学表达式4的左侧项可以替换为如下面数学表达式5中所示出的。 

数学表达式5： 

$\frac{S}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{AS}}^4}\frac{1}{\exp (\frac{\mathrm{hc\&Delta;v}}{k_{B}T\left(z\right)}-1)}=\frac{I_f\left(z\right)}{{\mathrm{ARP}}_0}$

此处，S表示比例因子，其意味着通过被测光纤120的数值孔径捕捉到的散射部分。根据数学表达式5，可以通过类似于常规分布式温度系统(DTS)的程序得到温度公式，诸如下面示出的数学表达式6。 

数学表达式6： 

$T\left(z\right)={\left(\frac{k_B}{\mathrm{hc\&Delta;v}}\log (\frac{I_f\left(z_0\right)}{I_f\left(z\right)}({\exp }^{\frac{\mathrm{hc\&Delta;v}}{T\left(z_0\right)k_B}}-1)+1)\right)}^{-1}$

此处，h表示普朗克常数，c表示真空状态下的光信号的速率，Δv表示被测光纤中的拉曼位移率，k_B表示波尔兹曼常数，T(z₀)表示被测光纤的参考点处的温度，I_f(z₀)表示被测光纤的参考点处的反斯托克斯拉曼散射光的强度，而I_f(z)表示被测光纤的某一点处的反斯托克斯拉曼散射光的强度。 

在本发明的光纤分布式温度传感器系统中，根据数学表达式6，可以仅使用反斯托克斯拉曼散射光信号来测量被测光纤120的某一位置处的绝对温度。 

光循环器115以不同于从光源进入的光信号的方向来分离并传输从被测光纤120进入的光信号。此处，从被测光纤120进入的光信号包括由被测光纤120产生的常规背向散射光信号205、对于被反射工具125反射的光信号由被测光纤120产生的反射的背向散射光信号210、和由被测光纤120产生的前向散射光信号。需要以另一方向分离背向散射光使得背向散射光不能返回到入射方向的元件以测量背向散射光，并且其是光循环器115。如果整个光学系统以光纤形式构建，那么通常使用3dB耦合器和光循环器115。虽然3dB耦合器在价格方面具有优势，但是其具有3dB的插入损耗，并且当光行进时，应当穿过3dB耦合器两次，因而总的来说应当接受6dB的插入损耗。虽然本发明的光循环器115比3dB耦合器更昂贵，但是它的插入损耗大约小于1dB，因而，相比于3dB耦合器，进一步地其可以获得更多散射光。因为拉曼散射光极其弱，所以可以使用本发明中的光循环器115分离并获得背向散射光以实施损耗没有到最大的系统。 

拉曼滤波器从所有散射光中选择能够被信号处理的反斯托克斯拉曼散射光信号。在光纤生成的散射光包括取决于生成起因的瑞利散射光、布里 渊散射光(Brillouin scattering light)和拉曼散射光。因为光检测器135通常在宽波段中工作，因而需要用于阻挡瑞利散射光和布里渊散射光的波长滤波器以仅获得对温度敏感的拉曼散射光。棱镜、衍射光栅、光滤波器可以用作波长滤波器。棱镜或衍射光栅需要使从光纤发射出的光聚集的透镜或镜子，并且需要光对准工艺以将光传递至棱镜或衍射光栅。在本发明中，更可取的是使用能够传输直接来自光纤的散射光而不需要光对准工艺的拉曼WDM滤波器。拉曼WDM滤波器根据波长将在光纤产生的散射光分成瑞利散射光、斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光。 

半导体光检测器135中的使用通过光吸收在半导体中产生载流子的二极管型光检测元件可以用作光检测器135。半导体二极管型光检测器135是使用在具有相同或不同类型的半导体结表面产生和传输载流子的特征的元件。如果PN结呈现在半导体上，并且光投射到结表面上，则产生吸收光子能量的载流子。由光检测器135产生的载流子的流动生成电流，并且该电流成为与通过与外电路相互作用而进入的光信号相对应的电信号。另一方面，雪崩光二极管(avalanche photo diode，APD)可以用作本发明中的光检测器135，并且APD检测来自拉曼散射光信号的反斯托克斯光信号，并且将反斯托克斯光信号转换成电信号。此处，APD通过反复检测常规背向散射光信号210、反射的背向散射光信号和前向散射光信号来计算平均值。 

放大器140放大通过拉曼滤波器130并被光检测器135检测到的反斯托克斯拉曼散射光信号。由于拉曼散射光信号极其弱，所以在放大器140将该信号放大至大于约40dB之后对其进行处理。另一方面，电流放大器140a和电压放大器140b可以用作本发明中的放大器140。 

数字转换器145连接至放大器140，并且将放大后的电信号转换成数字形式。这是由于电信号应当被转换成数字形式，以便被诸如计算机等的信号处理装置进行处理。 

信号处理单元150使用计算机等控制拉曼光时域反射仪(OTDR)板并且获得数据。诸如计算机等的信号处理单元150可以控制拉曼OTDR传感器系统，并且包括来自该系统的数据采集的拉曼OTDR的信号处理可以通 过特定信号处理程序实施。使用在脉冲调制光信号进入之后产生的拉曼效应，根据OTDR的准则，信号处理程序测量温度。 

另一方面，本发明的温度测量系统还可以包括显示单元，用于根据被信号处理单元150处理的数据在屏幕上显示整个被测光纤120的温度的信息。 

第一实验性实例 

图5是示出根据用于实施本发明的温度实验的第一实验性实例的具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统的结构的视图。如图5所示，用于温度实验的结构包括光源单元，该光源单元包括DC电源单元100、脉冲发生器110、激光二极管105；光放大器160；被测光纤120；诸如镜子的反射工具125；光循环器115；拉曼滤波器130；诸如APD的光检测器135；包括电流放大器140a和电压放大器140b的放大器140；高速数字转换器145和包含信号处理单元150和显示单元155的计算机装置。 

在第一实验性实例中，被测光纤120的长度设置为4.3Km，并且参考光纤305设置在光纤的某一位置。从光纤的总长度制备具有2Km的线轴(spool)A和线轴B，并且具有50m的测试光纤设置在线轴A和线轴B之间。此外，在第一实验性实例中，位于2μs和3μs之间的信号用作从定位在距离光循环器115 200m和300m之间的光纤产生的参考信号以便补偿所提供的电源的降级。当使用烤炉315使测试光纤310的温度从23℃的室温增加至100℃时，测量反斯托克斯散射光信号相对于时间的强度。此外，当烤炉315加热时，测量参考光纤305的温度。 

根据第一实验性实例，光源单元生成波长为50ns并且频率为5KHz的光信号，然后光信号由光放大器160放大至20dB。放大的光信号通过光循环器115进入被测光纤120。另一方面，SMF-28用作被测光纤。进入的光信号沿着被测光纤120传输并且被放置在被测光纤120的端部的镜子反射。反射的光信号返回到光循环器115并且进入拉曼滤波器130。对于来自光源的进入光纤的光信号的波长和反斯托克斯拉曼散射光信号的波长，镜子的反射率是99％。当传输脉冲调制的光信号时，产生反斯托克斯拉曼散射 光信号，并且被指引返回到APD。当脉冲调制光信号向前传输(从光循环器115到镜子的方向)时，APD检测背向散射光信号。然而，当脉冲调制的光信号被镜子反射，然后反向传输(从镜子到光循环器115的方向)时，背向散射光也被镜子反射。反射的背向散射光信号210沿着被测光纤120传输并且被APD检测。与脉冲调制入射光一起传输的所有前向散射光到达位于常规散射光和反射的散射光之间的APD。包括常规背向散射反斯托克斯光信号、前向散射光信号和反射的背向散射反斯托克斯光信号的所有光信号由APD检测并且平均在47秒检测10,000次。 

图6是示出根据本发明的第一实验性实例的时间与反斯托克斯散射光的强度之间的关系的曲线图。如图6所示，按顺序放置常规背向散射反斯托克斯光信号、前向散射光信号和反射的背向散射反斯托克斯光信号。在常规背向散射反斯托克斯光信号的情况下，时间t与位置z之间的关系可以表示成下面示出的数学表达式7。 

数学表达式7： 

I_n(z)＝I_s(t)＝I_s(2z/v_g) 

此处，v_g表示被测光纤120中的入射光信号和散射光信号的一组速率，而I_s表示在时间t测量的信号。此外，时间t介于0＜t＜2L/v_g的范围内。 

然而，在反射的背向散射反斯托克斯光信号的情况下，位置z与时间t之间的关系可以表示成下面示出的数学表达式8。 

数学表达式8： 

I_r(z)＝I_s(t)＝I_s(2(2L-z)/v_g) 

此处，v_g表示被测光纤120中的反射光信号和散射光信号的一组速率，I_s表示在时间t测量的信号，并且时间t介于2L/v_g＜t＜4L/v_g的范围内。 

如图6所示，由于位于光纤的线轴A320和线轴B325之间的连接点以及50m的测试光纤310，可以在22μs和61μs附近观察到由连接损耗引起的光信号衰减。在42μs观察到前向散射光信号。如图6所示，可以在22μs和61μs附近观察到随着温度增加的散射光信号的增强。另一方面，总信号电平的差异可以被认为是由于长工作时间的输入电源的降级导致的。 

图7是示出根据本发明的第一实验性实例的距离和温度之间的关系的 曲线图，而图8是示出根据本发明的第一实验性实例的图7中的曲线图的放大部分的曲线图。图7和图8的曲线图示出在来自被测光纤120的光信号处理之后的相对于位置z的温度分布，从而可以证明该结果与数学表达式6的温度公式的结果一致。 

第二实验性实例 

图9是示出根据本发明的第二实验性实例的与弯曲损耗相关的距离与反斯托斯克斯的强度之间的关系的曲线图，图10是示出根据本发明的第二实验性实例的图9中的曲线图的放大部分的曲线图，而图11是示出根据本发明的第二实验性实例的距离与温度之间的关系的曲线图。 

为了证实根据本发明的光纤分布式温度传感器系统的自动温度校正功能，在维持同一温度时，实施对弯曲(bending)的实验。如图5所示，第二实验的结构类似于第一实验的结构，因而其细节不再进行描述。然而，当在第二实验中维持室温以实施弯曲实验时，弯曲A330和弯曲B335设置在被测光纤120的点A和点B处，从而测量与弯曲相关的光信号的变化。在图9和图10的曲线图中，′a′是没有弯曲的结果，′b′是具有弯曲A330时的结果，而′c′是具有弯曲A330和弯曲B335时的结果。如图9和图10所示，随着弯曲点的数量增加，相对于距离的反斯托克斯光信号的强度趋向减弱。即，如图10所示，由于弯曲A330，反斯托克斯光信号的强度减弱低至0.04和0.045之间，而在加入弯曲B335时，反斯托克斯光信号的强度减弱到0.04以下。 

但是，如图11所示，可以表明：尽管弯曲，但根据第二实验性实例的系统中测量的温度不发生变化。在整个第二实验性实例的结果中，可以证实光纤分布式温度传感器系统的自动温度校正功能。此外，可以证实，由于仅一种光源被用于反斯托克斯光信号以计算温度，所以可以去除通过使用两种不同波长的光可能产生的差分衰减的影响。 

测量温度的方法 

图12是顺序示出根据本发明实施例的使用反斯托克斯拉曼散射光测量自动校正温度的方法的流程图。如图12所示，在测量整个被测光纤120 的自动校正温度中，首先，光源生成脉冲调制光信号(S410)。接下来，所生成的光信号通过设置在被测光纤120的一端处的光循环器115进入被测光纤120(S420)。接下来，当进入的光信号沿着被测光纤120传输时，产生散射光信号，并且散射光信号中的背向散射光信号205沿着被测光纤120传输并进入光循环器115(S430)。接下来，进入的光信号通过设置在被测光纤120的另一端处的反射工具125产生反射的光信号，并且当反射的光信号以光循环器115的方向沿着被测光纤120传输时，产生散射光信号(S440)。接下来，对于反射的光信号，其散射光信号之中的背向散射光信号210被反射工具125反射，然后沿着被测光纤120进行传输并进入光循环器115(S450)。接下来，光循环器115将进入的光信号传输至拉曼滤波器130，并且拉曼滤波器130分离光信号并仅通过光信号之中的反斯托克斯拉曼散射光信号(S460)。接下来，光检测器135将通过的反斯托克斯拉曼散射光信号转换成电信号，然后在放大器140放大电信号之后，数字转换器145将放大的电信号转换成数字信号(S470)。最后，信号处理单元150根据所转换的数字信号数据输出在被测光纤120的纵向方向上分布的温度数据(S480)。此处，产生光信号的步骤S410还可以包括通过连接至光源单元的光放大器160放大所生成的光信号的步骤。此外，输出温度数据的步骤S480还可以包括根据所述数据通过连接至信号处理单元150的显示单元155在屏幕上显示整个被测光纤120的温度的信息的步骤。 

虽然已经参考具体示例性实施例描述了本发明，但是其不限于实施例而仅限于所附权利要求。可以了解到，本领域中的技术人员在不脱离本发明的范围和主旨的情况下，可以改变或修改实施例。 

Claims (15)

1.一种具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统，所述系统包括：

光源单元，包括电源单元(100)、脉冲发生器(110)以及激光二极管(105)，并用于生成脉冲调制的光信号；

被测光纤(120)，与所述光源单元连接，所述光信号通过所述被测光纤进入和传输；

反射装置(125)，被设置在所述被测光纤(120)的一端处，用于沿着所述被测光纤(120)反射通过所述被测光纤(120)传输的所述光信号；

光学循环器(115)，被设置在所述被测光纤(120)和所述光源单元之间，用于在与从所述光源单元进入的光信号的方向不同的方向上分离和传输从所述被测光纤(120)进入的光信号；

拉曼滤波器(130)，与光学循环器(115)连接，用于分离由所述光学循环器(115)所分离和传输的光信号并且仅通过该光信号中的反斯托克斯拉曼散射光信号；

光检测器(135)，与所述拉曼滤波器(130)连接，用于将所述反斯托克斯拉曼散射光信号转换为可以进行信号处理的电信号；

放大器(140)，与所述光检测器(135)连接，用于放大所转换的电信号；

数字转换器(145)，与所述放大器(140)连接，用于将放大的电信号转换为数字形式；以及

信号处理单元(150)，与所述数字转换器(145)连接，用于在使用拉曼效应测量温度时，输出在所述被测光纤(120)的纵长方向上分布的温度数据。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：光放大器(160)，用于放大所述光源单元生成的所述光信号，并且位于所述光源单元和所述光学循环器(115)之间。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光放大器(160)包括EDFA和ASE滤波器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述反射装置(125)是镜子。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述反射装置(125)反射从所述光源单元进入的所述光信号以及反射由所述被测光纤(120)产生的对于所反射的光信号的背向散射光。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，从所述被测光纤(120)进入所述光检测器(135)的光信号包括：由所述被测光纤(120)产生的常规背向散射光信号、对于被所述反射装置(125)反射的光信号由所述被测光纤(120)产生的反射的背向散射光信号、以及由所述被测光纤(120)产生的前向散射光信号。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光检测器(135)是APD，并且所述APD检测拉曼散射光信号中的反斯托克斯光信号并且将所述反斯托克斯光信号转换为所述电信号。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述APD通过反复检测常规背向散射光信号、反射的背向散射光信号和前向散射光信号来计算平均值。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述放大器(140)包括电流放大器和电压放大器。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，仅使用反斯托克斯拉曼散射光测量沿着所述被测光纤(120)分布的所述温度。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，使用以下数学公式来计算所述被测光纤(120)的某点z处的温度：

$T\left(z\right)={\left(\frac{k_B}{\mathrm{hc\&Delta;v}}\log (\frac{I_f\left(z_0\right)}{I_f\left(z\right)}({\exp }^{\frac{\mathrm{hc\&Delta;v}}{T\left(z_0\right)k_B}}-1)+1)\right)}^{-1}$

其中，h表示普朗克常数，c表示真空状态下的光信号的速度，Δv表示在所述被测光纤中的拉曼位移率，k_B表示波尔兹曼常数，T(z₀)表示所述被测光纤的参考点处的温度，I_f(z₀)表示所述被测光纤的参考点处的反斯托克斯拉曼散射光的强度，以及I_f(z)表示所述被测光纤的某点处的反斯托克斯拉曼散射光的强度。

12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括显示单元，用于根据所述信号处理单元(150)输出的数据在屏幕上显示整个被测光纤(120)上的温度的信息。

13.一种使用具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统测量温度的方法，所述方法包括以下步骤：

通过光源单元生成脉冲调制的光信号(S410)；

所生成的光信号通过设置在被测光纤(120)的一端处的光学循环器(115)进入所述被测光纤(120)(S420)；

在所进入的光信号沿着被测光纤传输时产生散射光信号，沿着所述被测光纤(120)传输所述散射光信号中的背向散射光信号，并且背向散射光信号进入所述光学循环器(115)(S430)；

通过设置在所述被测光纤(120)的另一端处的反射装置(125)对所进入的光信号产生反射的光信号，并且在所述反射的光信号在至所述光学循环器(115)的方向上沿着所述被测光纤(120)传输时产生散射光信号(S440)；

通过所述反射装置(125)反射对于所述反射的光信号的所述散射光信号中的背向散射光信号，沿着所述被测光纤(120)传输背向散射光信号，以及背向散射光信号进入所述光学循环器(115)(S450)；

通过所述光学循环器(115)将所进入的光信号传输至拉曼滤波器(130)，通过所述拉曼滤波器(130)分离光信号并且仅通过光信号中的反斯托克斯拉曼散射光信号(S460)；

通过光检测器(135)将所通过的反斯托克斯拉曼散射光信号转换为电信号，通过放大器(140)放大所述电信号并且通过数字转换器(145)将放大的电信号转换为数字信号(S470)；以及，

通过信号处理单元(150)根据所转换的数字信号数据输出在所述被测光纤(120)的纵长方向上分布的温度数据(S480)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，生成所述光信号的步骤(S410)进一步包括：通过连接至所述光源单元的光放大器(160)来放大所生成的光信号。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，生成温度数据的步骤(S480)进一步包括：通过连接至所述信号处理单元(150)的显示单元基于数据显示整个被测光纤(120)上的温度信息的步骤。