CN103292928B - 高分辨率分布式光纤温度传感器和测温装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种适用于高空间分辨率的分布式光纤温度传感器，包括脉冲光纤激光器、波分复用器、1*2光纤耦合器、定标光纤、传感光纤、脉冲光电转换器、光电接收模块以及数据采集卡，其特征在于设有同步误差监测环路，数据采集卡基于时钟移相的精确时间间隔测量能够精确确定采集卡激光脉冲触发信号与电脉冲信号上升沿的时间间隔，并与上位机的空间分辨率误差范围参数进行比较，从而决定是否对本次触发周期信号进行累加处理，保证最终的空间分辨率在误差范围内。本发明与现有技术相比，能够在不影响其它指标情况下提升空间分辨率，也可降低对激光器脉宽的要求。

Description

高分辨率分布式光纤温度传感器和测温装置及使用方法

技术领域

本发明涉及温度传感器，具体的说是一种测量精度高、生产成本低、准确可靠，特别适用于高空间分辨率检测应用环境的高分辨率分布式光纤温度传感器和测温装置及使用方法。

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，与传统的电温度传感器相比，光纤温度传感器具有灵敏度高、能够抗电磁干扰、重量轻、寿命长等优点，因此可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐以及大型建筑的温度监控和火灾报警中。

虽然拉曼型分布式光纤温度传感器的研究已相对成熟，但仍存在不完善的问题，目前分布式光纤温度传感器的发展方向是长距离、高精度，而高精度就是高温度波动度、高空间分辨率，而实现长距离和高温度波动度，最终追求高的信噪比，而目前高空间分辨率检测应用环境下的光纤测温，仅通过控制单个脉冲宽度来实现，为了得到高的空间分辨率就需要使用窄脉冲光源，但窄脉冲光源也意味着光能量减小，导致限制了测量距离，同时在光源脉冲宽度一定的情况下由于激光延迟抖动等带来的周期性后向散射光信号之间存在误差，最终导致累加过程进一步降低了系统的空间分辨率。

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、测量精度高、生产成本低、准确可靠，特别适用于高空间分辨率检测应用环境的高分辨率分布式光纤温度传感器和测温装置及使用方法。

本发明可以通过以下措施达到：

一种高分辨率分布式光纤温度传感器，设有由脉冲光纤激光器、波分复用器、定标光纤、传感光纤、光电接收模块、数据采集卡组成的测温环路，其特征在于还设有同步误差监测环路。

本发明中所述高分辨率分布式光纤温度传感器，其特征在于脉冲光纤激光器的输出端与波分复用器相连接，波分复用器的输出端与1*2光纤耦合器相连接，1*2光纤耦合器的两路输出端分别与定标光纤、脉冲光电转换器的输入端相连接，其中定标光纤的输出端与传感光纤相连接，脉冲光电转换器的输出端与数据采集卡相连接，由传感光纤中返回的背向散射光信号经波分复用器处理后获得斯托克斯光信号、反斯托克斯光信号分别由与波分复用器相连接的两路光电接收模块接收，两路光电接收模块的输出端分别与数据采集卡相连接，数据采集卡的输出端与脉冲光纤激光器相连。

本发明中所述数据采集卡内设有输入端与脉冲光电转换器输出端相连接的同步误差监测数据采集电路，

与同步误差监测数据采集电路相连接的误差计算电路，

以及与误差计算电路相连接的用于判断是否进行背向光信号累加的判定电路；

设有用输入端与两路光电接收模块的输出端相连接的背向光信号接收电路，

与背向光信号接收电路相连接的累加处理电路，

与累加处理电路相连接的用于将背向光信号的处理结果上传至工控机的上传电路；

还设有用于向脉冲光纤激光器发送固定重复频率的脉冲信号的脉冲触发电路，

其中用于判定是否进行背向光信号累加的判定电路的输出端与累加处理电路相连接，

脉冲触发电路的输出端与脉冲光纤激光器的触发信号输入端相连接，脉冲触发电路还与误差计算电路相连接。

本发明中所述脉冲光电转换器，由波长为1550nm的Pin管或APD、高压模块及运放电路构成，高压模块的输出端与Pin管或APD的输入端相连，Pin管或APD的输出端与运放电路的输出端相连，高压模块为Pin管或APD提供反向偏置，实现光信号到电信号的转换，运放电路实现电信号的调整。

本发明中1*2光纤耦合器用于将由脉冲光纤激光器发出的、经波分复用器处理后的光信号分为两路，其中一路光信号被依次送入定标光纤、传感光纤中进行测温，另一路光信号被送入同步误差监测环路中进行误差同步监测，其中1*2光纤耦合器将脉冲光纤激光器发出的光分为90:10两路光，其中90%的光进入定标光纤及与定标光纤相连接的传感光纤，10%的光进入脉冲光电转换器后转换成电脉冲信号送入数据采集卡，传感光纤中产生的后向散射拉曼光经波分复用器分成斯托克斯和反斯托克斯光，分别与接收背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接收模块相连，光电接收模块的输出端与数据采集卡中数据采集电路的输入端相连接，数据采集卡的输出端与脉冲光纤激光器相连；本发明中所述的同步误差监测环路，由1*2光纤耦合器、脉冲光电转换器和数据采集卡组成，1*2光纤耦合器com端输出的光10%进入脉冲光电转换器，由脉冲光电转换器转换成电脉冲信号后送入数据采集卡内的同步误差监测数据采集电路，由数据采集卡内与同步误差监测数据采集电路相连的误差计算电路精确计算激光脉冲触发信号与电脉冲信号上升沿之间的时间间隔，据此判定是否对背向光信号进行累加处理，并根据判定结果控制数据采集卡内的累加处理电路进行相应的工作。

一种高分辨率分布式光纤测温装置，包括工控机、光纤拉曼温度传感器，光纤拉曼温度传感器中的数据采集卡与工控机相连，数据采集卡将接收到的2路拉曼散射信号经USB总线上传至工控机，其特征在于所述光纤拉曼温度传感器采用如上所述的适用于高空间分辨率的分布式光纤温度传感器。

本发明中所述的高分辨率分布式光纤测温装置，脉冲光纤激光器，中心波长可以为1550nm，脉冲宽度5ns，重复频率10KHz，峰值功率20W；1*2光纤耦合器，对应的中心波长为1550nm，分光比为90：10， 插入损耗<0.7dB；对应的波分复用器由中心波长1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成；数据采集卡，采样率为200MSPS，模拟输入通道数为2，ADC精度为12bits。

本发明中所述的数据采集卡，具有精确时间间隔测量、背向拉曼散射信号采集及累加等功能，能够精确确定数据采集卡采集触发信号与经脉冲光电转换器后转换的电脉冲信号上升沿的时间间隔，并与上位机的空间分辨率误差范围参数进行比较，从而决定是否对本次触发周期信号进行累加处理，保证最终的空间分辨率在误差范围内。

一种高分辨率分布式光纤测温装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：数据采集卡内的脉冲触发电路向脉冲激光器输出激光脉冲触发信号，脉冲激光器在该信号的触发下，向波分复用器输出与该触发信号频率相同的光信号，光信号经波分复用器的com端进入1*2光纤耦合器，并由1*2光纤耦合器分成90:10的两路光，其中90%的光进入测温环路中，10%的光进入同步误差监测环路，

步骤2：进入测温环路中的光信号依次经过定标光纤及与定标光纤相连接的传感光纤后，传感光纤中产生的后向散射拉曼光信号经波分复用器分成斯托克斯和反斯托克斯光，分别由与波分复用器相连接的光电接收模块接收，并经光电接收模块处理后送入数据采集卡内的背向光信号接收电路，进入同步误差监测环路的光信号经脉冲光电转换器转换成电脉冲信号，转换后的数据被送入数据采集卡中的同步误差监测数据采集电路，

步骤3：数据采集卡中的同步误差监测数据采集电路将采集到的数据送入误差计算电路，计算出激光脉冲触发信号与经脉冲光电转换器转换后的电脉冲信号上升沿的时间间隔，并与空间分辨率误差范围参数进行比较，当比较结果小于误差阈值，决定对数据采集卡内的背向光信号接收电路接收的在本次激光脉冲触发信号下获得的周期信号进行累加处理，当比较结果大于误差阈值，决定对数据采集卡内的背向光信号接收电路接收的本次激光脉冲触发信号下获得的周期信号不进行累加处理，累加处理电路的处理结果由与其相连接的上传电路送入工控机，

步骤4：工控机接收由数据采集卡上传的数据后，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系，上位机将传感光纤上的信号强度计算出光纤所处位置处的温度信息，并根据定标光纤处的温度差进行温度调整，

步骤5：重复步骤1-步骤4，获得多次测量信息以进一步提高测温准确度，其中此处的累加是指对步骤3中上传的累加数据又进行了几次累加，应用中，步骤3完成的累加次数以万为单位，步骤5仅是将步骤3中上传的累加数据又进行了几次累加。例，步骤3累加5万次，步骤5根据需求进行了2次累加，即总累加周期次数为5万*2=10万次累加。。

本发明中数据采集卡具有对周期信号进行累加与否的判定功能，实现了高的空间分辨率，克服了现阶段在激光脉宽一定的情况下由于周期信号的同步等问题导致的空间分辨率展宽问题，本发明通过采用1*2光纤耦合器、脉冲光电转换器和数据采集卡构成的同步误差监测方案，减少了周期信号的同步问题对光纤温度传感的空间分辨率展宽的影响，降低对昂贵的窄脉宽激光器的依赖，同时，可以根据实际情况对最终因同步导致的空间分辨率展宽进行限制性设置。

附图说明：

附图1是本发明中高分辨率分布式光纤温度传感器的结构示意图。

附图2是本发明中高分辨率分布式光纤测温装置的结构示意图。

附图3是现有技术中，在5次不同周期的脉冲宽度下的脉冲宽度展宽示意图。

附图4是采用本发明后，在5次不同周期的脉冲宽度情况下的脉冲宽度展宽示意图。

附图5是本发明中数据采集卡的结构框图。

附图标记：脉冲光纤激光器1、波分复用器2、1*2光纤耦合器3、脉冲光电转换器4、定标光纤5、传感光纤6、光电接收模块7、光电接收模块8、数据采集卡9、工控机10、同步误差监测数据采集电路11、误差计算电路12、判定电路13、背向光信号接收电路14、累加处理电路15、上传电路16、脉冲触发电路17。

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，本发明提出了一种适用于高空间分辨率的分布式光纤温度传感器，包括脉冲光纤激光器1、波分复用器2、1*2光纤耦合器3、脉冲光电转换器4、定标光纤5、传感光纤6、光电接收模块7、光电接收模块8、数据采集卡9，脉冲激光器1与数据采集卡9相连接，其中设有同步误差监测环路，脉冲光纤激光器发出的光经波分复用器com端后进入1*2光纤耦合器，并由1*2光纤耦合器分成90:10的两路光，90%的光进入定标光纤及后续的传感光纤，10%的光进入脉冲光电转换器后转换成电脉冲信号送入数据采集卡，其中如附图5所示，所述数据采集卡内设有输入端与脉冲光电转换器输出端相连接的同步误差监测数据采集电路11，与同步误差监测数据采集电路11相连接的误差计算电路12，以及与误差计算电路12相连接的用于判断是否进行背向光信号累加的判定电路13；还设有用输入端与两路光电接收模块的输出端相连接的背向光信号接收电路14，与背向光信号接收电路14相连接的累加处理电路15，与累加处理电路15相连接的用于将背向光信号的处理结果上传至工控机的上传电路16；还设有用于向脉冲光纤激光器1发送固定重复频率的脉冲信号的脉冲触发电路17，其中用于判定是否进行背向光信号累加的判定电路13的输出端与累加处理电路15相连接，脉冲触发电路17的输出端与脉冲光纤激光器1的触发信号输入端相连接，脉冲触发电路17还与误差计算电路12相连接。

如附图2所示，本发明还提出一种适用于高空间分辨率的分布式光纤测温装置，包括工控机10以及光纤拉曼温度传感器，光纤拉曼温度传感器中的数据采集卡9与工控机10相连，数据采集卡9将接收到的2路拉曼散射信号经USB总线上传至工控机10，其中所述光纤拉曼温度传感器采用上述一种适用于高空间分辨率的分布式光纤温度传感器。

附图3为不采用本发明的空间分辨率展宽示意图，其中，（a）为5次不同周期的脉冲宽度示意图，分别为周期1-周期5，在未采用本发明技术方案的情况下，数据采集卡对由周期1-周期5触发获得的数据均进行累加，累加后脉冲宽度展宽示意如附图3中（b）所示，可以看出在不采用本发明的情况下展宽为30%。

附图4为采用本发明的空间分辨率展宽改善示意图，其中，（a）为5次不同周期的脉冲宽度示意图，分别为周期1-周期5，采用本发明技术方案的情况下，同步误差监测环路内的同步误差监测数据采集电路获取检测环路中脉冲光电转换器4输出的电脉冲，并将采集到的数据送入误差计算电路，计算出激光脉冲触发信号与经脉冲光电转换器转换后的电脉冲信号上升沿的时间间隔，并将计算结果与空间分辨率误差范围参数进行比较，当比较结果小于误差阈值，决定对数据采集卡内的背向光信号接收电路接收的经本次周期信号触发获得的数据进行累加处理，当比较结果大于误差阈值，决定对数据采集卡内的背向光信号接收电路接收的经本次周期信号触发获得的数据不进行累加处理，图中周期1、周期3、周期5的触发信号符合要求，因此对周期1、周期3、周期5三组触发信号获得的数据进行累加处理，结果如图（b）所示，可以看出空间分辨率展宽为10%，与附图3（b）不采用本发明的方法改善了20%。

实施例：

一种适用于高空间分辨率的分布式光纤测温系统，如附图2所示，包括脉冲光纤激光器1，波分复用器2，1*2光纤耦合器3，脉冲光电转换器4，定标光纤5，传感光纤6，光电接收模块7，光电接收模块8，数据采集卡9，以及工控机10，其中数据采集卡9的一路输出端与脉冲光纤激光器1的输入端相连，脉冲光纤激光器1输出的1550nm脉冲光与波分复用器2的1550nm输入端相连，波分复用器2的com输出端与1*2光纤耦合器3的输入端相连，1*2光纤耦合器3的90%分光输出端与定标光纤5的一端相连，定标光纤5的另一端与传感光纤6相连，定标光纤5及传感光纤6产生的背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号分从波分复用器2的1450nm和1660nm输出端口输出，且分别于光电接收模块7,光电接收模块8的输入端相连，1*2光纤耦合器3的另一路输出端与脉冲光电转换器4的输入端相连，脉冲光电转换器4的输出端与数据采集卡9的一路输入端相连，数据采集卡9的另一路输出端与工控机10相连，其中所述脉冲光纤激光器，中心波长为1550nm，脉冲宽度5ns，重复频率10KHz，峰值功率20W，所述1*2光纤耦合器，中心波长1550nm，分光比为90：10， 插入损耗<0.7dB，所述的波分复用器由中心波长1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成，所述的数据采集卡，采样率为200MSPS，模拟输入通道数为2，ADC精度为12bits。

本发明提供的一种适用于高空间分辨率的分布式光纤温度传感器，采用1*2光纤耦合器、脉冲光电转换器和数据采集卡实现了对同步误差的精确测定，减少了因周期信号的同步误差对空间分辨率展宽问题的影响，降低对昂贵的窄脉宽激光器的依赖，同时，可以根据实际情况对最终因同步导致的空间分辨率展宽进行限制性设置，本发明相比于目前的其它分布式光纤拉曼温度传感器来讲，在不影响其它指标的情况下在空间分辨率指标上具有显著优势。

Claims (4)

1.一种高分辨率分布式光纤温度传感器，设有由脉冲光纤激光器、波分复用器、定标光纤、传感光纤、光电接收模块、数据采集卡组成的测温环路，其特征在于还设有同步误差监测环路；

脉冲光纤激光器的输出端与波分复用器相连接，波分复用器的输出端与1*2光纤耦合器相连接，1*2光纤耦合器的两路输出端分别与定标光纤、脉冲光电转换器的输入端相连接，其中定标光纤的输出端与传感光纤相连接，脉冲光电转换器的输出端与数据采集卡相连接，由传感光纤中返回的背向散射光信号经波分复用器处理后获得斯托克斯光信号、反斯托克斯光信号，斯托克斯光信号、反斯托克斯光信号分别由与波分复用器相连接的两路光电接收模块接收，两路光电接收模块的输出端分别与数据采集卡相连接，数据采集卡的输出端与脉冲光纤激光器相连；

所述数据采集卡内设有输入端与脉冲光电转换器输出端相连接的同步误差监测数据采集电路，

与同步误差监测数据采集电路相连接的误差计算电路，

以及与误差计算电路相连接的用于判断是否进行背向光信号累加的判定电路；

设有用输入端与两路光电接收模块的输出端相连接的背向光信号接收电路，

与背向光信号接收电路相连接的累加处理电路，

与累加处理电路相连接的用于将背向光信号的处理结果上传至工控机的上传电路；

还设有用于向脉冲光纤激光器发送固定重复频率的脉冲触发电路，

其中用于判定是否进行背向光信号累加的判定电路的输出端与累加处理电路相连接，

脉冲触发电路的输出端与脉冲光纤激光器的触发信号输入端相连接，脉冲触发电路还与误差计算电路相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨率分布式光纤温度传感器，其特征在于所述脉冲光电转换器，由波长为1550nm的Pin管或APD、高压模块及运放电路构成，高压模块的输出端与Pin管或APD的输入端相连，Pin管或APD的输出端与运放电路的输出端相连。

3.一种高分辨率分布式光纤测温装置，包括工控机、光纤拉曼温度传感器，光纤拉曼温度传感器中的数据采集卡与工控机相连，数据采集卡将接收到的2路拉曼散射信号经USB总线上传至工控机，其特征在于所述光纤拉曼温度传感器采用如权利要求2中所述的高分辨率分布式光纤温度传感器；所述脉冲光纤激光器，中心波长为1550nm，脉冲宽度5ns，重复频率10KHz，峰值功率20W；所述1*2光纤耦合器，中心波长1550nm，分光比为90：10， 插入损耗<0.7dB；所述的波分复用器由中心波长1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成；所述的数据采集卡，采样率为200MSPS，模拟输入通道数为2，ADC精度为12bits。

4.一种如权利要求3所述高分辨率分布式光纤测温装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：数据采集卡内的脉冲触发电路向脉冲光纤激光器输出激光脉冲触发信号，脉冲光纤激光器在该信号的触发下，向波分复用器输出与该触发信号频率相同的光信号，光信号经波分复用器的com端进入1*2光纤耦合器，并由1*2光纤耦合器分成90:10的两路光，其中90%的光进入测温环路中，10%的光进入同步误差监测环路，

步骤2：进入测温环路中的光信号依次经过定标光纤及与定标光纤相连接的传感光纤后，传感光纤中产生的后向散射拉曼光信号经波分复用器分成斯托克斯和反斯托克斯光，分别由与波分复用器相连接的光电接收模块接收，并经光电接收模块处理后送入数据采集卡内的背向光信号接收电路，进入同步误差监测环路的光信号经脉冲光电转换器转换成电脉冲信号，转换后的数据被送入数据采集卡中的同步误差监测数据采集电路，

步骤3：数据采集卡中的同步误差监测数据采集电路将采集到的数据送入误差计算电路，计算出激光脉冲触发信号与经脉冲光电转换器转换后的电脉冲信号上升沿的时间间隔，并与空间分辨率误差范围参数进行比较，当比较结果小于误差阈值，决定对数据采集卡内的背向光信号接收电路接收的在本次激光脉冲触发信号下获得的周期信号进行累加处理，当比较结果大于误差阈值，决定对数据采集卡内的背向光信号接收电路接收的本次激光脉冲触发信号下获得的周期信号不进行累加处理，累加处理电路的处理结果由与其相连接的上传电路送入工控机，

步骤4：工控机接收由数据采集卡上传的数据后，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系，上位机将传感光纤上的信号强度计算出光纤所处位置处的温度信息，并根据定标光纤处的温度差进行温度调整，

步骤5：重复步骤1-步骤4，获得多次测量信息以进一步提高测温准确度。