CN106323499A - 一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，包括:确定所述传感器的传感光纤温度T；确定所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT；根据所述传感器的传感光纤温度T和所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT确定所述传感器的传感光纤的最终温度。本发明的技术方案克服了由于测温主机所处环境温度的变化，造成的定标光纤的温度发生变化缺陷，并解决了最终导致传感器测温准确性下降，又使解调后的温度曲线变形的问题。

Description

一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法

技术领域：

本发明涉及分布式光纤传感器技术领域，更具体涉及一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法。

背景技术：

近年来发展起来的分布式光纤温度传感器系统作为线型火灾监测感温光纤的感温火灾探测器，它可以在线实时预报温度的变化，可以在很大的温度范围设置报警温度，光纤本身不带电的，通过在光纤中传送的光强度的变化或光谱位置的变化来检测温度是本质安全型的线型感温火灾探测器，也可称为光纤激光温度雷达，在电力工业、石化企业和土木工程等安全检测上已成功地应用。

在工程应用中有些场合要求分布式光纤拉曼温度传感器应可以适应比较恶劣的环境特别是比较宽的温度适应范围。分布式光纤拉曼温度传感器温度解调方法一般有三种：

1、用斯托克斯拉曼解调反斯托克斯拉曼，该解调法是业界最常用的方法；

2、反斯托克斯拉曼自解调或用瑞利解调反斯托克斯拉曼，该解调方法由于温度校准难度比较大，工程应用不方便，业界使用较少。

3、斯托克斯拉曼自解调，相对温度灵敏度低，仅有理论意义无应用价值。

使用斯托克斯解调反斯托克斯方法的分布式光纤拉曼温度传感器需要设计一段定标光纤计算传感光纤的温度值。由于分布式光纤拉曼温度传感器中斯托克斯拉曼和反斯托克斯拉曼会参杂部分光噪声，导致当定标光纤的温度变化时传感光纤的测量温度值与实际温度值会出现偏差。

发明内容：

本发明的目的是提供一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，提高了分布式光纤温度传感器的环境适应范围。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，包括:

确定所述传感器的传感光纤温度T；

确定所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT；

根据所述传感器的传感光纤温度T和所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT确定所述传感器的传感光纤的最终温度。

在确定所述传感器的传感光纤温度T前还包括：

将所述分布式光纤拉曼温度传感器处在一个恒定的温度下，记此时定标光纤的温度为T_0a和传感光纤总长度记为L_a；在该温度条件下对所述传感器进行温度校准，保存所述传感器的参数；

更换所述分布式光纤拉曼温度传感器所处环境温度，保持所述传感器的参数不变，记更换环境温度后的定标光纤的温度记为T₀。

通过所述传感器的传感光纤的斯托克斯拉曼散射波和反斯托克斯拉曼散射波强度的信号电压比来检测所述传感光纤的温度T。

当所述斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子不参杂其它杂散光时，所述传感器的传感光纤温度T通过下式确定：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}\·ln\frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}$

其中，h是波朗克(Planck)常数，Δv是一光纤分子的声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，ν_ASR,ν_SR分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率。

所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT通过下式确定：

$1/\mathrm{\Δ}T=(T_0-T_{0a})/T_{0a}*L/L_a*\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}*\ln \frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}$

其中，T₀为定标光纤的温度，T_0a为分布式光纤拉曼温度传感器温度校准时定标光纤的温度，L为传感测器温点的距离，La为传感器测温总长度，h是波朗克常数，Δν是光纤分子的声子频率，k是波尔兹曼常数。

所述传感器的传感光纤的最终温度为所述传感器的传感光纤温度T与所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT之和。

当所述分布式光纤拉曼温度传感器长25千米时，其包含一段长度为180m的定标光纤；在所述定标光纤为25℃时，对所述传感光纤进行温度校准，校准之后的温度误差小于±1℃。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明的技术方案克服了由于测温主机所处环境温度的变化造成的定标光纤的温度发生变化，解决了最终导致系统测温准确性下降，又使解调后的温度曲线变形的问题；

2、本发明的技术方案对温度数据进行温度适应性的修正，保证测温设备的温度适应性和测温的准确性；

3、本发明的技术方案没有增加硬件成本，节省财力；

4、本发明的技术方案提高了分布式光纤温度传感器的环境适应范围；

5、本发明的技术方案在改善之后，分布式光纤温度传感器可以较好的满足实际工程应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光纤拉曼温度传感器结构示意图；

图2为本发明技术方案提供的方法流程图；

其中，1-激光器，2-光波分复用器，3-光电转换器，4-数据采集器，5-CPU处理器，6-定标光纤，7-传感光纤。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，如图2所示，包括:

确定所述传感器的传感光纤温度T；

确定所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT；

根据所述传感器的传感光纤温度T和所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT确定所述传感器的传感光纤的最终温度。

分布式光纤拉曼温度传感器处在一个恒定的温度下，此时定标光纤的温度记为T_0a，传感光纤总长度记为L_a，在该温度条件下对传感器进行温度校准，保存所述传感器的参数。

更换分布式光纤拉曼温度传感器所处环境温度，保持所述传感器的参数不变，此时定标光纤的温度记为T₀，使用公式(2)计算传感光纤的每一个点的温度T。

使用公式(6)计算出传感光纤的每一个点的温度差ΔT，最终传感光纤的温度T_M：

T_M＝T₀+ΔT

在分布式光纤拉曼温度传感器中为了提高温度适应性，本发明公开的是在传感器的温度计算过程中给出一个温度适应性函数ΔT[n(L*T₀)]，是与定标光纤的温度和测量距离相关的函数，通过它克服了由于测温主机所处环境温度的变化，而造成的定标光纤的温度发生变化，并最终导致传感器测温准确性下降，又使解调后的温度曲线变形。为此，在解调过程中，必须在对温度数据进行温度适应性的修正，保证测温设备的温度适应性和测温的准确性。

如附图1所示，分布式光纤拉曼温度传感器，包括1-激光器，2-光波分复用器，3-光电转换器，4-数据采集器，5-CPU处理器，6-定标光纤，7-传感光纤。一般的除传感光纤7铺设在现场，其它部件将被装配在一个机箱内。

分布式光纤拉曼温度传感器的测温原理：光纤脉冲激光器1发出激光脉冲通过集成型光纤波分复用器2射入本征型感温光纤，激光与光纤分子的非线性相互作用，入射光子放出一个13.2THz的高频声子称为斯托克斯拉曼散射光子，吸收一个13.2THz高频声子称为反斯托克斯拉曼散射光子，光纤分子的高频声子频率为13.2THz。光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼定律。

分布式光纤拉曼温度传感器中入射到光纤的激光光波波长为λ0，频率为ν0，使用光纤的斯托克斯拉曼散射波和反斯托克斯拉曼散射波强度的信号电压比来检测光纤的温度，采用双通道解调方法，用斯托克斯拉曼OTDR曲线来解调反斯托克斯拉曼OTDR曲线，通过测定光纤上每点的反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度信号电压的比值R(T)，即V_ASR/V_SR来确定光纤的温度T。

$R\left(T\right)={\[\frac{{\mathrm{\ν}}_{ASR}}{{\mathrm{\ν}}_{SR}}\]}^4{e}^{-\left(\frac{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{kT}\right)}---\left(1\right)$

其中，ν_ASR,ν_SR分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率，h是波朗克(Planck)常数，Δν是一光纤分子的声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，T是凱尔文(Kelvin)绝对温度。分别测定光纤处于温度为T0(已知光纤的温度)和T(待测空间的光纤温度)两种温度状态时的强度比，由已知温度T0确定待测光纤的温度T值。由此得到光纤各段的温度信息。

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}\·\ln \frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}---\left(2\right)$

光纤长度由光时域反射(OTDR)技术测定，对光纤测温点的位置进行定位。公式2是理想状态时的公式，即公式2成立的条件是斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子不能参杂其它杂散光。但实际应用中斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子必然参杂着其它与温度信息不相关的杂散光，设杂散光反映出的电压信号幅度为ΔV，则公式2可表示为：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}\·ln\frac{\left(V_{ASR}\right(T)-{\mathrm{\ΔV}}_{ASR}(L\left)\right)/\left(V_{SR}\right(T)-{\mathrm{\ΔV}}_{SR}(L\left)\right)}{\left(V_{ASR}\right(T_0)-{\mathrm{\ΔV}}_{ASR}(L\left)\right)/\left(V_{SR}\right(T_0)-{\mathrm{\ΔV}}_{SR}(L\left)\right)}---\left(3\right)$

ΔV_ASR(L)和ΔV_SR(L)两个噪声变量与传感光纤的温度变化无关，所以导致在按照公式2进行传感光纤温度T的计算时，计算温度与实际温度将存在一定偏差。分布式光纤拉曼温度传感器依靠斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子的信号强度计算传感光纤的温度。从公式3中可以看出ΔV_ASR(L)和ΔV_SR(L)两个噪声变量将影响公式2中对数项的内容，对数项中分子部分

(V_ASR(T)-ΔV_ASR(L))/(V_SR(T)-ΔV_SR(L)) (4)

将受到ΔV_ASR(L)和ΔV_SR(L)两个噪声变量的影响，分子部分的数值反映的是传感光纤处的信号强度，对数项中分母部分

(V_ASR(T₀)-ΔV_ASR(L))/(V_SR(T₀)-ΔV_SR(L)) (5)

也将受到ΔV_ASR(L)和ΔV_SR(L)两个噪声变量的影响，分母部分的数值反映的是定标光纤处的信号强度。定标光纤安装在分布式光纤拉曼温度传感器内部，所以一旦分布式光纤拉曼温度传感器的环境温度发生变化，定标光纤的温度就会随之发生变法，定标光纤处的信号强度也会发生变化。由于斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子中杂散光噪声的存在，导致传感光纤的温度计算出现误差。

从分析中可以得出，斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子中杂散光噪声的引入，将必然影响到传感光纤的温度计算，但影响温度计算的参量主要与传感光纤的距离L和定标光纤处的温度T0有关。为了保证传感光纤温度计算的准确性，必须寻找到传感光纤温度误差ΔT与定标光纤温度T0、传感光纤所处距离L之间的函数关系ΔT[n(L*T₀)]。经过大量的实验数据分析和仿真，本发明给出了定标光纤温度补偿函数：

$1/\mathrm{\Δ}T=(T_0-T_{0a})/T_{0a}*L/L_a*\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}*\ln \frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}---\left(6\right)$

T_0a为温度校准时定标光纤处的温度，L_a为传感光纤的总长度。通过公式6的温度补偿，分布式光纤拉曼温度传感器中由于光噪声的存在对测温准确性带来的影响将大大减小，进而提高系统的环境温度适应范围。

当所述分布式光纤拉曼温度传感器长25千米时，其包含一段长度为180m的定标光纤；在所述定标光纤为25℃时，对所述传感光纤进行温度校准，校准之后的温度误差小于±1℃。

普通的分布式光纤温度传感器一次性校准温度之后，保证测温误差小于±1℃时，其环境温度适应范围约10℃；增加本发明的温度补偿算法之后，分布式光纤温度传感器一次性校准之后，保证温度误差小于±1℃时，其环境温度适应范围可以达到60℃。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，其特征在于：包括下述步骤:

确定所述传感器的传感光纤温度T；

确定所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT；

根据所述传感器的传感光纤温度T和所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT确定所述传感器的传感光纤的最终温度。

2.如权利要求1所述的一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，其特征在于：在确定所述传感器的传感光纤温度T前还包括：

将所述分布式光纤拉曼温度传感器处在一个恒定的温度下，记此时定标光纤的温度为T_0a和传感光纤总长度记为L_a；在该温度条件下对所述传感器进行温度校准，保存所述传感器的参数；

更换所述分布式光纤拉曼温度传感器所处环境温度，保持所述传感器的参数不变，记更换环境温度后的定标光纤的温度记为T₀。

3.如权利要求2所述的一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，其特征在于：通过所述传感器的传感光纤的斯托克斯拉曼散射波和反斯托克斯拉曼散射波强度的信号电压比来检测所述传感光纤的温度T。

4.如权利要求3所述的一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，其特征在于：当所述斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子不参杂其它杂散光时，所述传感器的传感光纤温度T通过下式确定：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{h\mathrm{\Δ}v}\·\ln \frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}$

其中，h是波朗克(Planck)常数，Δν是一光纤分子的声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，ν_ASR,ν_SR分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率。

5.如权利要求1所述的一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，其特征在于：所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT通过下式确定：

$1/\mathrm{\Δ}T=(T_0-T_{0a})/T_{0a}*L/L_a*\frac{k}{h\mathrm{\Δ}v}*\ln \frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}$

其中，T₀为定标光纤的温度，T_0a为分布式光纤拉曼温度传感器温度校准时定标光纤的温度，L为传感测器温点的距离，La为传感器测温总长度，h是波朗克常数，Δν是光纤分子的声子频率，k是波尔兹曼常数。

6.如权利要求1所述的一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，其特征在于：所述传感器的传感光纤的最终温度为所述传感器的传感光纤温度T与所述传感器的传感光纤的误差温度ΔT之和。

7.如权利要求2所述的一种分布式拉曼温度传感器温度补偿方法，其特征在于：当所述分布式光纤拉曼温度传感器长25千米时，其包含一段长度为180m的定标光纤；在所述定标光纤为25℃时，对所述传感光纤进行温度校准，校准之后的温度误差小于±1℃。