CN103364112A - 一种用于分布式光纤测温系统的参数标定及自动校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分布式光纤测温系统的参数标定及自动校准方法，该方法用于解决DTS系统的参数标定问题和测温过程中参数的自校准问题，所述标定方法把分布式光纤测温系统特性简化为三个参数α、β、Q，使用二或三个恒温槽来预先标定这三个参数，由于参数α、β较为稳定，参数Q的稳定性差，在工作过程中实时标定参数Q，从而达到自动校准系统参数的目的。本发明简化了基于拉曼背向散射的分布式光纤测温系统的测温公式，简化了标定方法并且提高了标定效率，在实际工程应用中可以克服系统光电特性的漂移，达到连续长时间精准测量的目的。

Description

一种用于分布式光纤测温系统的参数标定及自动校准方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤温度传感系统，属于光纤温度传感技术领域，特别涉及一种用于分布式光纤测温系统的参数标定及自动校准方法，其为分布式传感中的标定方法以及长时间使用时的校准方法。

背景技术

光纤温度传感器是测温技术中的新技术，也是工业中应用最多的传感器之一。分布式光纤温度传感器的出现，使获得单位信息量的成本大大降低，这对以电信号为基础的温度传感器和点式光纤光栅温度传感器无疑是一场革命。分布式光纤温度传感技术，就是利用光纤测量沿光纤走向几十公里连续空间的温度场分布情况，为强电磁场、高压大电流、易燃易爆、复杂几何空间等恶劣环境的温度场测量与控制，提供了可行的新手段。因此，分布式光纤温度传感器以其自身的特点受到了广泛的重视，研究分布式光纤温度传感系统具有重要的理论意义与应用价值。光纤分布式温度监测（DTS，Distributed Temperature Sensing），也称为分布式光纤测温，依据光时域反射（OTDR）原理和拉曼（Raman）散射效应对温度的敏感从而实现温度监测，全系统采用光纤作为敏感信息传感和信号传输的载体，具有连续测温、分布式测温、实时测温、抗电磁干扰、本征安全、远程监控、高灵敏度、安装简便、长寿命等特点，广泛应用于管道、隧道、电缆、石油石化、煤矿等行业。

在分布式光纤温度器的使用中，参数的标定是一个很重要的步骤，现在通用的方法是在使用前对光纤参数进行一次性标定，而且标定时忽略双通道不等衰减对温度解调的影响。但是由于个别参数的会随着系统光电特性改变，DTS长时间工作会导致测量误差逐渐扩大，这是就需要对参数进行校正。

传统的校正方法实际上是重新标定所有参数，由于使用中的光纤已经铺设到了工程现场，再次标定的难度较大，可行性低且准确性差。所以有必要对现有方法进行改进，使用一种新的标定和自校准的方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于分布式光纤测温系统的参数标定及自动校准方法，克服已有的技术局限，通过使用两个或三个恒温槽，使得参数标定的过程简单化、直观化。只需要用铂电阻温度传感器监测参考光纤的温度，就能在不影响系统工作的前提下对参数进行自动校准，使得DTS在长时间运行时保持良好的性能和准确度。

本发明为了达到上述目的采用的技术方案为：一种用于分布式光纤测温系统的参数标定方法，所述参数标定方法将拉曼测温的解调公式进行了简化，得到下式：

$T=\frac{\mathrm{\β}}{\ln \left[R(T,z)\right]-Q-\mathrm{\α}\×z}$

提取了三个参数α、β、Q来概括分布式光纤测温系统特性，其中α代表斯托克斯光和反斯托克斯光的不等衰减特性，β代表散射光功率之比对温度的敏感系数，Q代表斯托克斯光和反斯托克斯光在DTS中的光电特性的不一致，z为测温点的位置，R(T,z)为某一测温点对应的斯托克斯光与反斯托克斯光强之比；从而所述参数标定方法把分布式光纤测温系统特性简化为三个参数α、β、Q，其中参数α和β是光纤的固有性质，基本不随脉冲激光功率和光电探测器放大倍数的变化而变化，参数Q对DTS系统的光电特性变化比较敏感，需要在使用过程中校准，标定出这三个参数之后，便能够根据拉曼测温的解调公式解调出温度与散射光功率之比的关系，所述的参数标定方法需要二或三个恒温槽标定参数α、β、Q；

具体的，参数标定方法分为两种：1、使用两个恒温槽，两个恒温槽间距需要足够大，标定时一个恒温槽温度不变，另一个恒温槽需要分别保持两个温度；2、使用三个恒温槽，其中的两个恒温槽间距需要足够大，且至少有一个恒温槽与其它两个温度不同。

优选的，用于参数标定的光纤长度必须大于测温系统的空间分辨率。

优选的，通过实验验证，将参数α、β、Q按照稳定性分为两类：参数α和β是光纤的固有性质，稳定性好；参数Q对DTS系统的光电特性变化比较敏感，稳定性差。

本发明另外提供一种用于分布式光纤测温系统的自动校准方法，在完成所述的用于分布式光纤测温系统的参数标定方法完成后，使用铂电阻温度传感器对一段参考光纤进行实时温度监测，在已知参数α和β的前提下，对参数Q进行实时校准；

标定完成后，根据公式

每一点温度可以通过对应的反斯托克斯光和斯托克斯光的比值解算出来，但是在系统长时间运行时，代表双通道光电特性不一致的Q参数会发生微小的温度漂移，影响最终的温度精度，在传感光纤始端Z0处取一段参考光纤，用铂电阻温度传感器实时监测参考光纤温度值T0，自校正装置，包括DTS设备，光纤盲区，铂电阻温度传感器，参考光纤，传感光纤，DTS设备是采集光纤中背向散射的斯托克斯光和反斯托克斯光的功率的装置；光纤盲区是一段无法用作传感或标定的区域，该区域的长度受到探测器的影响；铂电阻温度传感器是普通的电阻式温度传感器；参考光纤是传感光纤中的一段，其长度大于系统空间分辨率，参考光纤盘成圆盘状置于恒温水槽内；传感光纤是普通的单模或多模光纤，根据公式

对Q值进行实时校正，得到下式

$Q^{\′}=\ln \left[R(T_0,z_0)\right]-\frac{\mathrm{\β}}{T_0}-\mathrm{\α}\×z_0$

Q’为校正后的Q参数，公式

即是参数Q的自校正公式，通过对系统参数进行在线实时的自校正，可以使系统在长时间运行是保持较高的测量精度，极大节约了人力成本。

优选的，用于自动校准的光纤长度必须大于测温系统的空间分辨率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.本发明简化了传统的标定概念和方法，提取了三个参数来代表分布式光纤测温系统特性参数，使用三个恒温槽可以同时标定出这三个参数。

2.本发明不用重新标定所有参数，不使用复杂的温度反馈保持模块来保证温度的恒定，只需使用铂电阻监测一段参考光纤的温度，即可实现光纤测温参数的自校准。

3.本发明节省了标定以及检修人力，保证了DTS系统长时间工作时的测温准确性。

附图说明

图1是参数标定和自校正方法的流程示意图。

图2是使用两个恒温水槽标定参数α、β、Q的实验装置图。

图3是使用三个恒温水槽标定参数α、β、Q的实验装置图。

图4是使用一个铂电阻温度监测点完成参数Q的自校正的实验装置图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

在OTDR解拉曼散射的温度效应时，利用同步接收的Stokes光及Anti-Stokes光的散射功率，取其比值R(T,z)，得到公式：

$R(T,z)=\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{as}}}{{\mathrm{\Γ}}_s}{\left(\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right)}^4\exp [-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)z]\exp (-\frac{\mathrm{h\Δv}}{\mathrm{kT}})---\left(1\right)$

其中α_s、α_as分别表示Stokes和Anti-Stokes的传输损耗，ν_s及ν_a分别为Stokes与Anti-Stokes散射光子的频率，Δν为拉曼频率位移量，z为发生拉曼散射的位置到光纤始端的距离，h为Planck常量，k为Boltzmann常量，Γ_as、Γ_s分别表示光纤中与斯托克斯散射和反斯托克斯散射截面有关的系数，T为发生散射位置的温度。

对上述公式进行了简化后，可以用三个参数来代表光纤测温系统的特性。令

α＝-(α_as-α_s)，

其中α代表了散射光在光纤中的衰减系数的差值、β散射光功率对温度的敏感系数、Q代表双通道光电特性的不一致。公式（1）取对数后可得到温度公式：

$T=\frac{\mathrm{\β}}{\ln \left[R(T,z)\right]-Q-\mathrm{\α}\×z}---\left(2\right)$

由公式（2）可知，标定三个参数α、β、Q即可将光纤上每一点的散射光功率之比的信息解调成每一点所对应的温度信息，把理论的解调公式转化为工程上可实施的方案。要求出α、β、Q至少需要三个方程，用矩阵形式表示为：

$\left[\begin{array}{ccc}{z}_1& 1/T_1& 1\\ z_2& 1/T_2& 1\\ z_3& 1/T_3& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\\ Q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\ln R(T_1,z_1)\\ \ln R\left(T_2{,z}_2\right)\\ \ln R(T_3,z_3)\end{array}\right]---\left(3\right)$

公式（3）可简化为Ax=b，x=(α、β、Q)^T。公式有解的充要条件是|A|≠0。为了提高解的精度，需要|A|比较大（满足良态线性方程组条件）。所以为了使上述方程组有解且精度较高，本发明从使用性和简便性两个方面考虑，提出了两种参数标定方法。

方法一：满足条件Z1≠Z2＝Z3，T1＝T2≠T3，其中Z1、Z2要有足够的距离差，T2、T3要有较大的温度差。我们取两个恒温水槽，在传感光纤始端和尾端各取一段参考光纤放入恒温水槽中，参考光纤长度不能小于DTS系统空间分辨率。恒温槽1取温度T1，恒温槽2分别取温度T2和T3，记录对应的三组光强比的信息。带入公式3求解即可得到三个参数的标定值。装置如图2所示，包括DTS设备，光纤盲区，两个恒温水槽，参考光纤，传感光纤。DTS设备是采集光纤中背向散射的斯托克斯光和反斯托克斯光的功率的装置，恒温水槽是一个能保持水温恒定的装置，二者属于该领域的公知技术；光纤盲区是一段无法用作传感或标定的区域，该区域的长度受到探测器的影响；参考光纤是传感光纤中的一段，其长度大于系统空间分辨率，参考光纤盘成圆盘状置于恒温水槽内；传感光纤是普通的单模或多模光纤。

方法二：满足条件Z1≠Z2≠Z3，T1＝T2≠T3，其中Z1、Z2要有足够的距离差，T2、T3要有较大的温度差。我们取三个恒温水槽，在传感光纤始端取一段参考光纤、尾端取两段参考光纤分别放入恒温水槽中，参考光纤长度不能小于DTS系统空间分辨率。恒温槽1取温度T1，恒温槽2温度也是T1，恒温槽3温度T3，记录对应的三组光强比的信息。装置如图3所示，包括DTS设备，光纤盲区，三个恒温水槽，参考光纤，传感光纤。DTS设备是采集光纤中背向散射的斯托克斯光和反斯托克斯光的功率的装置，恒温水槽是一个能保持水温恒定的装置，二者属于该领域的公知技术；光纤盲区是一段无法用作传感或标定的区域，该区域的长度受到探测器的影响；参考光纤是传感光纤中的一段，其长度大于系统空间分辨率，参考光纤盘成圆盘状置于恒温水槽内；传感光纤是普通的单模或多模光纤。

方法二与方法一区别在于：方法二只需要一次采样即可标定三个参数的值，方法一需要恒温槽2分别取不同温度，所需时间比方法二多。但是方法二需要三个恒温水槽，复杂性高于方法一。

标定完成后，根据公式2，每一点温度可以通过对应的反斯托克斯光和斯托克斯光的比值解算出来。但是在系统长时间运行时，代表双通道光电特性不一致的Q参数会发生微小的温度漂移，影响最终的温度精度。我们在传感光纤始端Z0处取一段参考光纤，用铂电阻温度传感器实时监测参考光纤温度值T0，自校正装置如图4所示，包括DTS设备，光纤盲区，铂电阻温度传感器，参考光纤，传感光纤。DTS设备是采集光纤中背向散射的斯托克斯光和反斯托克斯光的功率的装置，属于该领域的公知技术；光纤盲区是一段无法用作传感或标定的区域，该区域的长度受到探测器的影响；铂电阻温度传感器是普通的电阻式温度传感器；参考光纤是传感光纤中的一段，其长度大于系统空间分辨率，参考光纤盘成圆盘状置于恒温水槽内；传感光纤是普通的单模或多模光纤。根据公式2对Q值进行实时校正，得到下式

$Q^{\′}=\ln \left[R\left(T_{0,}{z}_0\right)\right]-\frac{\mathrm{\β}}{T_0}-\mathrm{\α}\×z_0---\left(4\right)$

Q’为校正后的Q参数。公式4即是参数Q的自校正公式，通过对系统参数进行在线实时的自校正，可以使系统在长时间运行是保持较高的测量精度，极大节约了人力成本。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种用于分布式光纤测温系统的参数标定方法，其特征在于，所述参数标定方法将拉曼测温的解调公式进行了简化，得到下式：

$T=\frac{\mathrm{\β}}{\ln \left[R(T,z)\right]-Q-\mathrm{\α}\×z}$

提取了三个参数α、β、Q来概括分布式光纤测温系统特性，其中α代表斯托克斯光和反斯托克斯光的不等衰减特性，β代表散射光功率之比对温度的敏感系数，Q代表斯托克斯光和反斯托克斯光在DTS中的光电特性的不一致，z为测温点的位置，R(T,z)为某一测温点对应的斯托克斯光与反斯托克斯光强之比；从而所述参数标定方法把分布式光纤测温系统特性简化为三个参数α、β、Q，其中参数α和β是光纤的固有性质，基本不随脉冲激光功率和光电探测器放大倍数的变化而变化，参数Q对DTS系统的光电特性变化比较敏感，需要在使用过程中校准，标定出这三个参数之后，便能够根据拉曼测温的解调公式解调出温度与散射光功率之比的关系，所述的参数标定方法需要二或三个恒温槽标定参数α、β、Q；

具体的，参数标定方法分为两种：1、使用两个恒温槽，两个恒温槽间距需要足够大，标定时一个恒温槽温度不变，另一个恒温槽需要分别保持两个温度；2、使用三个恒温槽，其中的两个恒温槽间距需要足够大，且至少有一个恒温槽与其它两个温度不同。

2.根据权利要求1所述的一种用于分布式光纤测温系统的参数标定方法，其特征在于：用于参数标定的光纤长度必须大于测温系统的空间分辨率。

3.根据权利要求1所述的一种用于分布式光纤测温系统的参数标定方法，其特征在于，通过实验验证，将参数α、β、Q按照稳定性分为两类：参数α和β是光纤的固有性质，稳定性好；参数Q对DTS系统的光电特性变化比较敏感，稳定性差。

4.一种用于分布式光纤测温系统的自动校准方法，其特征在于，在完成权利要求1至3任一项所述的用于分布式光纤测温系统的参数标定方法完成后，使用铂电阻温度传感器对一段参考光纤进行实时温度监测，在已知参数α和β的前提下，对参数Q进行实时校准；

标定完成后，根据公式

每一点温度可以通过对应的反斯托克斯光和斯托克斯光的比值解算出来，但是在系统长时间运行时，代表双通道光电特性不一致的Q参数会发生微小的温度漂移，影响最终的温度精度，在传感光纤始端Z0处取一段参考光纤，用铂电阻温度传感器实时监测参考光纤温度值T0，自校正装置，包括DTS设备，光纤盲区，铂电阻温度传感器，参考光纤，传感光纤，DTS设备是采集光纤中背向散射的斯托克斯光和反斯托克斯光的功率的装置；光纤盲区是一段无法用作传感或标定的区域，该区域的长度受到探测器的影响；铂电阻温度传感器是普通的电阻式温度传感器；参考光纤是传感光纤中的一段，其长度大于系统空间分辨率，参考光纤盘成圆盘状置于恒温水槽内；传感光纤是普通的单模或多模光纤，根据公式

对Q值进行实时校正，得到下式

$Q^{\′}=\ln \left[R(T_0,z_0)\right]-\frac{\mathrm{\β}}{T_0}-\mathrm{\α}\×z_0$

Q’为校正后的Q参数，公式

即是参数Q的自校正公式，通过对系统参数进行在线实时的自校正，可以使系统在长时间运行是保持较高的测量精度，极大节约了人力成本。

5.根据权利要求4所述的一种用于分布式光纤测温系统的自动校准方法，其特征在于，用于自动校准的光纤长度必须大于测温系统的空间分辨率。

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