CN104568228B

CN104568228B - Dts系统衰减系数不同时标定方法

Info

Publication number: CN104568228B
Application number: CN201510000670.8A
Authority: CN
Inventors: 李润春; 陆依成; 刘统玉; 李连庆; 张永庆; 刘彬; 马良柱; 侯墨语
Original assignee: SHANDONG MICRO-SENSOR PHOTONICS Ltd
Current assignee: SHANDONG MICRO-SENSOR PHOTONICS Ltd
Priority date: 2015-01-04
Filing date: 2015-01-04
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2035-01-04
Also published as: CN106353009B; CN104568228A; CN106353009A

Abstract

一种DTS系统衰减系数不同时标定方法，主要解决DTS系统中衰减系数较难准确获取的问题。通过在光纤末端增加一全光范围内高反射镜，波长范围在1400nm‑1700nm，在光纤同一位置获取不同时刻，第一次背向拉曼散射，第二次反射镜反射回来的激光产生的拉曼散射，拉曼散射产生的原始数据，该原始数据包含斯托克斯信号和反斯托克斯信号，然后计算出该光纤的衰减系数差。该装方法最大的优点是不需要知道测量的温度即可获取衰减系数，解决了工程应用中的衰减系数较难准确获取的问题，提高了系统的测量精度。

Description

DTS系统衰减系数不同时标定方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤温度传感系统（DTS），特别涉及DTS系统衰减系数不同时标定方法。

背景技术

测温光缆产生拉曼散射时，由于斯托克斯光和反斯托克斯光波长相差大于200nm,它们的衰减系数一般并不相同.而这种衰减系数的不同对DTS温度分布影响很大，理论分析和至今为止的系统结构表明这是DTS系统对测量精度影响最大的因素之一。因此，DTS系统必须对由此造成的影响进行标定。

当忽略衰减系数的影响或当传输距离为零时，温度计算公式为：

（1）

这里：T_m是由APD信号直接计算得到的温度值， T₀是参考光纤的温度值；Ｉ_s（Ｔ_０）是参考光纤斯托克斯光强；Ｉ_a（Ｔ_０）是参考光纤反斯托克斯光强；Ｉ_s（Ｔ_m）是测量光纤斯托克斯光强；Ｉ_a（Ｔ_m）是测量光纤反斯托克斯光强；

，其中h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，△v为拉曼频移，在石英光纤中，实际上，当信号从测试点传输至APD处，由于信号的衰减其数值就变为：

（2）

这里，P₀是原始功率，P_x是传输了距离为x以后的功率，l是衰减相关的系数（并不是衰减系数，因单位不同），x为距离。由此我们可以得到在衰减系数不同时的温度计算公式：

（3）

这里， T_r为准确温度值，T_m是由APD信号直接计算得到的温度值，A_a和A_s分别是在Anti-Stokes 和Stokes 波长下的衰减系数，单位是dB/km,X是距离,C₀是一常数：0.23026

由公式（3）可以看出，当衰减系数相同时，T_r等于T_m。而当衰减系数不同时，其对结果的影响程度决定于衰减系数的差值，距离以及计算得到的温度。也就是说，衰减系数差别越大，或者距离越远，再或者测试点的温度越高，其受到的影响也就越大。

设(A_a－A_s)为Cat,由公式（3）也可以看出，当Cat不等于零时，温度T随光纤长度方向（X方向）就不再水平，其倾斜程度直接决定于Cat的绝对值。由于目前市场上的光纤在斯托克斯和反斯托克斯波长处的衰减系数没有实施标准，因此光纤同一批次、光纤批次与批次之间，甚至同一批次不同位置处的衰减系数并不相同。实际试验表明这种差别比较大或非常大，要得到准确的DTS系统，必须对系统进行标定。

理论和目前市场上的系统都表明：要标定Cat，严格地说必须知道温度沿长度方向的准确分布。假定Cat在整个长度上相同（在一定情况下能够成立），标定可以简化为测量在一定位置处的准确温度分布即准确位置和温度。同时，由于不可避免的信号噪声和各种误差因素，系统标定需要一定数量点的准确温度分布，才有可能实现所需的系统精度（系统要求的精度越高，标定所需要的点数就越多）。要准确得到准确位置的准确温度，必须在现场进行准确测量，这在许多实际使用现场可能比较难以实现。另一方面，当需要准确温度分布（位置和温度）的点数比较多时，实现起来就比较困难，至少比较费时。这种时间上的不同就会增加系统标定难度或结果不准确性，因为在测量其它点的位置和温度时已测量的点的温度可能已经发生改变（参考光纤的温度也可能发生了改变）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种DTS系统衰减系数不同时标定方法。

本发明所采取的技术措施是：一种DTS系统衰减系数不同时标定方法，其特征是该DTS系统包含DTS主机和与高反射镜，还有连通DTS主机和高反射镜之间光路的测温光缆、62.5/125um测温光缆末端耦合的高反射镜（波长范围在1400nm-1700nm）.该方法的主要步骤是：

1）DTS主机第一次获取激光脉冲在测温光缆中产生的背向拉曼散射中包含斯托克斯光强和反斯托克斯光强的原始数据。定义反斯托克斯与斯托克斯衰减系数之差为Cat，计算任意一点的温度值T_r；

2）DTS主机第二次获取高反射镜反射回来的激光脉冲产生的的拉曼散射含斯托克斯光强与反斯托克斯光强的原始数据，定义反斯托克斯与斯托克斯衰减系数之差为Cat’,根据计算任意一点的温度值T_r’；

3)根据同一位置、较短时间内的温度不变，衰减系数也不变，即Cat=Cat’, T_r=T_r’.计算获取DTS系统衰减系数。

本方案的具体特征还有，全光范围内反射镜必须对波长为1550nm光、波长为1660nm斯托克斯光、波长为1450nm反斯托克斯光具有高反射能力。

本方案还提供一种DTS系统衰减系数不同时标定方法，其特征是将同一段光纤首尾两端分别接入带有光开关的DTS系统中以形成第一通道和第二通道，DTS主机分别获取第一通道、第二通道中含斯托克斯光强、反斯托克斯光强的原始数据，根据同一位置、较短时间内的温度不变，衰减系数也不变，做对比可计算获得DTS系统衰减系数。

本发明的有益效果是:

1、传统获取DTS系统衰减系数的方法都是基于温度准确测量的，且必须保证温度保持恒定的条件下，而本发明不需要知道温度参数，直接摒除温度变量对于结果的影响，这样测量的结果误差小，精度提高。

2、本发明的优点是不需要知道光纤沿长度方向的温度分布，就可以准确计算出光纤上每点的衰减系数，这样就可以掌握整根光缆的衰减系数信息，非常有利于温度的精确计算。

3、DTS系统在工程安装之后，由于光缆的型号、批次、敷设环境等改变，实验室标定的参数在现场应用时差别很大，特别是衰减系数的标定对于结果的影响重大，因此，很有必要准确获取DTS系统的衰减系数。本发明的优点是只需要在光纤末端简单的处理，经软件计算即可获取衰减系数，大大节省了人力和物力，提高了测量精度，也提高了工作效率。

在光纤尾端实现对3个波长（原始脉冲光，斯托克斯和反斯托克斯）的高反射，这样，当脉冲光到达终点后会沿原路返回，在返回的过程中会得到相应的斯托克斯和反斯托克斯信号。由于原路返回的斯托克斯和反斯托克斯经过了完全相同的光纤并在非常短的时间内完成，它们在同一位置的温度和衰减系数（及之差C_at）完全相同。这种完全相同的温度就给我们提供了准确计算C_at的可靠方法。理论分析表明（推导过程略），C_at可以通过下面的公式计算得到：

(4)

式中是正向传输时在位置j处的信号比值；

是反向传输时在位置j处的信号比值；

JLen是光纤长度；

C₀是与公式（3）相同的常数。

理论分析表明，用这种方法标定（计算）C_at并不需要知道温度分布，这将极大地简化了系统标定过程。并且，理论分析还表明，用这种方法标定C_at时可以得到任何一点的C_at值，也就是说，并不需要假定C_at沿长度方向不变，从而具有更大的适用性。

附图说明

图1是第一次获取DTS系统激光脉冲产生拉曼背向散射示意图。图2是第二次获取反射激光脉冲产生拉曼散射光强示意图。图3是同一根光缆首尾分别接入DTS主机的第一和第二通道示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种DTS系统衰减系数不同时标定方法，其特征是该DTS系统包含DTS主机和与高反射镜，还有连通DTS主机和高反射镜之间光路的62.5/125um测温光缆，62.5/125um测温光缆末端耦合的高反射镜波长范围在1400nm-1700nm.该方法的主要步骤是：

1）DTS主机第一次获取激光脉冲在测温光缆中产生的背向拉曼散射中包含斯托克斯光强和反斯托克斯光强的原始数据，定义反斯托克斯与斯托克斯衰减系数之差为Cat，计算任意一点的温度值T_r；

2）DTS主机第二次获取高反射镜反射回来的激光脉冲产生的的拉曼散射含斯托克斯光强与反斯托克斯光强的原始数据，定义反斯托克斯与斯托克斯衰减系数之差为Cat’,计算任意一点的温度值T_r’；

3)根据同一位置、较短时间内的温度不变，衰减系数也不变，即Cat=Cat’, T_r=T_r’。计算获取DTS系统衰减系数。

本方案的具体特征还有，高反射镜必须对波长为1550nm光、波长为1660nm斯托克斯光、波长为1450nm反斯托克斯光具有高反射能力。

假设光纤的总长度为JLen,第一次测量时X_j处真实温度为T_r, 计算温度为T_m；

第二次测量时X_j处真实温度为T_r’,计算温度为T_m’。

DTS主机第一次获取激光脉冲在测温光缆中产生的背向拉曼散射中包含斯托克斯光强和反斯托克斯光强的原始数据，定义反斯托克斯与斯托克斯衰减系数之差为Cat，计算任意一点的温度值T_r；

DTS主机第二次获取高反射镜反射回来的激光脉冲产生的的拉曼散射含斯托克斯光强与反斯托克斯光强的原始数据，定义反斯托克斯与斯托克斯衰减系数之差为Cat’,根据计算任意一点的温度值T_r’

根据同一位置、较短时间内的温度不变，衰减系数也不变，即Cat=Cat’, T_r= T_r’.做对比可计算获取DTS系统衰减系数。所以

DTS标定主要内容如下：

DTS系统搭建之后，需要对光纤沿距离方向的温度系数Crs、插损系数Closs光缆衰减系数Cat进行标定。其中，Crs表示计算出来T_r系数，为温度的斜率，Closs表示该项的常数项，为仪器内部通道内的插损，整根光缆处于比较恒定温度环境下。比如，常温下水槽，称为低温区。在光缆尾部盘至少3米的光纤，然后放在恒温水槽中，恒温水槽的温度要高于环境温度，如环境温度为25℃，恒温水槽设定80℃，称为高温区。高温恒温水槽温度恒定以后，输入低温区光缆起始位置、终止位置及常温下水槽的温度值，再输入高温区光缆起始位置、终止位置及高温区水槽的温度值。结合Cat标定方法，计算Crs、Closs及Cat系数。

实施例2：

本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于一种DTS系统衰减系数不同时标定方法：同一段光纤首尾两端分别接入带有光开关的DTS主机，首段接入第一通道，尾端接入第二通道，通过较短时间内光开关切换，DTS主机分别获取第一通道、第二通道中含斯托克斯光强、反斯托克斯光强的原始数据，根据同一位置、较短时间内的温度不变，衰减系数也不变，做对比也可计算获取衰减系数。

Claims

1.一种DTS系统衰减系数不同时标定方法，其特征是该DTS系统包含DTS主机和与高反射镜，还有连通DTS主机和高反射镜之间光路的62.5/125um测温光缆, 62.5/125um测温光缆末端耦合的高反射镜的波长范围在1400nm-1700nm，它包括如下步骤：

2）DTS主机第二次获取高反射镜反射回来的激光脉冲产生的拉曼散射含斯托克斯光强与反斯托克斯光强的原始数据，定义反斯托克斯与斯托克斯衰减系数之差为Cat’,计算任意一点的温度值T_r’；

3)根据同一位置、较短时间内的温度不变，衰减系数也不变，即Cat=Cat’, T_r= T_r’；计算获取DTS系统衰减系数。

2.根据权利要求1所述DTS系统衰减系数不同时标定方法，其特征是高反射镜必须对全光范围内波长为1550nm光、波长为1660nm斯托克斯光、波长为1450nm反斯托克斯光具有高反射能力。