CN104596670A - 一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法 - Google Patents

Abstract

一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法，其实现主要依赖于动态温度取样模块的设计、动态取样校正方法的开发以及小波分析方法的应用。利用温度探测模块获得的取样光纤盒内的温度数据以及采集卡采集的相对于取样光纤区域的参考数据和相对于传感光纤区域的传感数据，运用本发明提出的动态取样校正方法，可使系统在-25℃到45℃的温度变化范围内稳定地工作，解决因环境温度变化或者是系统内元器件间微小串扰引起的温度漂移问题。小波分析方法的具体应用有效提高了系统的测温精度，保证了系统的测温误差在±1℃以内。

Description

一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法

技术领域

本发明涉及一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法，特别是涉及可使系统在-25℃到45℃环境温度变化下稳定运行的动态温度取样模块与动态取样校正方法的联合开发以及小波分析方法在分布式光纤拉曼温度传感系统中的具体应用。

背景技术

分布式光纤拉曼温度传感系统(DTS)是基于自发拉曼散射(Raman Scattering)原理，实现对光纤沿线区域温度的测量，光纤既作为温度信息的传感介质，又作为温度信息的传输介质，运用光时域反射(OTDR)技术能精确的确定温度信息的位置。

入射光进入光纤后，光纤中的光学光子和光学声子发生非弹性碰撞，产生对温度敏感的拉曼散射。在非弹性碰撞过程中，由入射光释放一个高频声子形成的光分量称为斯托克斯(Stokes)光，其波长大于入射光的波长，由入射光吸收一个高频声子后形成的光分量称为反斯托克斯(Anti-Stokes)光，其波长小于入射光的波长，反斯托克斯光对温度敏感，其强度受温度调制，而斯托克斯光的光强受温度影响极小。因此，把反斯托克斯光作为信号光，斯托克斯光作为参考光，通过两者光强的比值解调出传感区域的温度信息，同时可以有效地消除光纤传输损耗、熔接损耗、光纤接头损耗以及弯曲损耗等造成的影响。

当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、弯曲或其他类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光将经过同样的路径延时返回到入射端。光是域反射(OTDR)技术根据入射信号与其返回信号的时间差τ，利用L＝cτ/2n计算上述事件点与OTDR设备的距离L，从而确定事件发生的具体位置，其中，c是光在真空中的传播速度，n为光纤纤芯的有效折射率。

典型的分布式光纤拉曼温度传感系统，包括脉冲激光光源，其输出光经波分复用器进入传感光纤，返回的拉曼后向散射光再由波分复用器进行分光及滤波，得到的斯托克斯光和反斯托克斯光经过由反向偏置电路驱动的雪崩二极管进行光电转换和放大，生成的电信号由高速数据采集卡同步采集、累加，最后交由上位机进行相关的数值运算和数字信号处理，实现对待测区域温度的分布式测量。

分布式光纤拉曼温度传感系统在环境温度变化下运行的稳定性是衡量系统性能的重要指标之一。现有技术已逐步达到对光源、波分复用器、光电转换放大器的稳定性控制，脉冲光源采用自动功率控制(APC)技术保障光源输出功率的长期稳定性，采用自动温度控制(ATC)技术维持光源工作环境温度的稳定；波分复用器使用隔热性较好的材料进行封装，防止温度变化时分光器波长的漂移；光电转换放大器中的雪崩光电二极管对温度的变化较为敏感，它的增益随温度的升高而降低，随温度的降低而增大，依据这一特性，国内发明专利(CN101551280A)公开了一种可以利用温敏元件的反馈信息调节其供电电压，从而保证环境温度变化时APD光电转换倍乘因子不变。以上技术的应用对分布式光纤拉曼温度传感系统稳定性的提高起到了重要的作用，但是以上技术只是使各模块的温度效应在有限范围内得到补偿，系统中的其它器件的工作性能还是会受到温度变化的影响。为从系统整体上消除这种影响，可将系统放置到可控恒温箱内，但增加了系统的成本、牺牲了系统的灵活性，而且对于温度变化较快的应用环境，动态响应速度较差，同时无法排除系统中各元器件的微小串扰对系统稳定性的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法。本发明可从系统整体角度动态解决因温度变化以及系统内元器件间微小串扰引起的系统温度漂移、失准现象，从而提高了系统的稳定性，减小了系统测温误差。

本发明所采用的技术方案是：改进后的分布式光纤拉曼温度传感系统如图1所示，其特点是：包括脉冲激光光源，与脉冲激光光源的输出端连接的光波分复用器，与光波分复用器连接的取样光纤盒，与取样光纤盒输出端相连的传感光纤，与光波分复用器相连的两个光电转换放大器，分别与脉冲激光光源触发端、两个光电转换放大器输出端相连的高速数据采集卡，与高速数据采集卡输出端相连的工控主机，与工控主机相连的温度探测模块以及存储于工控主机内的上位机软件。

所述脉冲激光光源的光功率、脉冲宽度以及重复频率可调；光波分复用器为光栅型波分复用器，由隔热性较好的热塑性高分子材料(ABS)封装；光电转换放大器是由反向偏置电路驱动的雪崩光电二极管进行光电转换及放大；高速数据采集卡由脉冲激光光源触发，完成对斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号的同步采集，将输入的模拟信号转换为数字信号。

一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法，涉及了一种光纤取样盒以及温度探测模块的设计：光纤取样盒用于封装取样光纤以及感温探头(Pt1000)，内部由导热硅脂填充，光纤取样盒的设计以简单、可靠、易于后期故障检测为主要原则；温度探测模块用于驱动Pt1000完成对取样光纤盒内温度的实时测量，通过探测到的温度数据以及取样光纤区域的两路光子数比值为如下所述的动态取样校正方法提供可靠的数据依据。

一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法，涉及了一种动态取样校正方法的开发，动态取样校正方法的执行流程图如图2所示：将高数数据采集卡采集到的两路数据各分为两部分，一部分是相对于取样光纤盒区域的取样数据，另一部分是相对于传感光纤区域的传感数据，当系统在T₀温度下完成标定后，如果环境温度变化或者是系统内元器件间的微小串扰等因素造成系统温度漂移、失准等不稳定现象，可根据温度探测模块探测到的取样光纤盒内的温度数据T₁以及在T₀温度下的定标公式反演出该温度下光纤盒内各点应该对应的斯托克斯与反斯托克斯光子数的比值C₁，通过该比值与采集卡采集到的取样光纤盒处两路光子数的比值A₁，校正由采集卡采集到的传感区域两路光子数的比值B₁，将校正后的比值D₁带入定标公式，可正确的反映被测区域的温度值T，达到消除系统温度漂移的目的。

一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法，涉及了小波分析方法在分布式光纤拉曼温度传感系统信号处理中的应用。小波阈值去噪的执行流程如图3所示：针对系统的原始数据特征，选择适合的小波分析基函数对原始含噪信号进行多尺度分解，分解成分包含信号的近似系数(低频成分)和细节系数(高频成分)，噪声信号通常为高频信号，通过软阈值函数选择合适的去噪阈值，完成对信号中高频成分的处理，再利用小波逆变换重构信号，获得消噪后的原始信号。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：

(1)相比于采用恒温装置控制的方法，该方法对环境温度的变化动态响应速度快，成本投入少，系统体积小，系统维护方便。

(2)运用动态温度取样模块与动态取样校正方法的联合开发，形成对系统的闭环反馈调制，结构设计简单、可靠，算法鲁棒性强，系统功耗小。

(3)从整体角度动态维持系统工作稳定，不仅解决温度变化对系统稳定的影响而且排除系统内元器件间微小串扰对系统稳定性的影响。

(4)使系统的正常工作温度范围扩大到-25℃～45℃，更适合系统的工程化应用。

(5)采用小波分析方法去除噪声信号，提升了系统的测温精度，维持系统测温误差在±1℃以内。

附图说明

图1改进后的分布式光纤拉曼温度传感系统结构图。

图2动态取样校正方法的执行流程图。

图3小波阈值去噪的执行流程图。

图4取样光纤盒结构图。

图5取样光纤盒内绕纤柱结构图。

图6取样光纤盒的底座结构图。

图7温度探测模块的结构框图。

图8系统采用动态取样校正方法前稳定性效果图。

图9系统采用动态取样校正方法后稳定性效果图。

图10小波阈值去噪前温度信号效果图。

图11小波阈值去噪后温度信号效果图。

具体实施方式

一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法的具体实现方式主要可分为系统器件设计、温度解调公式标定、动态取样校正方法的实施、信号消噪。

1、系统器件设计

(1)脉冲激光光源由高速脉冲驱动电路驱动，根据LD背向光功率值由自动功率控制电路稳定光源输出功率，由自动温度控制电路维持LD工作温度稳定，脉冲激光光源的光功率、脉冲宽度以及重复频率可调，其光功率的可调范围为0mW～10mW，脉冲宽度的可调范围为5ns～1000ns，重复频率的可调范围为1KHz～10KHz。光经由隔离器输出，以减小光路中回光对激光器的损害。

(2)光波分复用器为光栅型波分复用器，由4端口环形器、中心波长分别为1450nm、1663nm的光纤光栅、滤波片组成。插入损耗小，隔离度高，通带内平坦，带外损耗变化陡峭，由隔热性较好的热塑性高分子材料(ABS)封装，减小因温度变化引起的光栅中心波长漂移，保证WDM的分光精度。

(3)光电转换放大器是由反向偏置电路驱动的雪崩光电二极管进行光电转换及放大，模块内由温敏元件感知雪崩光电二极管的温度，依照雪崩光电二极管的温度与放大倍数的关系，反馈调节雪崩光电二极管的反向偏置电压，维持其光电转换倍乘因子不变。

(4)高速数据采集卡由脉冲激光光源触发，完成对光电转换后的斯托克斯与反斯托克斯光信号的同步采集，采用硬件实时累加平均技术实现了微弱信号的增强采集，将输入的模拟信号转换为数字信号，通过工控主机的PCI总线为上位机程序提供数据源。

(5)取样光纤盒如图4所示，取样光纤盒材质为导热性良好的金属，主要由上盖板、底座、保护壁、绕纤柱组成，绕纤柱如图5所示，其上缠绕长约50m的单模光纤，与热敏电阻一并放置，柱体与封装盒间由导热硅脂填充，底座如图6所示，其上留有导纤槽、绕纤柱导向槽、热敏电阻放置槽。

(6)温度探测模块的结构如图7所示，Pt1000阻值的变化与温度的变化呈线性关系，温度探头(Pt1000)由恒流源控制电路驱动，使Pt1000上产生的压降只与它自身阻值有关，通过检测电压值的变化，由微控制单元(MCU)完成温度信息的计算，最后经过外部电气接口传输至计算机。

2、温度解调公式标定

在拉曼散射中，距入射光L处的Anti-Stokes和Stokes光子数分别为

$N_{\mathrm{as}}=K_{\mathrm{as}}S{\mathrm{\ν}}_{\mathrm{as}}^4{N}_c\exp [-(a_0+a_{\mathrm{as}})L]R_{\mathrm{as}}\left(T\right)---\left(1\right)$

$N_s=K_{s}S{\mathrm{\ν}}_s^4{N}_c\exp [-(a_0+a_s)L]R_s\left(T\right)---\left(2\right)$

式中，K_as、K_s分别为与光纤Anti-Stokes和Stokes散射截面相关的系数；S为光纤的背向散射因子；v_as、v_s分别为Anti-Stokes和Stokes拉曼散射光子的频率；N_c代表光纤入射端的脉冲光子数；a₀、a_as、a_s分别代表入射光、Anti-Stokes光、Stokes光在光纤中传输的损耗；L为所测位置距入射光位置的长度；R_as(T)、R_s(T)为与光纤分子低能级与高能级粒子数分布有关的系数，公式(3)、(4)是Anti-Stokes和Stokes背向拉曼散射的温度调制函数

R_as(T)＝[exp(hΔν/kT)]^-1    (3)

R_s(T)＝[1-exp(-hΔν/kT)]^-1    (4)

式中，h为普朗克常量，h＝6.626×10^-34J·s，Δv为拉曼频移，Δv＝1.32×10¹³Hz，k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J·K^-1，T是热力学温度。

取T₀为基准温度，由式(1)、(2)、(3)、(4)可得

$\frac{N_a\left(T\right)N_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)}{N_{\mathrm{as}}\left(T\right)N_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)}=\exp \left[\frac{\mathrm{h\Δ\ν}}{k}(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T})\right]---\left(5\right)$

由于N_as(T)、N_a(T)、N_as(T₀)和N_a(T₀)可由经光电转化后的电压值表示，从而可以得到各位置的温度T。

3、动态取样校正方法的实施

利用温度探测模块探测的取样光纤区域的实际温度T₁，通过公式(6)的反演，计算出该温度下所对应的Anti-Stokes和Stokes光子数的比值。根据这一比值以及采集卡采集到的取样光纤区域的两路光子数比值N′_as(T)/N′_a(T)，校正由采集卡采集到的传感光纤区域的两路光子数比值N″_as(T)/N″_a(T)，将校正后的比值带入公式(6)，即可得到修正后的温度信息，从而达到消除干扰，提高系统稳定性的目的。

动态取样校正方法的实现：若温度探测模块测得的取样光纤温度为T₁，可通过公式(6)得到

$\frac{N_{\mathrm{as}}\left(T_1\right)}{N_s\left(T_1\right)}=\frac{N_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)}{N_s\left(T_0\right)}\exp {\left[\frac{\mathrm{h\Δ\ν}}{k}(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T_1})\right]}^{-1}---\left(7\right)$

若采集卡采集到的取样光纤和传感光纤的光子数比值分别为N′_as(T)/N′_a(T)和N″_as(T)/N″_a(T)，根据动态取样校正原理可得到校正后的传感光纤的光子数比值为

$\frac{N_{\mathrm{as}}\left(T\right)}{N_s\left(T\right)}=\frac{N_{\mathrm{as}}\left(T_1\right)N_s^{\′}\left(T\right)N_{\mathrm{as}}^{\′\′}\left(T\right)}{N_s\left(T_1\right)N_{\mathrm{as}}^{\′}\left(T\right)N_s^{\′\′}\left(T\right)}---\left(8\right)$

再将式(8)代入式(6)计算出校正后的温度：

$T=1/(\frac{1}{T_0}-\frac{k}{\mathrm{h\Δ\ν}}\ln [\frac{N_s\left(T_1\right)N_{\mathrm{as}}^{\′}\left(T\right)N_s^{\′\′}\left(T\right)N_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)}{N_{\mathrm{as}}\left(T_1\right)N_s^{\′}\left(T\right)N_{\mathrm{as}}^{\′\′}\left(T\right)N_a\left(T_0\right)}\left]\right)---\left(9\right)$

如图8和图9所示为将系统机箱放置于温度依次设定为-25℃、-15℃、-5℃、5℃、15℃、25℃、35℃、45℃的恒温恒湿箱中，传感光纤放置于温度设定为21.5℃的恒温水槽时，系统采用动态取样校正方法前后，第1500m处传感光纤的100组温度数据变化情况。

4、信号消噪

为了获得更加精准的温度信息，我们运用小波分析方法对采集卡采集到的原始信号进行去噪处理。一个含有噪声的一维信号模型可表示为

s(i)＝f(i)+δ*e(i)  i＝0,1,2,3…,n-1    (10)

s(i)为含噪信号，f(i)为有用信号，e(i)为噪声；在实际应用中，有用信号一般表现为平稳信号或低频信号，噪声通常表现为高频信号。使用小波变换将原始信号s变换成小波系数w，w＝[w_a，w_d]，w_a为近似系数，包含信号的低频成分，w_d为细节系数，包含信号的高频成分，通过抑制s(i)信号中的高频成分，经小波重构后，可恢复出信噪比较高的有用信号。

对于任意的函数f(t)∈L²(R)的连续小波变换为

${\mathrm{WT}}_f(a,b)=<f,{\mathrm{\&phi;}}_{a,b}>=\frac{1}{\sqrt{\left|a\right|}}{\&Integral;}_{R}f\left(t\right)\mathrm{\&phi;}*\left(\frac{t-b}{a}\right)\mathrm{dt}---\left(11\right)$

其中，φ(t)为分析宽度不断变化的基函数(母小波)，对伸缩因子a，平移因子b离散化后，可得离散小波变换为

${\mathrm{WT}}_f(a_0^j,{\mathrm{kb}}_0)=\&Integral;f\left(t\right){\mathrm{\&phi;}}_{a_0^j,{\mathrm{kb}}_0}^{*}\left(t\right)\mathrm{dt},j=\mathrm{0,1,2},...,k\&Element;Z---\left(12\right)$

针对分布式光纤拉曼温度检测系统的原始信号特征，本发明使用了小波阈值去噪方法对原始信号进行去噪：

首先，使用wavedec函数运用sym5基小波函数对信号进行多尺度分析，输出的分解结构中包含小波分解向量C和相应的记录向量L，其中分解向量C中包含了原始信号的低频成分和高频成分。

[C,L]＝wavedec(s(i),5,′sym5′)    (13)

然后，依据信号s(i)和阈值选择标准tptr，使用thselect函数选取用于小波去噪的阈值Thr。使用wthresh函数，根据阈值Thr，采用软阈值处理方法得到阈值处理结果Y:

Thr＝thselect(s(i),tptr)    (14)

Y＝wthresh(C,‘s’,Thr)    (15)

最后，使用waverec函数运用sym5基小波函数进行一维多尺度小波重构，返回去噪后的信号X:

X＝waverec(Y,L,‘sym5’)    (16)

经过小波去噪，原始信号的信噪比有明显地提升，有效地提高了分布式光纤拉曼温度传感系统的测温精度，减小了系统的测温误差，如图10和图11所示为系统在环境温度22.7℃下，对传感光纤3325m到3355m处进行升温实验的小波去噪前后温度信号效果对比图。

本发明的提出及应用，提升了系统的整体性能指标，使系统可在-25℃到45℃温度变化范围内稳定地进行分布式温度测量，提高了系统测温精，减小了系统测温误差，推进了分布式光纤拉曼温度传感系统的工程化发展。

Claims (8)

1.一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法，其特征是：该方法的实现主要依赖于动态温度取样模块的设计、动态取样校正方法的开发以及小波分析方法的应用。

2.根据权利要求1所述的一种解决分布式光纤拉曼温度传感系统温度漂移的方法，其特征在于所述的动态温度取样模块是由取样光纤盒和温度探测模块构成，其作用是为动态取样校正方法提供可靠的基准数据。

3.根据权利要求2所述的取样光纤盒，其特征在于取样光纤盒的材质为导热性良好的金属，由上盖板、保护壁、底座和绕纤柱组成，绕纤柱用于缠绕一定长度的取样光纤，其半径大于2倍的光纤弯曲损耗半径，底座上留有热敏电阻放置槽、导纤槽、绕纤柱导向槽，取样光纤盒剩余空间由导热硅脂填充。

4.根据权利要求2所述的温度探测模块，其特征在于所述的温度探测模块是由Pt1000热敏电阻、三线制恒流源驱动电路、信号放大调理电路、A/D转换电路、MCU微控单元以及对外电器接口依次连接组成，Pt1000的阻值变化与温度变化呈线性关系，温度探头(Pt1000)由恒流源控制电路驱动，使Pt1000上产生的压降只与它自身阻值有关，通过检测电压值的变化，由微控制单元(MCU)完成温度信息的计算，最后经过外部电气接口传输至计算机。

5.根据权利要求1所述的动态取样校正方法，其特征在于它的具体实现方式为：将高数数据采集卡采集到的两路数据分为两部分，一部分是相对于取样光纤盒的取样数据，另一部分是相对于传感光纤区域的传感数据，当系统在T₀温度下完成标定后，如果环境温度变化或者是系统内元器件间的微小串扰等因素造成系统温度漂移、失准等不稳定现象，可根据温度探测模块探测到的取样光纤盒内的温度数据T₁以及在T₀温度下的定标公式反演出该温度下光纤盒内各点应该对应的斯托克斯光与反斯托克斯光子数的比值C₁，通过该比值与采集卡采集到的取样光纤盒处两路光子数的比值A₁，校正由采集卡采集到的传感区域两路光子数的比值B₁，将校正后的比值数据D₁带入温度定标公式，从而获得被测区域的实际温度值T。

6.根据权利要求5所述的动态取样校正方法的具体实现方式，其特征是：经动态取样校正方法处理后温度解调的具体表达公式为：

$T=1/(\frac{1}{T_0}-\frac{k}{\mathrm{h\&Delta;v}}\ln [\frac{N_s\left(T_1\right)N_{\mathrm{as}}^{\&prime;}\left(T\right)N_s^{\&prime;\&prime;}\left(T\right)N_{\mathrm{as}}\left(T_0\right)}{N_{\mathrm{as}}\left(T_1\right)N_s^{\&prime;}\left(T\right)N_{\mathrm{as}}^{\&prime;\&prime;}\left(T\right)N_a\left(T_0\right)}\left]\right)$

其中，h为普朗克常量，h＝6.626×10^-34J·s，Δv为拉曼频移，Δv＝1.32×10¹³Hz，k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J·K^-1，T₀为标定时起始温度，T₀为测量时取样光纤区域温度，T为校正后实际测得温度，N_as(T₀)/N_a(T₀)为T₀温度下反斯托克斯与斯托克斯光子数比值，采集卡采集到的取样光纤区域和传感光纤区域的光子数比值分别为N′_as(T)/N′_a(T)和N″_as(T)/N″_a(T)，N_as(T₁)/N_a(T₁)为根据起始温度标定公式反演得到的T₁温度下的取样光纤的光子数比值。

7.根据权利要求1所述的小波分析方法的应用，其特征在于所述的小波分析方法，使用的小波基函数为sym5小波，去噪方法为小波阈值去噪，小波系数是根据拉曼背向散射信号特性，通过设计的软阈值函数处理获得。

8.根据权利要求7所述的小波分析方法，其特征在于它的执行流程为：首先，选择sym5小波对信号进行小波分解,并确定其分解的层次；其次，对小波分解得到的各个尺度下的高频系数进行阈值量化处理,去除属于噪声的小波系数；最后，利用低频系数和经处理后的各高频系数进行小波重构,得到降噪后的原始信号。