CN104792436A - 一种分布式光纤测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式光纤测温方法，根据光纤衰减点数据对反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值信号进行分段拟合，再将实际求得的比值线与拟合后的基线数据相除，并对相除的结果进行标定，从而获得光纤温度。本发明拓展了分布式光纤测温的使用范围，在光纤质量较差的情况下，仍然可以进行正常的测温。此外，本发明利用分段方法对反斯托克斯与斯托克斯的光强比值信号进行衰减补偿，使系统解调的温度曲线与实际情况相符，从而提高测温系统的测温精度和可靠性。

Description

一种分布式光纤测温方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种分布式光纤测温方法。

背景技术

温度测量是检测与控制的重要参数，一直以来受到人们的重视，在科技飞速发展的今天，温度信息的测量有着更深远的意义。分布式光纤温度传感技术以其对沿光纤分布的温度场可连续、实时测量的特点成为光纤传感技术中较为引人瞩目的一项新技术，该技术已经广泛的应用在电力工业、石油化工、航空航天工业、核工业等领域中，常见的分布式光纤测温方法是求得反斯托克斯与斯托克斯的光强比，然后对比值数据进行衰减补偿，最后通过解调公式求得温度。但在实际应用中，光电探测模块接收到的信号并不是反斯托克斯光与斯托克斯光在光纤不同位置的光强，而是反斯托克斯光与斯托克斯光经过在光纤中的向后传播，衰减损耗过后的光强，所以需要对光电探测模块接收到的信号进行衰减补偿。

现有技术中大多是对拉曼信号比值乘以以10为底或是以e为底的对数进行损耗补偿，但是以10为底或是以e为底的损耗补偿只能是针对质量较好并且无熔点的光纤只能针对光纤质量较好、无熔点的光纤拉曼信号比值。但是，在现场某些环境中，光纤已经铺设完毕，我们需要使用别人已经铺设的光纤进行测温，又或者光纤在现场环境中，熔接质量较差，从而使反斯托克斯与斯托克斯光的比值不再呈现指数的形式，而是呈现多间断点的形式。此时，单纯的乘以以10为底或是以e为底的对数进行损耗补偿，并不能达到很好的补偿效果，从而严重影响了测温系统的测量精度，并且使得系统不能正常的工作。

因此，为了解决现有技术中存在的问题，研究一种能够提高测温系统的测温精度和可靠性的分布式测温方法已经成为一项重要任务。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种分布式测温方法，目的是通过分段方法对反斯托克斯与斯托克斯的光强比值信号进行衰减补偿，使系统解调的温度曲线与实际情况相符，从而提高测温系统的测温精度。

本发明的技术方案为：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式测温方法，根据光纤衰减点数据对反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值信号进行分段拟合，再将实际求得的比值线数据与拟合后的基线数据相除，并对相除的结果进行标定，从而获得光纤温度。

由于反斯托克斯光与斯托克斯光在光纤传输时会有衰减，造成测得的反斯托克斯和斯托克斯信号曲线是倾斜的，而且由于两路光在光纤中的衰减系数不同，所以取二者比值，得到的比值曲线也是倾斜的，这将对我们进行温度解调带来了很大的困难。传统的分布式光纤测温系统的解调方法是求得反斯托克斯与斯托克斯的光强比，标准的拉曼解调公式如下：

$\frac{I_{\mathrm{as}}}{I_s}={\left(\frac{v-v_i}{v+v_i}\right)}^4{e}^{-\frac{\mathrm{hv}}{\mathrm{kT}}}---\left(1\right)$

其中，v是激光频率，v_i是振动频率，h是普朗克常数，k是玻尔兹曼常数，T是第一温度；上述公式中，公式左端是反斯托克斯与斯托克斯的光强比。但在实际应用中，光电探测模块接收到的信号并不是反斯托克斯光与斯托克斯光在光纤不同位置的光强，而是反斯托克斯光与斯托克斯光经过光纤中的向后传播，衰减损耗过后的光强，但是光纤损耗系数并非处处相同，不能简单地以一个常数来确定。根据传输损耗的定义：

$\mathrm{\α}\left(L\right)=\frac{10\lg (p_0/p_1)}{L}---\left(2\right)$

其中，α(L)为损耗系数，p₀、p₁为衰减前后的光功率，L为传输距离。为了实现温度解调，首先我们需要对光电探测模块接收到的信号进行衰减补偿。根据传输损耗的定义，

损耗系数与光强是呈现以10为底的对数函数的关系，可将获得的比值曲线表示为：

$\frac{I_{\mathrm{Anti}-\mathrm{Stokes}}}{I_{\mathrm{Stokes}}}=\frac{I_{\mathrm{as}}}{I_s}{10}^{-\frac{{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}}^{\left(L\right)}-{{\mathrm{\α}}_s}^{\left(L\right)}}{10}}---\left(3\right)$

其中，为衰减的比值信号曲线，为消除衰减影响的真实比值曲线，α_s ^(L)、α_as ^(L)是反斯托克斯光与斯托克斯光的损耗系数，可将公式(3)简化为：

$\frac{I_{\mathrm{Anti}-\mathrm{Stokes}}}{I_{\mathrm{Stokes}}}=\frac{I_{\mathrm{as}}}{I_s}{10}^{-f\left(L\right)}---\left(4\right)$

传统的测温方法在进行衰减补偿时只是让反斯托克斯光与斯托克斯光的比值信号乘以一个以10为底的指数函数的形式进行补偿，这种补偿方法在光纤质量较好的条件下是可以应用的，因为反斯托克斯光与斯托克斯光的比值可以表示为以10为底的指数函数的形式。对公式(4)两端求对数，得：

$F\left(L\right)=\log \left[\frac{I_{\mathrm{Anti}-\mathrm{Stokes}}}{I_{\mathrm{Stokes}}}\right]=-f\left(L\right)+\log \left[\frac{I_{\mathrm{as}}}{I_s}\right]---\left(5\right)$

可将看作函数F(L)的常数项，所以具体的衰减补偿步骤为：对衰减的比值曲线求对数，然后进行拟合得函数F(L)；去掉F(L)中的常数项，再对其取负，得f(L)。根据上述衰减补偿步骤，对比值曲线求以10为底的对数，得到比值曲线，再对其进行拟合得到拟合函数为：

F(L)＝8.9312×10^-21·L⁵-1.6053×10^-16·L⁴+9.9934×10^-13·L³-1.6096×10^-9·L²-1.3741×10^-5·L-0.52

37则衰减补偿函数为：

f(L)＝-8.9312×10^-21·L⁵+1.6053×10^-16·L⁴-9.9934×10^-13·L³+1.6096×10^-9·L²+1.3741×10^-5·L然后将原始比值线作处理，即可得到衰减补偿后的比值曲线，经过衰减补偿后的比值曲线基本处于水平，效果较好。

但在有些条件下，比如：在现场某些环境中，光纤已经铺设完毕，我们应用别人的铺设的光纤进行测温，而施工单位在铺设光纤过程中受到环境的制约时，光纤熔点较多，光纤上多点受应力影响严重，使反斯托克斯光与斯托克斯光的比值不再呈现指数函数的形式，而是呈现多间断点的形式，虽然光纤是处于相同的温度下，但是解调出来的温度信息就会随传感光纤位置的变化呈折线分布，结果存在非线性误差。此时，如果再将求得的比值线作处理，将无法得到一条水平的比值曲线。因此，本发明将光强比值曲线根据衰减点数据进行分段，通过分段信息进行分段多项式拟合，得到运行环境各个温度下的基线数据，再将实际测温过程中求得的比值线数据与基线数据相除，将除得的结果进行标定获得光纤温度。

所述方法包括以下步骤：

步骤1、系统参数配置，获取光纤衰减点数据；将一段实验光纤置于一恒温环境中，使用分布式光纤传感系统获取该条光纤反斯托克斯信号和斯托克斯信号，对整条光纤信号进行观察，对有熔点的地方和光纤衰减的地方进行标记和记录，并将记录的数据定义为衰减点数据；

步骤2、求取反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值；

步骤3、将光强比值曲线根据衰减点数据进行分段；

步骤4、对光强比值数据根据分段信息进行分段多项式拟合，并将拟合得到的数据定义为系统在当前温度下的基线数据；

步骤5、改变系统当前温度，判断系统工作温度是否遍历，若否，则重复步骤2-4，系统每隔一个摄氏度记录一条基线数据，取得系统在其运行环境各个温度下的基线数据并记录，若是，则进入步骤6；

步骤6、系统工作温度遍历后，开始测温过程，将实际测温过程中求得的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值线数据与当前系统所在环境温度下的基线数据相除；

步骤7、将除得的结果进行标定，获得光纤温度。

将光强比值曲线根据衰减点数据进行分段，通过分段信息进行分段多项式拟合，得到运行环境各个温度下的基线数据，再将实际测温过程中求得的比值线与基线数据相除，就会得到一条与温度相关的水平状曲线。根据标准的拉曼解调公式可以看出，两路信号的光强比值只与温度有关，因此可以利用反斯托克斯光与斯托克斯光的光强之比来解调待测区域的温度分布。对于标准的两路拉曼信号比值，在0-100℃范围内，拉曼比值近似于一个线性方程，该直线可表示为：

公式(6)中，m为比例系数，a为常数，I_as、I_s分别为反斯托克斯和斯托克斯信号的强度。当确定了比例系数m和截距a的值后，我们就可以根据反斯托克斯和斯托克斯信号的光强比得到对应的温度值。将一段光纤置于精密恒温槽内，依次在不同的温度点进行测量，将所测得的数据与温度联系起来，绘出比值—温度曲线，并通过Matlab进行线性拟合，得到比值—温度曲线的拟合曲线，经过线性拟合后，用得到的m和a值带入公式(6)中，即可利用测得的反斯托克斯和斯托克斯信号的光强比计算出温度曲线，从而完成标定过程，获得光纤温度。

在实际测温过程中，有时测得的反斯托克斯和斯托克斯信号的比值会出现较大的突变，使得求得的比值数据相对于当前基线数据相除的结果出现明显的峰值，从而使得标定的温度值也会出现明显的峰值，此时，我们就可以根据峰值出现的位置对现场环境进行报警，从而有利于工作人员及时进行抢修维护工作。

本发明的技术效果为：

本发明提供了一种分布式光纤测温方法，根据光纤衰减点数据对反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值信号进行分段拟合，再将实际求得的比值线数据与拟合后的基线数据相除，并对相除的结果进行标定，从而获得光纤温度。本发明拓展了分布式光纤测温的使用范围，在光纤质量较差的情况下，仍然可以进行正常的测温。此外，本发明利用分段方法对反斯托克斯与斯托克斯的光强比值信号进行衰减补偿，使系统解调的温度曲线与实际情况相符，从而提高测温系统的测温精度和可靠性。

附图说明

图1为本发明分布式光纤测温方法的流程图。

图2为本发明无熔点的光纤沿线各点拉曼散射信号的比值曲线示意图。

图3为本发明多熔点的光纤沿线各点拉曼散射信号的比值曲线示意图。

图4为本发明拉曼散射信号比值线数据与基线数据相除得到的水平状曲线示意图。

图5为本发明比值—温度曲线的拟合曲线示意图。

图6为本发明测得的温度曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图1-图6所示，本发明提供了一种分布式测温方法，根据光纤衰减点数据对反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值信号进行分段拟合，再将实际求得的比值线数据与拟合后的基线数据相除，并对相除的结果进行标定，从而获得光纤温度。

所述方法包括以下步骤：

步骤1、系统参数配置，获取光纤衰减点数据；将一段实验光纤置于一恒温环境中，使用分布式光纤传感系统获取该条光纤反斯托克斯信号和斯托克斯信号，对整条光纤信号进行观察，对有熔点的地方和光纤衰减的地方进行标记和记录，并将记录的数据定义为衰减点数据；

步骤2、求取反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值；

步骤3、将光强比值曲线根据记录的衰减点数据进行分段；

步骤4、对光强比值数据根据分段信息进行分段多项式拟合，并将拟合得到的数据定义为系统在当前温度下的基线数据；分段多项式拟合是采用二次多项式拟合算法来实现的；

步骤5、改变系统当前温度，判断系统工作温度是否遍历，若否，则重复步骤2-4，系统每隔一个摄氏度记录一条基线数据，取得系统在其运行环境各个温度下的基线数据并记录，若是，则进入步骤6；

步骤6、当系统工作温度遍历后，开始测温过程，获取当前时刻反斯托克斯光和斯托克斯光数据，求取反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值，将实际测温过程中求得的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值数据与当前系统所在环境温度下的基线数据相除；

步骤7、将除得的结果进行标定，获得光纤温度。

我们将实际测温过程中求得的比值线数据与基线数据相除后，会得到一条与温度相关的水平状曲线。根据标准的拉曼解调公式可以看出，两路信号的光强比值只与温度有关，因此可以利用反斯托克斯光与斯托克斯光的光强之比来解调待测区域的温度分布。对于标准的两路拉曼信号比值，在0-100℃范围内，拉曼比值近似于一个线性方程，该直线可表示为：式中，m为比例系数，a为常数，I_as、I_s分别为反斯托克斯和斯托克斯信号的强度。当确定了比例系数m和截距a的值后，我们就可以根据反斯托克斯和斯托克斯信号的光强比得到对应的温度值。将一段光纤置于精密恒温槽内，依次在不同的温度点进行测量，将所测得的数据与温度联系起来，绘出比值—温度曲线，并通过Matlab进行线性拟合，得到比值—温度曲线的拟合曲线，经过线性拟合后，用得到的m和a值带入公式中，即可利用测得的反斯托克斯和斯托克斯信号的光强比计算出温度曲线，从而完成标定过程，获得光纤温度，并显示温度信息，随后再进入下一次测温过程。

Claims (2)

1.一种分布式光纤测温方法，其特征在于：根据光纤衰减点数据对反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值信号进行分段拟合，再将实际求得的比值线数据与拟合后的基线数据相除，并对相除的结果进行标定，从而获得光纤温度。

2.如权利要求1所述的分布式光纤测温方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1、系统参数配置，获取光纤衰减点数据；

步骤2、求取反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值；

步骤3、将光强比值曲线根据衰减点数据进行分段；

步骤4、对光强比值数据根据分段信息进行分段多项式拟合，并将拟合得到的数据定义为系统在当前温度下的基线数据；

步骤5、改变系统当前温度，判断系统工作温度是否遍历，若否，则重复步骤2-4，系统每隔一个摄氏度记录一条基线数据，取得系统在其运行环境各个温度下的基线数据并记录，若是，则进入步骤6；

步骤6、系统工作温度遍历后，开始测温过程，将实际测温过程中求得的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比值线数据与当前系统所在环境温度下的基线数据相除；

步骤7、将除得的结果进行标定，获得光纤温度。