CN107421657A - 拉曼光纤温度传感系统及其噪声补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感技术领域，公开一种拉曼光纤温度传感系统及其噪声补偿方法，以考虑波分复用等环节所引入的噪声实现对整体光纤段测量结果的数据矫正。本发明的技术方案中，将采集光纤上同一点在不同测量温度下斯托克斯光与反斯托克斯光的比值与的比值N₀(T)看作恒定常数与噪声补偿函数的乘积；然后选取两测温参考段，借助两参考段的测量数据来求解系数B，得到系数B后，对光纤上每个点，得到温度解调公式。进一步的，本发明还可结合光纤距离损耗系数，实现对整体光纤段测量结果更精确的数据矫正。

Description

拉曼光纤温度传感系统及其噪声补偿方法

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种拉曼光纤温度传感系统及其噪声补偿方法。

背景技术

伴随经济的不断发展，为了能最大限度提高空间利用率，越来越多的企业选择使用立体仓库来存放其货品。立体仓库采用多层货架，货物被放置于货架上的各个货位中，仓库采用自动化物料搬运设备进行货物的入库出库作业，系统结构具有高度的机械化、自动化特点。由于立体仓库内货物容纳多，仓库的单位面积火灾载荷普遍偏高，且危险化学品由于其易燃易爆，具有腐蚀性等特点，在发生事故后会造成更为巨大的损失。而不同危化品在出现失火情况时的灭火方式也有不同要求，为保证安全生产，针对危化品的立体仓库在货物分类放置的同时对温度监管及高温点定位有着更高的要求。

现有针对立体仓库的温度监管系统多以点式温度探测器为主，单个探测器的监测范围有限且需要进行繁琐的监控点布网设计，分布式光纤传感器是近年发展起来的实时、连续测量空间温度场的测量技术。设备将光纤作为信息传感部件，光纤传感器所具有的便于铺设、安全等特点使得其被广泛应用于地铁、输油管路、危化品库房等地的温度监管。

基于拉曼散射的分布式光纤传感器借助了光的拉曼散射原理。光在光纤中传播时，由于拉曼散射的原因产生频率不同的散射光，其中高于入射光频率的散射光被称为反斯托克斯光，而低于入射光频率的散射光则被称为斯托克斯光。散射生成的反斯托克斯光强度与产生散射处的温度有一定关系，可以通过测量散射光功率的方式，结合光时域反射(OTDR)技术实现对一条光纤上各点处的温度采集。

然而，基于拉曼散射的测温技术存在一定不足，由于拉曼散射生成的散射光光强极弱，设备内部雪崩光电二极管(APD)转换所得的电信号中除去携带温度信息的反斯托克斯光信号外还掺杂有其他噪声，目前普遍采用累加平均的方式来提高信号信噪比，但累加平均仅对白噪声有一定去噪作用，难以解决波分复用等环节所引入的噪声；此外，检测信号在这一光- 电转换过程中由于APD电路偏置电压、工作温度等各环境因素的影响，光信号转换为电信号后引入部分误差，此误差与被检测光强度有关。这些噪声都会导致最终测量温度与实际温度之间产生偏差，应予以分析研究。

发明内容

本发明的目的在于公开一种拉曼光纤温度传感系统及其噪声补偿方法，以考虑波分复用等环节所引入的噪声实现对整体光纤段测量结果的数据矫正。

为实现上述目的，本发明公开一种拉曼光纤温度传感系统的噪声补偿方法，包括：

将采集光纤上同一点在不同测量温度下斯托克斯光与反斯托克斯光的比值与的比值N₀(T)看作恒定常数与噪声补偿函数的乘积；

N₀(T)＝A*exp(B/x)

上式中，P_as、P_s分别为斯托克斯光、反斯托克斯光信号测量值；

选取两测温参考段，借助两参考段的测量数据来求解系数B；具体包括：将两温度参考段放置于不同温度的环境中，分别记为T₁、T₂，两参考段的反斯托克斯光与斯托克斯光信号的比值各记为γ₁、γ₂；则有：

上式中，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常量，Δ_v为拉曼频移；

得到系数B后，对光纤上每个点，得到温度解调公式如下：

上式中，T为测量点温度值，T₀为温度参考点热电偶所测温度，B为矫正系数，α_s、α_as分别为反斯托克斯光、斯托克斯光的传输损耗系数，l为测量点距接收器端的距离，γ、γ₀分别为待求解测量点、温度参考点的反斯托克斯光信号与斯托克斯光信号的比值。

优选地，本发明还结合光纤距离损耗系数，实现对整体光纤段测量结果的数据矫正；其中，对传输损耗系数(α_s-α_as)进行求解如下：

将光纤测温段整体置于室温，采集比值数据随距离呈现衰减趋势，此时光纤段测量数据是只与距离有关的指数函数，光纤上各点所采集得到的比值信号可表示为：

其中，X指在此温度下光纤自发拉曼散射生成的比值信号的值，l为测量点距接收器端的距离，可用最小二乘拟合从而求解距离损耗系数；且在不改变布线环境下可认为光纤的测温距离损耗系数为定值；对应的，优化后的温度解调公式如下：

上式中，l₀为参考光纤段距接收器端的距离，l为所求解光纤段距接收器端的距离。

为实现上述目的，本发明还公开一种拉曼光纤温度传感系统，包括高速脉冲光源、数据采集器、光耦合器、分光器、雪崩光电二极管电路、放大电路、数据采集卡及PC机；其中：高速脉冲光源经数据采集器同步控制下向光纤中发射高速脉冲光，并经光耦合器后进入光纤；注入光纤的脉冲光会在经过各点时形成自发拉曼散射，产生的后向散射光经分光器后由波分复用环节分离出斯托克斯光及反斯托克斯光，二者经雪崩光电二极管电路及放大电路后被数据采集卡所采集进而将数据转发给PC机，供PC机执行上述方法的数据处理。

综上，采用本发明的技术方案，测温系统设置两段不同温度的参考光纤，采集两参考光纤返回数据实现对矫正函数中系数的求解，同时还可结合光纤距离损耗系数，实现对整体光纤段测量结果的数据矫正。针对单点进行测温实验，在采用噪声补偿函数后平均误差降至0.61℃，针对光纤整体进行温度解调，测量平均误差0.46℃，算法有效降低了测温误差，具有实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的测温系统结构图；

图2为本发明实施例所提供的不同噪声影响系数下测量信号与实际信号比值关系图；

图3为本发明实施例所提供的N₀(T)与温度关系图；

图4为本发明实施例所提供的N₀(T)与温度的拟合矫正函数图；

图5为本发明实施例所提供的采用补偿算法后测量温度值与初始温度值对比曲线图；

图6为本发明实施例所提供的光纤环处所测温度值示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

实施例1

本实施例公开一种拉曼光纤温度传感系统的噪声补偿方法。分对应的布式光纤测温系统如图1所示，由光纤信息采集部分、PC机数据分析部分及测温光纤部分组成。测温系统利用反斯托克斯光与斯托克斯光的双路解调方法，通过将接收端所采集的各位置反斯托克斯光信号与斯托克斯光信号作比值来减少光源功率波动及光纤传输损耗对测量精度的影响。且下述图2至图5中相关的采样数据所对应的实验场景为；测温系统外接铠装多模光纤，光纤前段有一部分作为参考光纤段，剩余测温光纤部分缠绕于立体仓库实验环境，其搭建有50个货位的危化品立体仓储实验平台，将测温光纤尾侧缠绕于立库货架中，立库共有五层，上下间距为30cm，每层布置有10个货位，每个货位长70cm，宽60cm；测温光纤以“之”字形由位于最左下方货位起缠绕，最终布线至货架最左上方。

本领域技术人员所熟知的：拉曼散射是入射光子与光纤介质所产生的非弹性碰撞，所形成的斯托克斯光与反斯托克斯光携带有光纤介质的温度信息，设备在进行计算时所用的斯托克斯光、反斯托克斯光信号数值是经过光电转换放大后的模拟信号，最终数据接收端所采集到的背向反斯托克斯光与斯托克斯光信号的比值R(T)满足：

其中，K₁为反斯托克斯光及斯托克斯光散射界面的相关系数，v_as、v_s分别为反斯托克斯光、斯托克斯光波长，Δ_v为拉曼频移，测温光纤主要材质为石英，对应拉曼频移为1.32*10^13HZ，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，α_s、α_as分别为反斯托克斯光、斯托克斯光的传输损耗系数，l为测量点距接收器端的距离。通常基于斯托克斯光及反斯托克斯光的测温系统会在系统内设置参考光纤段，利用热电偶测量其温度，结合反斯托克斯光与斯托克斯光强度的比值便能得到光纤上其他各点的温度值，计算公式如下：

采用斯托克斯光、反斯托克斯光的双通道解调方法可减少光源功率波动及光纤异常损耗对测量结果的影响。

式(1)中给出的是光路的信号比值关系，设备在进行数据采集时以经光电转换及放大电路之后所得到的电信号为基准。而这一信号在转换过程及放大传输过程中不可避免的会引入其他噪声，导致最终电信号的比值R₁(T)与公式(1) 存在偏差，为减少噪声对测量结果的影响，通常在数据采集卡端进行多次的均值去噪，然而这一滤波方式仅对白噪声有较好的滤除效果，难以滤除波分复用、光电转换及放大电路等环节引入的噪声，这些噪声被设备作为携带温度信息的信号，最终对测量结果造成影响。

假设设备接收到的经均值滤波后的斯托克斯光及反斯托克斯光信号中的噪声均为一固定值，即：

其中，γ为噪声值，视为常数，P_asr、P_sr分别为斯托克斯光、反斯托克斯光信号真实值，P_as、P_s为斯托克斯光、反斯托克斯光信号测量值，记为噪声系数 n，结合公式(1)，则有：

为探究噪声系数对设备测量值的影响，记求解不同温度、不同噪声影响系数下的结果如图2所示。

图2绘制了不同n值下测量比值信号与实际信号的比值曲线。由图可知：噪声的存在使得测量信号值在温度高于30℃后小于真实值，这种噪声对于测量结果的影响存在于光纤各个数据采集点，即数据解调时参考光纤的参考值及测量光纤测量的信号值都与实际数据存在偏差，由于这一偏差与温度有关，无法由式(2)进行参数简化，最终对测量结果造成影响。

为了验证噪声对测量信号影响的分析，采集光纤上同一点在不同测量温度下斯托克斯光与反斯托克斯光的比值，将其与的比值看作恒定常数与噪声补偿函数的乘积，记为N₀(T)所得函数图像如图3所示。

由图3可知：N₀(T)随测量点温度的升高而降低。为减少噪声对最终测量结果的影响，需要设计噪声补偿函数减少测得比值信号与真实比值信号间的误差。故此，针对N₀(T)进行拟合，假设N₀(T)满足：

N₀(T)＝A*exp(B/T)………………(5)

拟合图像如图4所示。

对应图3，理论上可以用一个参考段多次实验拟合求解参数A、B，但藉此付出的时间成本会比较高；而且在具体处理过程时需要一开始定标，而实际用的时候设备老化，工作环境波动等都会导致A、B数值发生变动，那样测量结果会存在不精确的缺陷；若一边测温而一边参考光纤段又一直升温，也会导致无法精确测量的缺陷。藉此，这两个参数与设备运行时各部分运行情况相关，需要在测温的同时进行求解；在同步测温时，本实施例可选取两测温参考段，借助两参考段的测量数据来求解系数。例如：将两温度参考段放置于水浴箱内，两水浴环境设置不同温度，记为T₁、T₂，两参考段的反斯托克斯光与斯托克斯光信号的比值各记为γ₁、γ₂。则有：

值得说明的是：上述求解系数B所涉及的两参考段，优选地，由于系统已有上述公式(2)所对应的参考光纤段，以此，为简化系统、节约资源并加快处理过程，上述公式(6)所对应的两参考段其中之一可采用已有的参考光纤段来进行相关的数据采集，但此种变通为优选方式，非实现本发明的强制性条件。另一方面，实际应用时，由于系数B与光源功率有关系，及每次的系统重启所对应的系数B仅适用于当时设备参数的测量结果，换言之，优选地，系统开启后每次测量都根据两段参考段求解系数B，然后应用于整体光纤段。

藉此，引入温度噪声补偿函数后，针对测量点的温度计算公式如下所示：

其中，γ、γ₀分别为测量点、温度参考点的反斯托克斯光信号与斯托克斯光信号的比值，T为测量点温度值，T₀为温度参考点热电偶所测温度，B为矫正系数，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常量，Δ_v为拉曼频移。

采用补偿算法后测量温度值与初始温度值对比曲线如图5所示，由图可知：拟合前平均测温误差为7.4℃，且随实际温度升高误差逐渐升高，拟合后平均误差为0.61℃。采用噪声补偿函数所得解调结果与实际温度更为接近。

进一步的，本发明实施例还进一步做如下优化：

另一方面，由于斯托克斯光及反斯托克斯光波长不同，二者在光纤中传输时其传输损耗系数也不同，这一差异会导致接收器端接收到的反斯托克斯光信号与斯托克斯光信号的比值在恒温区呈现倾斜现象。为实现对整个光纤段的温度测算，在测量时除了求解N₀(T)外还可以进一步对传输损耗系数(α_s-α_as)进行求解。

为此，本实施例中，将光纤测温段整体置于室温，采集比值数据随距离呈现衰减趋势，此时光纤段测量数据是只与距离有关的指数函数，光纤上各点所采集得到的比值信号可表示为：

其中，X指在此温度下光纤自发拉曼散射生成的比值信号的值，l为测量点距接收器端的距离，可用最小二乘拟合从而求解距离损耗系数。引入距离损耗系数遏制了比例系数随距离下降的趋势，由于距离损耗系数主要与光纤弯曲程度、材质等因素有关，对同一测温光纤而言，在不改变其布线环境下可认为其测温距离损耗系数为定值。

经引入噪声补偿函数并对公式中距离损耗系数进行求解后，测温光纤部分各采样点信号比值与温度的关系可简化为：

通过上式(6)求解系数B，得到系数B后，对光纤上每个点，温度解调公式如下：

其中，l₀为参考光纤段距接收器端的距离，l为所求解光纤段距接收器端的距离。套用公式所得整个光纤段温度曲线。测温系统中200～230m段为光纤参考段1，347～350m段为光纤参考段2，于1780m处缠绕光纤环置于水浴箱内加热，所得距离-温度曲线如图6所示：共进行了四次实验，设定温度分别为 50℃、60℃、70℃、80℃，所得温度数据与实际温度相近，单次实验平均误差分别为0.31℃、0.20℃、0.47℃、0.85℃，平均误差0.46℃。

值得说明的是，上述公式(10)是考虑距离损耗系数后公式(7)更为精确地表现形式，公式(10)中所增加的因子可视为是对上述公式(7)中的比值因距离损耗对γ、γ₀的补偿。

综上，本实施例所公开的方法，为解决立体仓库温度监管温度，选用基于拉曼散射的测温系统进行分布式温度监控；针对拉曼测温系统中由于噪声导致的设备采集的比值信号与光路内真实值间的偏差进行了研究，并针对随温度变化呈现不同偏差的比值信号建立了矫正函数。测温系统设置两段不同温度的参考光纤，采集两参考光纤返回数据实现对矫正函数中系数的求解，同时结合光纤距离损耗系数，实现对整体光纤段测量结果的数据矫正。针对单点进行测温实验，在采用噪声补偿函数后平均误差降至0.61℃，针对光纤整体进行温度解调，于1.78km处进行测温实验，测量平均误差0.46℃，算法有效降低了测温误差，具有实用价值。

实施例2

与上述方法相对应的，本实施例公开一种拉曼光纤温度传感系统，包括高速脉冲光源、数据采集器、光耦合器、分光器、雪崩光电二极管电路、放大电路、数据采集卡及PC机；其中：高速脉冲光源经数据采集器同步控制下向光纤中发射高速脉冲光，并经光耦合器后进入光纤；注入光纤的脉冲光会在经过各点时形成自发拉曼散射，产生的后向散射光经分光器后由波分复用环节分离出斯托克斯光及反斯托克斯光，二者经雪崩光电二极管电路及放大电路后被数据采集卡所采集进而将数据转发给PC机，供PC机执行上述方法实施例中的相关数据处理。

同理，本实施例公开的系统，为解决立体仓库温度监管温度，选用基于拉曼散射的测温系统进行分布式温度监控；针对拉曼测温系统中由于噪声导致的设备采集的比值信号与光路内真实值间的偏差进行了研究，并针对随温度变化呈现不同偏差的比值信号建立了矫正函数。测温系统设置两段不同温度的参考光纤，采集两参考光纤返回数据实现对矫正函数中系数的求解，同时结合光纤距离损耗系数，实现对整体光纤段测量结果的数据矫正。针对单点进行测温实验，在采用噪声补偿函数后平均误差降至0.61℃，针对光纤整体进行温度解调，于1.78km处进行测温实验，测量平均误差0.46℃，算法有效降低了测温误差，具有实用价值。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (3)

1.一种拉曼光纤温度传感系统的噪声补偿方法，其特征在于，包括：

将采集光纤上同一点在不同测量温度下斯托克斯光与反斯托克斯光的比值与的比值N₀(T)看作恒定常数与噪声补偿函数的乘积；

N₀(T)＝A*exp(B/x)

上式中，P_as、P_s分别为斯托克斯光、反斯托克斯光信号测量值；

选取两测温参考段，借助两参考段的测量数据来求解系数B；具体包括：将两温度参考段放置于不同温度的环境中，分别记为T₁、T₂，两参考段的反斯托克斯光与斯托克斯光信号的比值各记为γ₁、γ₂；则有：

上式中，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常量，Δ_v为拉曼频移；

得到系数B后，对光纤上每个点，得到温度解调公式如下：

上式中，T为测量点温度值，T₀为温度参考点热电偶所测温度，B为矫正系数，α_s、α_as分别为反斯托克斯光、斯托克斯光的传输损耗系数，l为测量点距接收器端的距离，γ、γ₀分别为待求解测量点、温度参考点的反斯托克斯光信号与斯托克斯光信号的比值。

2.根据权利要求1所述的拉曼光纤温度传感系统的噪声补偿方法，其特征在于，还包括结合光纤距离损耗系数，实现对整体光纤段测量结果的数据矫正；其中，对传输损耗系数(α_s-α_as)进行求解如下：

将光纤测温段整体置于室温，采集比值数据随距离呈现衰减趋势，此时光纤段测量数据是只与距离有关的指数函数，光纤上各点所采集得到的比值信号可表示为：

其中，X指在此温度下光纤自发拉曼散射生成的比值信号的值，l为测量点距接收器端的距离，可用最小二乘拟合从而求解距离损耗系数；且在不改变布线环境下可认为光纤的测温距离损耗系数为定值；

对应的，优化后的温度解调公式如下：

上式中，l₀为参考光纤段距接收器端的距离，l为所求解光纤段距接收器端的距离。

3.一种拉曼光纤温度传感系统，其特征在于，包括高速脉冲光源、数据采集器、光耦合器、分光器、雪崩光电二极管电路、放大电路、数据采集卡及PC机；其中：高速脉冲光源经数据采集器同步控制下向光纤中发射高速脉冲光，并经光耦合器后进入光纤；注入光纤的脉冲光会在经过各点时形成自发拉曼散射，产生的后向散射光经分光器后由波分复用环节分离出斯托克斯光及反斯托克斯光，二者经雪崩光电二极管电路及放大电路后被数据采集卡所采集进而将数据转发给PC机，供PC机执行如权利要求1或2所述方法的数据处理。