CN105203228A - 一种分布式光纤拉曼温度系统的解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式光纤拉曼温度系统解调方法及装置，该装置包括激光驱动器，激光驱动器根据计算机发出的启动信号，周期性地驱动激光器发出激光，激光经光纤环形器注入折返的传感光纤，经传感光纤产生的背向散射光经光纤环形器导向波分复用器，波分复用器滤出瑞利光和反斯托克斯光，经探测器组件接收、处理获得数字信号并将数字信号发送给计算机；传感光纤起点处设置有电子温度计。通过上述解调方法及装置可以利用基于折返传感光纤中的背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息和传感光纤入射端温度信息解调出传感光纤中的物理结构以及获得传感光纤中测量点的温度。

Description

一种分布式光纤拉曼温度系统的解调方法及装置

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种光电传感技术，具体是指一种分布式光纤拉曼温度系统的解调方法及装置。

背景技术

分布式光纤拉曼温度传感系统集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控，一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测区域的二维和三维分布情况，能在一条长达数千米的传感光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息，现在传感光纤随制造成本的显著降低变得非常低廉，因此单位信息成本显著降低。

在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其他传感器无法接近的恶劣环境下，分布式光纤拉曼温度传感系统具有无可比拟的优点。因此自20世纪80年代以来，人们对实现分布式光纤传感的各种技术展开了广泛研究。分布式光纤温度拉曼传感系统，首先要解决的是对携带温度信息的光信号的识别和测量位置的确定，光时域反射(OTDR)技术和光频域反射(OFDR)技术对此提供了很好的解决方法；而对于较长距离的分布测温应用，基于散射机理的分布传感系统则有着无比的优越性，这是因为此时光纤中所损失的功率直接用于所感应的信号能量。

光纤中最强的散射过程就是瑞利散射，背向散射强度约为入射光的-30dBm，瑞利散射是由光纤中非传播的局域密度的不均匀和成分的不均匀所致。实验和理论都发现玻璃(组成光纤的主要成分)的瑞利散射系数的温度灵敏度及其微弱，因此实现基于瑞利散射的全固光纤的温度分布系统很困难。然而在某些液体中，这种温度灵敏度却很强，如在苯中，其温度灵敏度高达0.033dB/K。由于液芯光纤的寿命短，且液体有冰点、沸点的存在，限制了测温的范围，该方案不能得到实际的应用。目前主要应用的是拉曼散射型和布里渊散射型。

光通过光纤时，光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，从而发生自发的布里渊散射，散射光的频率相对入射光的频率变化范围在10GHz～11GHz。基于该技术的传感器的典型结构为布里渊放大器结构(如图3所示)，包括脉冲激光器31、隔离器(32、38)、声光调制器33、示波器34、耦合器(35、37)、敏感光纤36、连续波激光器39和光谱分析仪310。处于光纤两端的可调谐激光器(脉冲激光器31和连续波激光器39)分别将经隔离器32和声光调制器33调制的一脉冲光与经隔离器38和耦合器37的一连续光注入敏感光纤36，当两束光的频率差处于相遇光纤区域中的布里渊增益带宽内时，两束光就会在作用点产生布里渊放大器效应，相互间发生能量转移，在对两台激光器的频率进行连续调整的同时，光谱分析仪310通过检测从光纤一端射出的连续光的功率，就可确定光纤的各小段区域的布里渊增益达到最大时所对应的频率差，所确定的频率差与光纤上各段区域的布里渊频移相等。因此在光纤与布里渊频移成正比的温度和应变就随之确定。该传感技术所能达到的测量精度主要依赖于两台激光器的调谐精度。所以该系统较复杂，成本高，泵浦激光和探测激光必须放在被测光缆的两端，而且不能测断点，对激光器的稳频以及光源和控制系统的要求很高。因此其应用受到一定限制。

拉曼散射是当激光脉冲在光纤中传播时由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的。具体地说，如果一部分光能转换成热振动，那么将发出一个比光源波长长的光称为拉曼斯托克斯光；如果一部分热振动转换为光能，那么将发出一个比光源波长短的光称为拉曼反斯托克斯光。基于自发拉曼散射的分布式温度传感系统如图2所示，包括激光驱动器21、激光器22、传感光纤23、波分复用器24、探测器组件25、计算机26、隔离器27和耦合器28。激光驱动器21驱动激光器22发射的激光经隔离器27与耦合器28后注入传感光纤23，传感光纤23上自然背向散射经耦合器28和波分复用器24后滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，然后被探测器组件25接收转变为电信号并放大，再经计算机26的信号处理系统处理转变为温度信号，作为一种双通道测量方法可以有效消除光源的不稳定和光纤传输损耗与耦合的随机噪声的影响。背向散射拉曼光与入射光的关系为：

P＝ηP_iR(T)exp(-(α₀+α_r)L)(1)

其中，P为背向散射拉曼光功率，L为传感光纤长度，α₀为光纤瑞利散射平均损耗系数，α_r为光纤拉曼散射平均损耗系数，R(T)为拉曼背向散射因子(含温度T信息)，η为波长等相关因子，P_i为入射光功率。

拉曼分布式光纤传感系统的唯一不足之处是返回信号相当弱，斯托克斯背向散射强度约为入射光的-60dBm，反斯托克斯背向散射强度约为入射光的-75dBm，可以说温度信息淹没在噪声中，为了避免信号处理过程中信号平均时间过长，脉冲激光源的峰值功率相当高，但不能超过拉曼散射受激的阈值功率(反斯托克斯的阈值功率大于斯托克斯的阈值功率)，并且测量距离越长，阈值功率越小，P_i的最大值为拉曼散射受激的阈值功率P_i ^cr:

P_i ^cr(1-exp(-(α₀+α_r)L))/(α₀+α_r)＝C(2)

其中，C为常数。

现在利用背向散射瑞利技术可以检测80km以上的光缆物理结构，而报道的拉曼温度系统单路光纤长度最长只有30km，原因是采用反斯托克斯/瑞利或反斯托克斯/斯托克斯双路解调方法，反斯托克斯/瑞利解调受制于它们的光纤损耗因子匹配性不佳，据中国计量学院报道，采用额外增加成本获得反斯托克斯光同波长的瑞利背向散射才做到30km的拉曼温度系统，反斯托克斯/斯托克斯解调受制于斯托克斯的阈值功率，以上两钟解调方法无法降低同温平坦度(指外界温度相同，传感光纤上测量温度最大值/最小值)。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术中存在的问题，提供一种分布式光纤拉曼温度系统解调方法及装置，能够实现单路折向解调分布式光纤拉曼温度，提高测量精度和同温平坦度，传感长度可达到20km以上。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现：

本发明提供了一种分布式光纤拉曼温度系统解调方法，以折返传感光纤为对象，包括以下步骤：

步骤一，将激光注入折返传感光纤，获得背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息和传感光纤入射端温度信息；

步骤二，根据背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞利光信息，将同一测量点的两个量进行相乘积再开方处理，获得处理后的背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞利光信息；

步骤三，根据处理后的背向散射瑞利光信息获得传感光纤的物理结构；判断传感光纤是否收到外界入侵，如果是就发出报警信号，否则进入步骤四；

步骤四，利用传感光纤入射端的温度信息，解调处理后的背向散射反斯托克斯光信息，获得传感光纤每一测量点的测量温度。

在步骤一的目的在于获得折返传感光纤中的背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息和传感光纤入射端温度信息，可以采用下面讲到的分布式光纤拉曼温度系统解调装置获得，可以采用能够达到上述目的类似装置获得。在优选的实施方式中，采用周期性的脉冲激光，获得的背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息是经多次脉冲激光之后的数字平均值；传感光纤入射端(起点处)温度信息可以由设置在传感光纤起点处的电子温度计来获得。

在步骤二中，由于采用的是折返式传感光纤，同一测量点具有损耗对称的两个量(前点和后点)，对这两个量进行相乘再开方处理，能够有效消除传输损耗的影响。由于没有进行传统的双路解调，可有效降低同温平坦度。

在步骤三中，利用本领域的现有手段，可以根据处理后的背向散射瑞利光信息获得传感光纤的物理结构，例如光时域反射仪(OTDR)方法。

本发明进一步提供了一种分布式光纤拉曼温度系统解调装置，包括激光驱动器，激光驱动器根据计算机发出的启动信号，周期性地驱动激光器发出激光，激光经光纤环形器注入折返的传感光纤，经传感光纤产生的背向散射光经光纤环形器导向波分复用器，波分复用器滤出瑞利光和反斯托克斯光，经探测器组件接收、处理获得数字信号并将数字信号发送给计算机；传感光纤起点处设置有电子温度计；电子温度计通过电缆与计算机相连。

实施方式之一，上述探测器组件包括APD探测器、A/D转换模块和数据处理模块；APD探测器将接收的瑞利光和反斯托克斯光转换为电信号；A/D转换模块将模拟电信号转换成数字信号；数据处理模块将接收到的数字信号经若干次累加平均后发送给计算机。

实施方式之一，数字平均累加次数大于3万次。

实施方式之一，激光器的激光波长可以选为光通信波长。激光器可以选为周期性脉冲激光器。

通过本发明提供的分布式光纤拉曼温度系统解调装置，能够获得折返传感光纤中的背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息和传感光纤入射端温度信息，并可以基于上述信息解调出传感光纤中的物理结构以及获得传感光纤中测量点的温度。

本发明提供的分布式光纤拉曼温度系统解调方法，具有以下至少一项有益效果：

(1)折返传感光纤同一测量点具有损耗对称的两个量(前点和后点)，对这两个量进行相乘再开方处理，能够有效消除传输损耗的影响；由于没有进行传统的双路解调，可有效降低同温平坦度；

(2)根据获得的传感光纤的物理结构，了解传感光纤是否受到外界入侵；

(3)利用传感光纤入射端的温度信息和背向散射反斯托克斯光信息，解调处理其他位置的背向散射反斯托克斯信息，可以获得传感光纤每点高精度的测量温度，并有效消除光源的不稳定及耦合的随机噪声的影响；

(4)实质是创新的单路折向解调方法，演变为双路解调；传统的用传感光纤处同温度反算出光纤的损耗系数，系统根据这个损耗系数进行单路解调温度，误差是很大的，原因在于光纤损耗系数受温度影响，时刻变化着；

(5)本发明应用领域：国防工程、石油化工、电力工程、煤矿工程、交通运输、隧道、堤坝、大型建筑等诸多领域，组成新型分布式光纤传感网，成为在线健康监控和消防早期预警的革新手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明提供的分布式光纤拉曼温度系统解调装置的结构示意图；

图2为拉曼散射型分布式光纤温度传感器的结构示意图；

图3为布里渊散射型分布式光纤温度传感器的结构示意图。

其中，11、21-激光驱动器，12、22-激光器，13-光纤环形器，14、23-传感光纤，15、24-波分复用器，16、25-探测器组件，17、26-计算机，18-电子温度计，27、32、38-隔离器，28、35、37-耦合器，31-脉冲激光器，33-声光调制器，34-示波器，36-敏感光纤，39-连续波激光器，310-光谱分析仪。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明采用注入的激光的光功率具有反斯托克斯光功率阈值，并设置了传感光纤折返结构，通过单路折向来解调分不分光纤拉曼温度。为了更加清晰的了解本发明，下面结合实施例和附图进行详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种分布式光纤拉曼温度系统解调方法，包括以下步骤：

步骤一，将激光注入折返传感光纤，获得背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息以及传感光纤入射端温度信息；

步骤二，根据背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞利光信息，将同一测量点的两个量进行相乘积再开方处理，获得处理后的背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞利光信息；

步骤三，根据处理后的背向散射瑞利光信息获得传感光纤的物理结构；判断传感光纤是否收到外界入侵，如果是就发出报警信号，否则进入步骤四；

步骤四，利用传感光纤入射端的温度信息，解调处理后的背向散射反斯托克斯光信息，获得传感光纤每一测量点的测量温度。

在步骤一中，可以采用实施例2中给出的分布式光纤拉曼温度系统解调装置获取背向散射反斯托克斯信息、背向散射瑞利光信息以及传感光纤入射端的温度信息。采用周期性的脉冲激光器，利用上述分布式光纤拉曼温度系统解调装置获得经多次数字平均后的背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息。传感光纤入射端(起点处)温度信息由设置在传感光纤起点处的电子温度计18来获得。数字平均累加次数通常选大于3万次。

在步骤二中，由于采用的是折返式传感光纤14，同一测量点具有损耗对称的两个量(前点和后点)，对这两个量进行相乘再开方处理，能够有效消除传输损耗的影响。由于没有进行传统的双路解调，可有效降低同温平坦度。

在步骤三中，利用本领域的现有手段，可以根据处理后的背向散射瑞利光信息获得传感光纤的物理结构，例如光时域反射仪(OTDR)方法；并根据获得的传感光纤的物理结构，了解传感光纤是否受到外界入侵。

在步骤四中，利用传感光纤入射端的温度信息和背向散射反斯托克斯光信息，解调处理步骤二获得处理后的其他位置的背向散射反斯托克斯光信息，可以获得传感光纤每点高精度的测量温度，并有效消除光源的不稳定及耦合的随机噪声的影响。

实施例2

本实施例提供的分布式光纤拉曼温度系统解调装置如图1所示(连接线中粗线表示电缆，细线表示光缆)，该装置包括激光驱动器11，激光驱动器11根据计算机17发出的启动信号，周期性地驱动激光器12发出激光，激光经光纤环形器13注入折返的传感光纤14，经传感光纤14产生的背向散射光经光纤环形器13导向波分复用器15，波分复用器15滤出瑞利光和反斯托克斯光，经探测器组件16接收、处理获得数字信号并将数字信号发送给计算机17；传感光纤14起点处设置有电子温度计18；电子温度计18通过电缆与计算机17相连。计算机17根据接收到的数字信号和电子温度计测定的温度可以利用下述解调方法计算出传感光纤上每点的温度并进行显示和保存，也可以利用获得背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息和传感光纤入射端温度信息利用现有技术中的其它分析方法解调出传感光纤中的物理结构以及获得传感光纤中测量点的温度。

上述激光驱动器11的频率为C/(4nL)，C为光在真空中速度，n为光纤有效折射率.

上述探测器组件16包括APD探测器、A/D转换模块和数据处理模块。APD探测器将接收的瑞利光和反斯托克斯光转换为电信号；A/D转换模块将模拟电信号转换成数字信号；数据处理模块将接收到的数字信号经若干次累加平均后发送给计算机。

上述计算机17可以利用图形和数字相结合的方式在显示屏上呈现传感光纤上每点的温度。计算机17后台完成每次测量温度的报表保存。

上述激光器12的激光波长选择之一为光通信波长，光通信波光的光损耗系数非常小。

系统的空间分辨率由激光器11的激光脉宽和A/D转换模块采样频率决定，通常选取激光脉宽10ns，A/D转换模块采样频率100MHz，这样系统的空间分辨率1m。上述数据处理模块对接收到的数字信号进行累加平均的数字平均累加次数通常选大于3万次。

实验例

设实际测量一维长度L米的传感光纤，测量点距离处理系统端(传感光纤入射端)的长度为x米，设分布式光纤拉曼温度系统解调装置获取经多次数字平均的前点背向散射瑞利光功率为：

S_x＝η₀P_iexp(-2α₀x)(3)

后点背向散射瑞利光功率为：

S_2L-x＝η₀P_iexp(-2α₀(2L-x))(4)

前点背向散射反斯托克斯光功率为：

P_x＝η_asP_iR(T)exp(-(α₀+α_as)x)(5)

后点背向散射反斯托克斯光功率为：

P_2L-x＝η_asP_iR(T)exp(-(α₀+α_as)(2L-x))(6)

R(T)＝[exp(hΔν/κT)-1]^-1为反斯托克斯背向散射因子，h为Plank系数，κ为Boltmann系数，Δν＝1.32×10¹³Hz，P_i为入射光功率。

按照实施例1步骤二获得处理后的背向散射瑞利光功率为η₀P_iexp(-2α₀L)，由于α₀是按距离变化的非常小(≈0.2dB/km)的平均值，在绝大多数情况下传感光纤在没有受到外界应力作用，η₀P_iexp(-2α₀L)将是按距离起伏很小的数字量，此时考虑步骤四，计算测量点的温度；如果η₀P_iexp(-2α₀L)画出的曲线呈递减阶梯变化，说明传感光纤遭到入侵，工作人员应及时查明原因，恢复传感光纤的自然状态。

设传感光纤起点处由电子温度计18测定的温度为T₀，按照步骤二获得处理后的背向散射反斯托克斯光功率为η_asP_iR(T)exp(-(α₀+α_as)L)，按照步骤四获得测量点距处理系统端长度x米的温度：

$T_x=\frac{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{\mathrm{\κ}ln(1+\frac{\sqrt{P_0{P}_{2L}}}{R\left(T_0\right)\sqrt{P_x{P}_{2L-x}}})}---\left(7\right)$

需要说明的是：

(1)本发明中激光波长选光通信波长，光损耗系数非常小，步骤二中利用当这两个数非常小时，(P_x+P_2L-x)/2可以代替

(2)本发明提供的传感长度是20km以上，实际测量光纤长度就是40km以上。

(3)虽然理论上斯托克斯阈值有计算公式，而反斯托克斯阈值无计算公式，但实验证明反斯托克斯阈值大于斯托克斯阈值，大多少由激光线宽和传感光纤物理结构等因素决定。到目前为止的报道，采用斯托克斯阈值的系统的测量最长度是30km，要增加测量长度只能采用反斯托克斯阈值的系统。众所周知的是采用反斯托克斯阈值的系统测量长度不超过采用斯托克斯阈值的系统的测量长度的1倍。

采用上述分布式光纤拉曼温度系统解调方法及装置对放置在可调控的25℃温度箱里45km裸光纤进行了实际测温验证。使用带光放大的固体激光器，调节光放大增益使经5万次数字平均返回的45km末端背向反斯托克斯信号噪声与前端背向反斯托克斯信号噪声同阶以保证整条线路上温度测量精度，利用本发明的解调方法，测量光纤19km处最大温度值25.4℃，7.7km处最小温度值24.8℃，多次重复测量，温度波动小于0.5℃。实验证明，本发明提供的分布式光纤拉曼温度解调装置及方法提高了温度测量精度和同温平坦度。假如根据传感光纤同温25度，反算出光纤损耗系数，再测量时使用传统单路解调，17.5km处最小温度值19℃，45km处最大温度值28.5℃，依次再测量时使用传统单路解调，13.5km处最小温度值17.5℃，45km处最大温度值29.5℃，尽管传统单路解调测量长度增加1倍，但测量温度极不准确。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种分布式光纤拉曼温度系统解调方法，以折返传感光纤为对象，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，将激光注入折返传感光纤，获得背向散射反斯托克斯光信息、背向散射瑞利光信息和传感光纤入射端温度信息；

步骤二，根据背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞利光信息，将同一测量点的两个量进行相乘积再开方处理，获得处理后的背向散射反斯托克斯光信息和背向散射瑞利光信息；

步骤三，根据处理后的背向散射瑞利光信息获得传感光纤的物理结构；判断传感光纤是否收到外界入侵，如果是就发出报警信号，否则进入步骤四；

步骤四，利用传感光纤入射端的温度信息，解调处理后的背向散射反斯托克斯光信息，获得传感光纤每一测量点的测量温度。

2.一种分布式光纤拉曼温度系统解调装置，其特征在于，包括激光驱动器(11)，激光驱动器(11)根据计算机(17)发出的启动信号，周期性地驱动激光器(12)发出激光，激光经光纤环形器(13)注入折返的传感光纤(14)，经传感光纤(14)产生的背向散射光经光纤环形器(13)导向波分复用器(15)，波分复用器(15)滤出瑞利光和反斯托克斯光，经探测器组件(16)接收、处理获得数字信号并将数字信号发送给计算机(17)；传感光纤(14)起点处设置有电子温度计(18)；电子温度计(18)通过电缆与计算机(17)相连。

3.根据权利要求2所述的分布式光纤拉曼温度系统解调装置，其特征在于，探测器组件(16)包括APD探测器、A/D转换模块和数据处理模块；APD探测器将接收的瑞利光和反斯托克斯光转换为电信号；A/D转换模块将模拟电信号转换成数字信号；数据处理模块将接收到的数字信号经若干次累加平均后发送给计算机。

4.根据权利要求3所述的分布式光纤拉曼温度系统解调装置，其特征在于，数字平均累加次数大于3万次。

5.根据权利要求2所述的分布式光纤拉曼温度系统解调装置，其特征在于，激光器(12)的激光波长为光通信波长。

6.根据权利要求5所述的分布式光纤拉曼温度系统解调装置，其特征在于，激光器(12)为周期性脉冲激光器。