CN103335742A - 一种高精度分布式光纤温度传感系统 - Google Patents

一种高精度分布式光纤温度传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度分布式光纤温度传感系统，本发明针对斯托克斯和反斯托克斯波长不同的特点，对数据采集单元设置不同的采样率，确保采集到的每一对斯托克斯和反斯托克斯数据都对应于光纤上的同一个位置，从根源上消除了由于斯托克斯和反斯托克斯波长不同，对空间分辨率、定位精度和温度精度造成的影响，提高了系统的这三项关键指标，拓宽了分布式光纤温度传感系统的应用范围。

Description

一种高精度分布式光纤温度传感系统
技术领域
本发明涉及一种高精度分布式光纤温度传感系统，特别是一种基于拉曼散色原理的高精度分布式光纤温度传感系统。
背景技术
分布式光纤温度传感系统由主机和光纤两部分组成，可探测到光纤铺设沿线所有位置的温度信息，实现长距离油气管线监测及超长距离电力电缆全范围温度监测；具有抗电磁干扰、本征安全、长寿命等特点，可广泛应用于电力系统、电缆隧道火灾探测应用、石油输送管线或储罐泄漏监测等领域；具有在火灾或渗漏发生前预报和温度异常变化快速发现的要求，达到事前预防的目的，保障国家财产和人民生命安全。
现有的分布式光纤温度传感系统工作原理一般是拉曼温度效应，脉冲光在光纤中传输的时候会发生拉曼散射，发出斯托克斯光和反斯托克斯光，频移均为13.2THz，其中反斯托克斯光对温度敏感，斯托克斯光不太敏感，利用两者的比值可以计算出温度信息。但是由于斯托克斯光和反斯托克斯光波长差较大，在光纤中的折射率不同，两者在光纤中传播速度不同，数据采集单元采集到的数据是同一时刻的数据，而不是同一位置的数据。因此会造成斯托克斯光和反斯托克斯光的时域反射曲线出现“差步”现象，这种现象会降低系统的空间分辨率、定位精度和测温精度，甚至造成温度计算错误。
专利《一种色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器》（申请号：201020157461.7）中提出了用双光源实现色散和损耗光谱的自校正，但是需要增加一个光源，占主要成本的1/3左右。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高精度分布式光纤温度传感系统。本发明可以有效避免斯托克斯光和反斯托克斯光的时域反射曲线出现“差步”现象，从而提高了系统的空间分辨率、定位精度和温度精度。
本发明的技术方案：一种高精度分布式光纤温度传感系统，其特点是：包括系统外壳，系统外壳内设有激光器，激光器的输入端与激光器驱动模块的输出端相连，激光器的输出端与分光滤波模块的输入端相连，分光滤波模块的一个输出端与光纤连接，另外两个输出端分别与第一光电转换模块和第二光电转换模块的输入端连接，第一光电转换模块和第二光电转换模块的输出端均与信号处理模块的输入端相连，信号处理模块的一个输出端与采集频率可调的数据采集单元的输入端连接，信号处理模块的另一个输出端与所述激光器的输入端连接，采集频率可调的数据采集单元的输出端与计算机处理模块连接。
上述高精度分布式光纤温度传感系统中，所述采集频率可调的数据采集单元的采样频率是可调的，采样时，对斯托克斯光和反斯托克斯光分别按照两种不同的采样频率进行交替的数据采集，确保每一对采集到的斯托克斯光和反斯托克斯光对应到光纤上的同一位置；且采集斯托克斯光的采样频率                                               与采集反斯托克斯光的采样频率
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE004
满足关系式
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE006
，常数m为反斯托克斯光在光纤中的折射率
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE008
与斯托克斯光在光纤中的折射率
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE010
的比值。
前述高精度分布式光纤温度传感系统中,所述反斯托克斯光在光纤中的折射率
Figure 289251DEST_PATH_IMAGE008
与斯托克斯光在光纤中的折射率的比值的获得方法是：计算机处理模块首先设置数据采集单元的采样频率为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE012
同时对斯托克斯光和反斯托克斯光进行采集，采集的数据存储为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE016
，分别找出两组数据最后一个有效数据的位置，得出总的测量时间为和
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE020
，然后根据得出
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE024
，其中L为光纤实际长度。
本发明的高精度分布式光纤温度传感系统的工作原理如下：
脉冲光在光纤中传输的时候会发生拉曼散射效应，同时发出斯托克斯光和反斯托克斯光，利用两者比值来计算温度。两者频率相对于入射光偏差13.2THz。
普通OTDR中光在光纤中传输的距离计算公式为：
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE026
                             （1）
c是光在真空中的传播速度，为常数
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE028
m/s；n是光在介质中传输的折射率，与波长有关；t是采样时间。
拉曼散射OTDR的计算公式与公式（1）有所不同，正向传输按照入射光的折射率计算，背向传输按照斯托克斯光和反斯托克斯光的折射率计算。设入射光的光纤折射率为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE030
，传输距离L所需要的时间为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE032
，斯托克斯光的折射率为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE034
,传输距离L所需要的时间为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE036
，反斯托克斯光的折射率为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE038
,传输距离L所需要的时间为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE040
,数据采集单元采样时间为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE042
。
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE044
      
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE046
     
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE048
   
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE050
则
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE052
                （2）
   
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE054
               （3）
传统分布式光纤测温系统对返回光按照同一个采样频率进行同时采集，将采集回来的每一对斯托克斯光和反斯托克斯光数值代入公式进行计算。显然当t相等时，实际斯托克斯光和反斯托克斯光对应的距离并不相等。
以入射光为1550nm计算，入射光的实测折射率为1.48822，斯托克斯光的波长为1660nm，实测折射率为1.48697，反斯托克斯光的波长为1450nm，实测折射率为1.48932。以现在常用的100M采集频率计算，每次采集t=10ns，则每次采集对应的斯托克斯光LS和反斯托克斯光LAS的距离为：
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE056
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE058
则每次采集斯托克斯光和反斯托克斯光的距离相差0.00079583米，随着采样次数的增加，两者的偏差会越来越大。所接光纤长度为2km时，2km尾端的数据约需采样2000次，两者的偏差为1.59166米。所接光纤长度为4km时，4km尾端的数据约需采样4000次，两者的偏差为3.18332米。所接光纤长度为10km时，10km尾端的数据约需采样10000次，两者的偏差为7.9583米。也就是说，当采集到第10000次的时候，采集到的斯托克斯光位于10083.3896米，而反斯托克斯光位于10075.4313米，两者直接相除计算出来的温度数值根本就是错误的。空间分辨率大大降低，定位偏差达到了将近8米，显然这在大部分场合都是难以接受的。这也在一定程度上影响了分布式光纤测温系统的推广应用。
本发明首先按照传统方法，按照固定采样频率对于两路信号进行采集，设两路数据分别为
Figure 318365DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 585398DEST_PATH_IMAGE016
，分别找出两组数据最后一个有效数据的位置，计算总的测量时间为
Figure 846615DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 515494DEST_PATH_IMAGE020
根据公式（2），令
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE060
，则
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE062
                         （4）
其中
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE064
为光纤的实际长度。
同理根据公式（3），令
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE066
，则
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE068
                     （5）
显然
Figure 692879DEST_PATH_IMAGE022
即可根据已知的
Figure 509525DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 246537DEST_PATH_IMAGE020
计算出两者的比值m。
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE070
=m                      （6）
转化为采样频率，则：
Figure 832239DEST_PATH_IMAGE006
               （7）
即只要满足公式（7），就可以保证采集到的每一对斯托克斯和反斯托克斯数据均对应于光纤上的同一点。
本发明先根据固定采样频率计算出斯托克斯光和反斯托克斯光的计算折射率比值，再固定一个采样时间
Figure 324400DEST_PATH_IMAGE036
，计算出另一个采样时间
Figure 566026DEST_PATH_IMAGE040
，通过计算机写入数据采集单元中，分别按照两种采样频率对两路数据进行交替采集，确保每一对采集到的斯托克斯光和反斯托克斯光对应到光纤上的同一位置。
与现有技术相比，本发明针对斯托克斯和反斯托克斯波长不同的特点，对数据采集单元设置不同的采样率，确保采集到的每一对斯托克斯和反斯托克斯数据都对应于光纤上的同一个位置，从根源上消除了由于斯托克斯和反斯托克斯波长不同，对空间分辨率、定位精度和温度精度造成的影响，提高了系统的这三项关键指标，拓宽了分布式光纤温度传感系统的应用范围。
附图说明
图1是根据本发明的系统结构框图；
附图中的标记为：1-激光器，2-激光器驱动模块，3-分光滤波模块，4-光纤，5-第一光电转换模块、6-第二光电转换模块，7-信号处理模块，8-数据采集单元，9-计算机处理模块，10-系统外壳。
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，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种高精度分布式光纤温度传感系统，如图1所示，包括系统外壳10，系统外壳10内设有激光器1，激光器1的输入端与激光器驱动模块2的输出端相连，激光器1的输出端与分光滤波模块3的输入端相连，分光滤波模块3的一个输出端与光纤4连接，另外两个输出端分别与第一光电转换模块5和第二光电转换模块6的输入端连接，第一光电转换模块5和第二光电转换模块6的输出端均与信号处理模块7的输入端相连，信号处理模块7的一个输出端与采集频率可调的数据采集单元8的输入端连接，信号处理模块7的另一个输出端与所述激光器1的输入端连接，采集频率可调的数据采集单元8的输出端与计算机处理模块9连接。
所述采集频率可调的数据采集单元8的采样频率是可调的，采样时，对斯托克斯光和反斯托克斯光分别按照两种不同的采样频率进行交替的数据采集，确保每一对采集到的斯托克斯光和反斯托克斯光对应到光纤上的同一位置；且采集斯托克斯光的采样频率
Figure 903466DEST_PATH_IMAGE002
与采集反斯托克斯光的采样频率
Figure 546937DEST_PATH_IMAGE004
满足关系式
Figure 944420DEST_PATH_IMAGE006
，常数m为反斯托克斯光在光纤中的折射率
Figure 673342DEST_PATH_IMAGE008
与斯托克斯光在光纤中的折射率的比值。
所述反斯托克斯光在光纤中的折射率
Figure 312451DEST_PATH_IMAGE008
与斯托克斯光在光纤中的折射率
Figure 146415DEST_PATH_IMAGE010
的比值的获得方法是：计算机处理模块首先设置数据采集单元的采样频率为
Figure 97053DEST_PATH_IMAGE012
同时对斯托克斯光和反斯托克斯光进行采集，采集的数据存储为
Figure 44805DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 397289DEST_PATH_IMAGE016
，分别找出两组数据最后一个有效数据的位置，得出总的测量时间为
Figure 402154DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 840089DEST_PATH_IMAGE020
，然后根据
Figure 323023DEST_PATH_IMAGE022
得出，其中L为光纤实际长度。
本发明的具体工作过程如下：
计算机处理模块首先设置数据采集单元的采样频率为，给激光器驱动模块和数据采集模块同时发出一个同步信号，数据采集单元，激光器驱动模块开始驱动激光器发出脉冲激光，数据采集模块同时按照开始进行采集数据。脉冲激光经过分光滤波模块连接到后面的测温光缆。在测温光缆中会不断发生拉曼散射，背向拉曼散射信号进入到分光滤波模块中，滤出的两路光经过光电转换模块，进行信号放大滤波，再进入数据采集模块进行A/D转化，最后输入到计算机处理模块中，存储为
Figure 183214DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 307028DEST_PATH_IMAGE016
，分别找出两组数据最后一个有效数据的位置，计算总的测量时间为
Figure 591379DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 66222DEST_PATH_IMAGE020
。
代入公式（6），计算出两者的比值m。设置反斯托克斯光的采样频率为，则根据公式（7）得到斯托克斯光的采样频率为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE074
。
计算机处理模块设置数据采集单元的采样频率为
Figure 156538DEST_PATH_IMAGE072
，重复上述步骤，此时数据采集模块仅采集反斯托克斯光，输入到计算机处理模块中，存储为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE076
。
计算机处理模块设置数据采集单元的采样频率为
Figure 2013102948536100002DEST_PATH_IMAGE078
，重复上述步骤，此时数据采集模块仅采集斯托克斯光，输入到计算机处理模块中，存储为。
再将两组数据代入温度计算公式计算，即可以准确得出每个采样点的温度数据。

Claims (3)

1. 一种高精度分布式光纤温度传感系统，其特征在于：包括系统外壳（10），系统外壳（10）内设有激光器（1），激光器（1）的输入端与激光器驱动模块（2）的输出端相连，激光器（1）的输出端与分光滤波模块（3）的输入端相连，分光滤波模块（3）的一个输出端与光纤（4）连接，另外两个输出端分别与第一光电转换模块（5）和第二光电转换模块（6）的输入端连接，第一光电转换模块（5）和第二光电转换模块（6）的输出端均与信号处理模块（7）的输入端相连，信号处理模块（7）的一个输出端与采集频率可调的数据采集单元（8）的输入端连接，信号处理模块（7）的另一个输出端与所述激光器（1）的输入端连接，采集频率可调的数据采集单元（8）的输出端与计算机处理模块（9）连接。
2. 根据权利要求1所述的高精度分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述采集频率可调的数据采集单元（8）的采样频率是可调的，采样时，对斯托克斯光和反斯托克斯光分别按照两种不同的采样频率进行交替的数据采集，确保每一对采集到的斯托克斯光和反斯托克斯光对应到光纤上的同一位置；且采集斯托克斯光的采样频率                                               与采集反斯托克斯光的采样频率
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE004
满足关系式
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE006
，常数m为反斯托克斯光在光纤中的折射率与斯托克斯光在光纤中的折射率
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE010
的比值。
3.根据权利要求2所述的高精度分布式光纤温度传感系统，其特征在于,所述反斯托克斯光在光纤中的折射率
Figure 694546DEST_PATH_IMAGE008
与斯托克斯光在光纤中的折射率
Figure 611686DEST_PATH_IMAGE010
的比值的获得方法是：计算机处理模块首先设置数据采集单元的采样频率为
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE012
同时对斯托克斯光和反斯托克斯光进行采集，采集的数据存储为
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE016
，分别找出两组数据最后一个有效数据的位置，得出总的测量时间为
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE020
，然后根据
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE022
得出
Figure 2013102948536100001DEST_PATH_IMAGE024
，其中L为光纤实际长度。
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