CN104748887A - 分布式光纤温度传感器及其温度三解调算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤温度传感器及其温度三解调算法，温度传感器包括测温光纤及由脉冲激光器、集成型光纤波分复用器、斯托克斯散射光光电转换放大模块、反斯托克斯散射光光电转换放大模块、数据采集卡及计算机组成的解调仪，集成型光纤波分复用器同时与脉冲激光器、测温光纤及两个光电转换放大模块连接，脉冲激光器、两个光电转换放大模块及计算机均与数据采集卡连接，而本发明涉及的解调算法由单一解调算法改进为三解调算法，即低温(低于0℃)、常温(0～120℃)和高温(高于120℃)设置传感器解调算法分别为三次曲线拟合公式解调、一次曲线拟合公式解调和二次曲线拟合公式解调。本发明的优点是在全温度范围内都能获得超高的测温精度。

Description

分布式光纤温度传感器及其温度三解调算法

技术领域：

本发明涉及温度传感器技术领域，具体讲是一种可以解决传统分布式光纤温度传感器常温测温精度高，而低温和高温测温精度低的问题，从而获得在全温度范围内高测温精度的分布式光纤温度传感器及其温度三解调算法。

背景技术：

1981年英国南安普顿大学率先提出分布式光纤温度传感器的概念，1983年由Hartog等人研制出具体的实验装置。1985年英国Dakin在实验室进行了分布式光纤温度传感器测温实验，其中光源是氖离子激光器；同年Hartog和Dakin用半导体激光器作为光源，分别独立研制出分布式光纤温度传感器实验装置。此后，分布式光纤温度传感器迅速发展，目前已经广泛应用于电力行业、煤矿领域、隧道、高速公路及地铁等方面，成为工业在线监控的重要手段。

当前分布式光纤温度传感器在常温温度范围监测时往往具有高测温精度，测温精度高达±1℃，目前少数高精度分布式光纤温度传感器测温精度甚至可达±0.5℃。但在低温和高温区域，分布式光纤温度传感器测温精度则迅速降低，高温300℃测温精度低至±5℃。稠油热采井下测温、焦炭塔测温等高温区域测温，温度高达350℃，当前分布式光纤温度传感器在高温区域的测温精度远远不能满足工业生产对温度监控的需求，急需开发全温度范围高测温精度分布式光纤温度传感器，以满足工程应用温度监测需求。

目前分布式光纤温度传感器温度解调算法为单一算法解调模式，只使用一次曲线拟合算法、二次曲线拟合算法、三次曲线拟合算法或者指数曲线拟合算法等解调算法中的一种，低温、常温和高温温度标定不分开，使用单一的解调系数。这种单一算法解调模式由于没有针对常温段拉曼散射比与温度的关系为线性，而低温和高温段拉曼散射比与温度的关系为非线性的特点，从而导致常温段测温精度高，低温和高温段测温精度低。另外，分布式光纤温度传感器传统单一解调算法标定不分段，而低温、常温和高温标定系数是有差异的，标定方法不分段，测温范围越大、标定范围越宽，测温精度就越低。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种能够获得在全温度范围内高测温精度的分布式光纤温度传感器。

本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种在低温(低于0℃)、常温(0～120℃)和高温(高于120℃)三个温度段分别设置三次曲线拟合公式解调、一次曲线拟合公式解调和二次曲线拟合公式解调这三种不同的解调算法以及与算法相对应的三种标定系数，从而解决传统分布式光纤温度传感器常温测温精度高，而低温和高温测温精度低的问题的温度三解调算法。

为了解决第一个技术问题，本发明提供一种具有以下结构的分布式光纤温度传感器，它包括测温光纤和解调仪，解调仪包括脉冲激光器、集成型光纤波分复用器、斯托克斯散射光光电转换放大模块、反斯托克斯散射光光电转换放大模块、数据采集卡以及计算机，集成型光纤波分复用器的两个输入端口分别与脉冲激光器和测温光纤连接，集成型光纤波分复用器的两个输出端口分别与斯托克斯散射光光电转换放大模块和反斯托克斯散射光光电转换放大模块连接，脉冲激光器、斯托克斯散射光光电转换放大模块、反斯托克斯散射光光电转换放大模块以及计算机均与数据采集卡连接。

为了解决第二个技术问题，本发明还提供一种利用本发明分布式光纤温度传感器采集到的数据进行的温度三解调算法，它包括以下步骤：

步骤a、用以下两个公式来定义由脉冲激光器(1)发出的激光脉冲入射到测温光纤(6)后产生的斯托克斯拉曼散射光子和反斯托克斯拉曼散射光子：

hν_s＝h(ν_p-△ν)

hν_a＝h(ν_p+△ν)

其中，上述两个公式中，ν_p,ν_s,ν_a分别为入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光频率，h为普朗克常数，h＝6.62606876.52x10^-34J.s，△ν为光纤的拉曼声子频率，△ν＝13.2THz；

步骤b、用以下两个公式来定义当脉冲激光器发出的激光脉冲在测温光纤中传输时每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量以及反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量：

${\mathrm{\φ}}_s=K_s\·S\·v_s^4\·{\mathrm{\φ}}_e\·R_s\left(T\right)\·\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_s)\·L]$

${\mathrm{\φ}}_a=K_a\·S\·v_a^4\·{\mathrm{\φ}}_e\·R_a\left(T\right)\·\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_a)\·L]$

其中，上述两个公式中，φ_e为入射到光纤的激光脉冲的光通量，φ_s、φ_α分别为斯托克斯光光通量和反斯托克斯光光通量，K_s和K_α分别为与光纤的斯托克斯散射及反斯托克斯散射截面有关的系数，S为光纤背向散射因子，v_s、v_α分别为斯托克斯光的频率及反斯托克斯光的频率，L为激光在光纤中传播的距离，α₀、α_s、α_α分别为入射光、斯托克斯光、反斯托克斯光在光纤中的平均传输损耗，R_s(T)、R_α(T)分别为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，是斯托克斯拉曼背向散射光与反斯托克斯拉曼背向散射光的温度调制函数。

R_S(T)＝[1-exp(-h△v/kT)]^-1

R_a(T)＝[exp(h△v/kT)-1]^-1

其中，上述两个公式中，h是普朗克常数，h＝6.62606876.52x10^-34J.s，△ν为光纤的拉曼声子频率，△ν＝13.2THz，k是波尔兹曼常数，k＝1.380650324x10^-23JK-1，T是凯尔文绝对温度；

步骤c、用Stokes Raman信号通道做参考，用Anti-Stokes和Stokes Raman的拉曼比值来解调温度，得到空间温度场的分布，推导如下：由以下两个公式

${\mathrm{\φ}}_a=K_a\·S\·v_a^4\·{\mathrm{\φ}}_e\·R_a\left(T\right)\·\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_a)\·L]$

${\mathrm{\φ}}_s=K_s\·S\·v_s^4\·{\mathrm{\φ}}_e\·R_s\left(T\right)\·\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_s)\·L]$

相除得到：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_a\left(T\right)}{{\mathrm{\φ}}_s\left(T\right)}=\frac{K_a}{K_s}\·{\left(\frac{v_a}{v_s}\right)}^4\·\frac{R_a\left(T\right)}{R_s\left(T\right)}\·\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_s)\·L]$

步骤d、根据以下公式

$\frac{{\mathrm{\φ}}_a\left(T\right)}{{\mathrm{\φ}}_s\left(T\right)}=\frac{K_a}{K_s}\·{\left(\frac{v_a}{v_s}\right)}^4\·\frac{R_a\left(T\right)}{R_s\left(T\right)}\·\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_s)\·L]$

中的拉曼比值和温度的关系，分别得出：

①低温段低于0℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：

$T=k_1{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^3+k_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+k_3\frac{I_a}{I_s}+k_0$

上述公式中，k₁为三次项比例系数，k₂为二次项比例系数，k₃为一次项比例系数，k_o为常数，I_a为反斯托克斯光的光强度，I_s为斯托克斯光的光强度；

②常温段0～120℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：

$T=m\frac{I_a}{I_s}+a$

上述公式中，m为比例系数，a为常数，I_a为反斯托克斯光的光强度，I_s为斯托克斯光的光强度；

③高温段高于120℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：

$T=n_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+n_1\frac{I_a}{I_s}+n_0$

上述公式中，n₂为二次项比例系数，n₁为一次项比例系数，n₀为常数，I_a为反斯托克斯光的光强度，I_s为斯托克斯光的光强度；

步骤e、制作一根定标光纤，并将定标光纤与脉冲激光器(1)连接，然后将定标光纤放置在恒温箱中，

其中，在低温范围-40℃～0℃时，每隔5℃设置一个标定点，利用以下公式

$T=k_1{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^3+k_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+k_3\frac{I_a}{I_s}+k_0$

进行三次曲线拟合公式标定，计算出三次项比例系数k₁、二次项比例系数k₂、一次项比例系数k₃及常数k₀；

在常温范围0℃～120℃时，每隔10℃设置一个标定点，利用以下公式

$T=m\frac{I_a}{I_s}+a$

进行一次曲线拟合公式标定，计算出比例系数m，常数a；

在高温范围120℃～350℃时，每隔20℃设置一个标定点，利用以下公式

$T=n_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+n_1\frac{I_a}{I_s}+n_0$

进行二次曲线拟合公式标定，计算出二次项比例系数n₂，一次项比例系数n₁，常数n₀；

步骤f、实际测温时，数据采集卡采集累加后的数据先由一次曲线拟合公式

$T=m\frac{I_a}{I_s}+a$ 逐点一一计算，

①若得到的温度值在0～120℃之间，则该点的温度值直接在计算机的图形界面上显示，并作为最终的结果值；

②若得到的某点温度值低于0℃，则该点所对应的采集累加后的原始数据重新交由三次曲线拟合公式来计算，计算后的温度值直接在计算机的图形界面上显示，并作为最终的结果值；

③若得到的温度值高于120℃，则该点所对应的采集累加后的原始数据重新交由二次曲线拟合公式计算，计算后的温度值直接在计算机的图形界面上显示，并作为最终的结果值；

所有点的值全部计算完毕并在在计算机的图形界面显示以后，整个温度解调过程结束。

本发明的优点是：本发明分布式光纤温度传感器依据拉曼比值与温度在不同温度范围曲线特点不同的原理，在低温、常温和高温三个温度段设置不同的温度解调算法，在全温度范围内获得超高的测温精度，彻底解决了常温段测温精度高、低温和高温段测温精度迅速降低的问题。利用分布式光纤温度传感器采集到的数据进行的温度三解调算法是在三个温度段分别设置不同的解调算法，解决在不同温度区间标定系数有差异造成的测温精度低的问题，在为三个解调算法标定的同时，也进行了温度区间的分段标定，从而提高了传感器的测温精度。三解调算法分布式光纤温度传感器在未增加任何设备成本的同时，大幅提高了分布式光纤温度传感器在全温度范围内的测温精度，具有非常重要的实用价值和经济价值。

本发明所述的温度三解调算法，其中，定标光纤采用聚酰亚胺涂层耐高温光纤，长度为500m，定标光纤一端制作有一个标准FC/APC跳线头，定标光纤绕制直径为15-30cm的光纤圈。常规光纤不能耐高温，无法进行高温范围标定，采用聚酰亚胺光纤作为定标光纤是根据本发明的要求特别采用的。另外，将定标光纤绕制直径为15-30cm的光纤圈是为了方便放置在恒温箱中进行三解调算法标定。

附图说明：

图1是本发明分布式光纤温度传感器的结构示意图；

图2是三解调算法分布式光纤温度传感器的制作流程图；

图3是拉曼比值和温度的关系图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明分布式光纤温度传感器及其温度三解调算法作进一步说明：

如图2所示，本发明将先从三解调算法定标光纤和分布式光纤温度传感器开始制作，接着进行三解调算法拟合系数标定，最后整机装配并运用三解调算法进行分布式测温。

本发明所用的定标光纤为裸光纤，可以是多模光纤也可以是单模光纤。定标光纤长度500m，定标光纤一端制作一个标准FC/APC跳线头，以和高速脉冲光源的FC/APC光纤输出接口相匹配，定标光纤绕制直径为15-30cm的光纤圈，以方便放置在恒温箱中进行三解调算法标定。定标光纤采用聚酰亚胺涂层耐高温光纤，聚酰亚胺涂层耐高温光纤长期可耐高温300℃，短期可达350℃，定标光纤也可以是镀金或其它耐高温光纤，以便在全温度范围内标定和测温。

如图1所示，本发明分布式光纤温度传感器由测温光纤6和解调仪组成，解调仪包括脉冲激光器1、集成型光纤波分复用器2、斯托克斯散射光光电转换放大模块3、反斯托克斯散射光光电转换放大模块4、数据采集卡5以及计算机7，集成型光纤波分复用器2的两个输入端口分别与脉冲激光器1和测温光纤6连接，集成型光纤波分复用器2的两个输出端口分别与斯托克斯散射光光电转换放大模块3和反斯托克斯散射光光电转换放大模块4连接，脉冲激光器1、斯托克斯散射光光电转换放大模块3、反斯托克斯散射光光电转换放大模块4以及计算机7均与数据采集卡5连接。其中脉冲激光器1发射高速激光脉冲，集成型光纤波分复用器2负责分光和滤波，测温光纤6感知和传输温度信息，斯托克斯散射光光电转换放大模块3和反斯托克斯散射光光电转换放大模块4进行光电转换和信号放大，高速数据采集卡5实时进行信号采集和累加，计算机7进行三解调算法解调和显示温度。

本发明中的脉冲激光器1为高稳定度激光光源，中心波长为1550nm，脉冲宽度为10ns，峰值功率为30.2W，核心器件采用高稳定性的激光器，采用独特的APC(自动功率控制)和ATC(自动温度控制)电路,使得输出功率和波长稳定度高；采用高稳定和高精度的MPU(微处理器)系统，调节方便，运行可靠。

本发明中的集成型光纤波分复用器2的类型为1×3拉曼WDM1550nm/1663nm/1450nm，光纤接头为FC/APC，插入损耗0.6dB，回波损耗60dB，隔离度32dB。集成型光纤波分复用器2共有四个端口，1550nm接口(第一端口)和脉冲激光器1相连，com端口(第二端口)和测温光纤6相连，1663nm端口(第三端口)和斯托克斯散射光光电转换放大模块3的输入端相连，1450nm端口(第四端口)和反斯托克斯散射光光电转换放大模块4的输入端相连。

本发明中的斯托克斯散射光光电转换放大模块3和反斯托克斯散射光光电转换放大模块4的信号增益2000倍，3db带宽100MHz，输出电压幅度正负2.5v，光电放大模块含有高稳定性APD恒温控制电路。

本发明中高速数据采集卡5的采样频率为150M，A/D分辨率为12bit，通道数有2个。

本发明中的测温光纤6可用标准光通信用G.652单模光纤、G.651多模光纤或62.5/125多模光纤，测温光纤长度为300m～50km。测温光纤既能感知温度又能传输温度信息，具备抗电磁干扰、耐腐蚀特性。测温光纤表面涂敷聚酰亚胺，长期可耐高温300℃，短期350℃。若是测量温度高于350℃，可以选择表面镀金光纤，但价格较贵。

本发明中的PC机为市场上通用的标准工控机。

分布式光纤温度传感器和定标光纤准备完毕后，将定标光纤的FC/APC跳线头接入脉冲激光器1输出端口，定标光纤放置在恒温箱中。低温范围-40℃～0℃(可根据需要扩展低温范围)，每隔5℃设置一个标定点，进行三次曲线拟合公式标定；常温范围0℃～120℃，每隔10℃设置一个标定点，进行一次曲线拟合公式标定；高温范围120℃～350℃(可根据需要扩展高温范围)，每隔20℃设置一个标定点，进行二次曲线拟合公式标定。标定温度间隔可以根据测温精度需求设置，标定点数越多，拟合公式越精确，但相应的标定花费的时间也越多。一般来说，每隔10℃设置一个标定点就可以获得非常高的测温精度。三解调算法拟合系数标定过程中用到的三次曲线拟合公式、一次曲线拟合公式以及二次曲线拟合公式均是由以下将要阐述到的温度三解调算法中推导而来，换句话说，本发明是先通过温度三解调算法得出分布式光纤温度传感器解调公式，然后根据这些解调公式在已知温度值的恒温箱内计算相应的比例系数，获得比例系数后再利用解调公式进行温度解调。定标光纤放置在恒温箱中是为了进行曲线公式拟合用的，因为使用的是恒温箱，那么恒温箱中的温度我们是可以知道的，这个是我们自己设定的，例如恒温箱温度设为20℃，这时我们运行整个系统，反斯托克斯散射光和斯托克斯散射光通过光电转换变成电信号，再用数据采集卡采集，计算机对数据采集卡采集到的两路电信号进行处理，得到两路信号的比值，我们就可以得到(20℃，反斯托克斯/斯托克斯)这一个点，同理，我们可以得到(30℃，反斯托克斯/斯托克斯)、(40℃，反斯托克斯/斯托克斯)........等等一系列的点，这样我们就可以通过最小二乘法进行曲线拟合公式计算，获得曲线公式(如一次、二次、三次)中的系数。在低温范围，恒温箱设置的温度是在低温范围；常温范围，恒温箱中设置的温度是在常温范围；高温范围，恒温箱中设置的温度是在高温范围。标定时所说的温度就是恒温箱里的温度。恒温箱的作用是用来确定公式中的比例系数的，计算完比例系数后，恒温箱的任务就完成了。恒温箱的作用是发生在传感器制作的过程中。

标定好的分布式光纤温度传感器和测温光纤连接后，将测温光纤布置到需要测温的区域，就可进行分布式测温了。

本发明分布式光纤温度传感器的技术原理为：高速脉冲激光器1发出高功率高频率的激光脉冲注入测温光纤6中，激光脉冲在测温光纤6中发生自发拉曼散射。激光脉冲因自发拉曼散射将产生比入射脉冲激光波长短的反斯托克斯拉曼散射光和比入射脉冲激光波长长的斯托克斯拉曼散射光，其中反斯托克斯拉曼散射光含有温度信息，而斯托克斯拉曼散射光对温度不敏感，作为解调温度曲线时的参考光。两束拉曼散射光经集成型光纤波分复用器2分光后分别进入斯托克斯散射光光电转换放大模块3和反斯托克斯散射光光电转换放大模块4中，进行光电转换和电路放大，再经高速数据采集卡5采集，采集累加后的两路信号利用三解调算法进行温度解调，最后获取待测区域的温度信息。

本发明温度三解调算法的原理是：

激光脉冲入射到光纤中后，在传播的过程中与光纤相互作用，会发生非线性散射，包括布里渊散射和拉曼散射。按照量子力学的观点，可以将拉曼散射看成入射光和介质分子相互作用时，光子吸收或发射一个声子。光纤的拉曼声子频率△ν＝1.32×1023Hz。产生的光子为斯托克斯拉曼散射光子和反斯托克斯拉曼散射光子：

hν_s＝h(ν_p-△ν)   11

hν_a＝h(ν_p+△ν)   12

公式11和公式12中ν_p,ν_s,ν_a分别为入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光频率，h为普朗克常数，h＝6.62606876.52x10^-34J.s，△ν为光纤的拉曼声子频率，△ν＝13.2THz；

当激光脉冲在光纤中传播时，回到光纤的始端，每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为：

${\mathrm{\φ}}_s=K_s\·S\·v_s^4\·{\mathrm{\φ}}_e\·R_s\left(T\right)\·\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_s)\·L]---13$

反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量：

${\mathrm{\φ}}_a=K_a\·S\·v_a^4\·{\mathrm{\φ}}_e\·R_a\left(T\right)\·\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_a)\·L]---14$

公式13和公式14中，φ_e为入射到光纤的激光脉冲的光通量，φ_s、φ_α分别为斯托克斯光光通量和反斯托克斯光光通量，K_s和K_α分别为与光纤的斯托克斯散射及反斯托克斯散射截面有关的系数，S为光纤背向散射因子，v_s、v_α分别为斯托克斯光的频率及反斯托克斯光的频率，L为激光在光纤中传播的距离，α₀、α_s、α_α分别为入射光、斯托克斯光、反斯托克斯光在光纤中的平均传输损耗，R_s(T)、R_α(T)分别为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，是斯托克斯拉曼背向散射光与反斯托克斯拉曼背向散射光的温度调制函数。

R_S(T)＝[1-exp(-h△v/kT)]^-1   15

R_a(T)＝[exp(h△v/kT)-1]^-1   16

公式15和公式16中，h是普朗克常数，h＝6.62606876.52x10^-34J.s，△ν为光纤的拉曼声子频率，△ν＝13.2THz，k是波尔兹曼常数，k＝1.380650324x10^-23JK-1，T是凯尔文绝对温度。

本发明用Stokes Raman(斯托克斯散射光)信号通道做参考，用Anti-Stokes(反斯托克斯散射光)和Stokes Raman的比值来解调温度，得到空间温度场的分布，推导如下：由公式14和公式13相除得到：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_a\left(T\right)}{{\mathrm{\φ}}_s\left(T\right)}=\frac{K_a}{K_s}\·{\left(\frac{v_a}{v_s}\right)}^4\·\frac{R_a\left(T\right)}{R_s\left(T\right)}\·\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_s)\·L]---17$

根据公式17中的拉曼比值和温度的关系，可以绘制出如图3所示的拉曼比值和温度的关系图，从图3中可以看出，在0～120℃范围内，拉曼比值近似为一个直线方程，该直线方程在常温段即0～120℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：

$T=m\frac{I_a}{I_s}+a---9$

公式9中，m为比例系数，a为常数，I_a为反斯托克斯光的光强度，I_s为斯托克斯光的光强度。

图3中I_a与I_s比值的曲线是这样得出的：我们将测温光纤放置在恒温箱中，假设设置恒温箱温度为20℃，我们运行设备，获得反斯托克斯光的光强度I_a的数值以及斯托克斯光的光强度I_s数值(当然实际得到的是电信号)，这样我们就可以得到两者的比值，那么我们就得到(20℃，反斯托克斯/斯托克斯)，同理我们也可以得到(21℃，反斯托克斯/斯托克斯)，我们在整个温度范围内重复这样的过程，就可以绘制出图2中I_a与I_s的比值的曲线，即横坐标是比值，纵坐标是温度。I_a与I_s的比值的公式是理论公式，以此来进行实际温度计算是不可行的，因为这个公式很多参数无法获得。所以实际计算温度时，我们都是采用曲线拟合的方法，I_a与I_s的比值的曲线的作用是为了说明实际情况下拉曼比值和温度是怎么样的一条曲线，拟合曲线如果和这个吻合，就说明拟合曲线是可行的，是对的。

单一解调算法就是激光脉冲从光纤的一端注入，然后在远处的末端射出，散射回来的两路信号比值只用公式9来解调。然而在温度低于0℃和高于120℃这两个低温和高温区域，拉曼比值和温度的关系为非线性，可以明显看出一次曲线拟合结果和实际温度有非常大的偏差，这时若还只用一次曲线拟合公式来解调温度，解调出来的温度值和实际温度值相比必然有较大的偏差。从图3可以看出，温度低于0℃时，拉曼比值与温度的关系类似于一条三次曲线，温度高于120℃时，拉曼比值与温度的关系类似于一条抛物线。

三解调算法分布式光纤温度传感器就是依据拉曼比值与温度在不同温度区间曲线特点不同的原理，分别在低温、常温和高温设置解调算法为三次曲线拟合公式解调、一次曲线拟合公式解调和二次曲线拟合公式解调。

低温段即温度低于0℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：

$T=k_1{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^3+k_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+k_3\frac{I_a}{I_s}+k_0---8$

公式8中，k₁为三次项比例系数，k₂为二次项比例系数，k₃为一次项比例系数，k_o为常数，I_a为反斯托克斯光的光强度，I_s为斯托克斯光的光强度；

高温段即温度高于120℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：

$T=n_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+n_1\frac{I_a}{I_s}+n_0---10$

公式10中，n₂为二次项比例系数，n₁为一次项比例系数，n₀为常数，I_a为反斯托克斯光的光强度，I_s为斯托克斯光的光强度。

三解调算法标定时将定标光纤与脉冲激光器1连接，然后将定标光纤放置在恒温箱中，其中，在低温范围-40℃～0℃时，每隔5℃设置一个标定点，利用公式

$T=k_1{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^3+k_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+k_3\frac{I_a}{I_s}+k_0---8$

进行三次曲线拟合公式标定，计算出三次项比例系数k₁、二次项比例系数k₂、一次项比例系数k₃及常数k₀；

在常温范围0℃～120℃时，每隔10℃设置一个标定点，利用公式

$T=m\frac{I_a}{I_s}+a---9$

进行一次曲线拟合公式标定，计算出比例系数m，常数a，；

在高温范围120℃～350℃时，每隔20℃设置一个标定点，利用公式

$T=n_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+n_1\frac{I_a}{I_s}+n_0---10$

进行二次曲线拟合公式标定，计算出二次项比例系数n₂，一次项比例系数n₁，常数n₀。

实际测温时，数据采集卡5采集累加后的数据先由一次曲线拟合公式

$T=m\frac{I_a}{I_s}+a---9$

逐点一一计算，

①若得到的温度值在0～120℃之间，则该点的温度值直接在计算机17的图形界面上显示，并作为最终的结果值；

②若得到的某点温度值低于0℃，则该点所对应的采集累加后的原始数据重新交由三次曲线拟合公式

$T=k_1{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^3+k_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+k_3\frac{I_a}{I_s}+k_0---8$

来计算，计算后的温度值直接在计算机17的图形界面上显示，并作为最终的结果值；

③若得到的温度值高于120℃，则该点所对应的采集累加后的原始数据重新交由二次曲线拟合公式

$T=n_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+n_1\frac{I_a}{I_s}+n_0---10$

计算，计算后的温度值直接在计算机17的图形界面上显示，并作为最终的结果值；

所有点的值全部计算完毕并在图形界面显示以后，整个温度解调过程结束。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种分布式光纤温度传感器，它包括测温光纤(6)和解调仪，解调仪包括脉冲激光器(1)、集成型光纤波分复用器(2)、斯托克斯散射光光电转换放大模块(3)、反斯托克斯散射光光电转换放大模块(4)、数据采集卡(5)以及计算机(7)，所述集成型光纤波分复用器(2)的两个输入端口分别与脉冲激光器(1)和测温光纤(6)连接，所述集成型光纤波分复用器(2)的两个输出端口分别与斯托克斯散射光光电转换放大模块(3)和反斯托克斯散射光光电转换放大模块(4)连接，所述脉冲激光器(1)、斯托克斯散射光光电转换放大模块(3)、反斯托克斯散射光光电转换放大模块(4)以及计算机(7)均与数据采集卡(5)连接。

2.一种利用如权利要求1中所述的分布式光纤温度传感器采集到的数据进行的温度三解调算法，它包括以下步骤：

步骤a、用以下两个公式来定义由脉冲激光器(1)发出的激光脉冲入射到测温光纤(6)后产生的斯托克斯拉曼散射光子和反斯托克斯拉曼散射光子：

hν_s＝h(ν_p-△ν)    (11)

hν_a＝h(ν_p+△ν)    (12)

其中，公式(11)和公式(12)中，ν_p,ν_s,ν_a分别为入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光频率，h为普朗克常数，h＝6.62606876.52x10^-34J.s，△ν为光纤的拉曼声子频率，△ν＝13.2THz；

步骤b、用以下两个公式来定义当脉冲激光器(1)发出的激光脉冲在测温光纤(6)中传输时每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量以及反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量：

${\mathrm{\φ}}_s=K_s\·S\·v_s^4\·{\mathrm{\φ}}_e\·R_s\left(T\right)\·\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_s)\·L]---\left(13\right)$

${\mathrm{\φ}}_a=K_a\·S\·v_a^4\·{\mathrm{\φ}}_e\·R_a\left(T\right)\·\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_s)\·L]---\left(14\right)$

其中，公式(13)和公式(14)中，φ_e为入射到光纤的激光脉冲的光通量，φ_s、φ_α分别为斯托克斯光光通量和反斯托克斯光光通量，K_s和K_α分别为与光纤的斯托克斯散射及反斯托克斯散射截面有关的系数，S为光纤背向散射因子，v_s、v_α分别为斯托克斯光的频率及反斯托克斯光的频率，L为激光在光纤中传播的距离，α₀、α_s、α_α分别为入射光、斯托克斯光、反斯托克斯光在光纤中的平均传输损耗，R_s(T)、R_α(T)分别为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，是斯托克斯拉曼背向散射光与反斯托克斯拉曼背向散射光的温度调制函数。

R_S(T)＝[1-exp(-h△v/kT)]^-1    (15)

R_a(T)＝[exp(h△v/kT)-1]^-1    (16)

其中，公式(15)和公式(16)中，h是普朗克常数，h＝6.62606876.52x10^-34J.s，△ν为光纤的拉曼声子频率，△ν＝13.2THz，k是波尔兹曼常数，k＝1.380650324x10^-23JK-1，T是凯尔文绝对温度；

步骤c、用Stokes Raman信号通道做参考，用Anti-Stokes和Stokes Raman的拉曼比值来解调温度，得到空间温度场的分布，推导如下：由公式(14)和公式(13)相除得到：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_a\left(T\right)}{{\mathrm{\φ}}_s\left(T\right)}=\frac{K_a}{K_s}\·{\left(\frac{v_a}{v_s}\right)}^4\·\frac{R_a\left(T\right)}{R_s\left(T\right)}\·\exp [-({\mathrm{\α}}_a-{\mathrm{\α}}_s)\·L]---\left(17\right)$

步骤d、根据公式(17)中的拉曼比值和温度的关系，分别得出：

①低温段低于0℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：

$T=k_1{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^3+k_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+k_3\frac{I_a}{I_s}+k_0---\left(8\right)$

公式(8)中，k₁为三次项比例系数，k₂为二次项比例系数，k₃为一次项比例系数，k_o为常数，I_a为反斯托克斯光的光强度，I_s为斯托克斯光的光强度；

②常温段0～120℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：

$T=m\frac{I_a}{I_s}+a---\left(9\right)$

公式(9)中，m为比例系数，a为常数，I_a为反斯托克斯光的光强度，I_s为斯托克斯光的光强度；

③高温段高于120℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：

$T=n_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+n_1\frac{I_a}{I_s}+n_0---\left(10\right)$

公式(10)中，n₂为二次项比例系数，n₁为一次项比例系数，n₀为常数，I_a为反斯托克斯光的光强度，I_s为斯托克斯光的光强度；

步骤e、制作一根定标光纤，并将定标光纤与脉冲激光器(1)连接，然后将定标光纤放置在恒温箱中，

其中，在低温范围-40℃～0℃时，每隔5℃设置一个标定点，利用以下公式

$T=k_1{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^3+k_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+k_3\frac{I_a}{I_s}+k_0---\left(8\right)$

进行三次曲线拟合公式标定，计算出三次项比例系数k₁、二次项比例系数k₂、一次项比例系数k₃及常数k₀；

在常温范围0℃～120℃时，每隔10℃设置一个标定点，利用以下公式

$T=m\frac{I_a}{I_s}+a---\left(9\right)$

进行一次曲线拟合公式标定，计算出比例系数m，常数a；

在高温范围120℃～350℃时，每隔20℃设置一个标定点，利用以下公式

$T=n_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+n_1\frac{I_a}{I_s}+n_0---\left(10\right)$

进行二次曲线拟合公式标定，计算出二次项比例系数n₂，一次项比例系数n₁，常数n₀；

步骤f、实际测温时，数据采集卡(5)采集累加后的数据先由一次曲线拟合公式

$T=m\frac{I_a}{I_s}+a---\left(9\right)$ 逐点一一计算，

①若得到的温度值在0～120℃之间，则该点的温度值直接在计算机(17)的图形界面上显示，并作为最终的结果值；

②若得到的某点温度值低于0℃，则该点所对应的采集累加后的原始数据重新交由三次曲线拟合公式 $T=k_1{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^3+k_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+k_3\frac{I_a}{I_s}+k_0---\left(8\right)$ 来计算，计算后的温度值直接在计算机(17)的图形界面上显示，并作为最终的结果值；

③若得到的温度值高于120℃，则该点所对应的采集累加后的原始数据重新交由二次曲线拟合公式 $T=n_2{\left(\frac{I_a}{I_s}\right)}^2+n_1\frac{I_a}{I_s}+n_0---\left(10\right)$ 计算，计算后的温度值直接在计算机(17)的图形界面上显示，并作为最终的结果值；

所有点的值全部计算完毕并在在计算机(17)的图形界面显示以后，整个温度解调过程结束。

3.根据权利要求2所述的温度三解调算法，其特征在于：所述定标光纤采用聚酰亚胺涂层耐高温光纤，长度为500m，定标光纤一端制作有一个标准FC/APC跳线头，定标光纤绕制直径为15-30cm的光纤圈。