CN108458814A - 面向光纤拉曼温度传感系统的自校准检测装置及温度解调方法 - Google Patents

面向光纤拉曼温度传感系统的自校准检测装置及温度解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向光纤拉曼温度传感系统的自校准检测装置及温度解调方法；其中，自校准检测装置包括光纤拉曼测温仪、恒温槽、多模传感光纤和多模反射镜；光纤拉曼测温仪包括脉冲激光器、脉冲激光器的输出端与WDM的输入端连接；WDM的2个输出端分别与第一APD和第二APD的输入端连接；第一APD的输出端与第一LNA的输入端连接；第二APD的输出端与第二LNA的输入端连接；第一LNA和第二LNA的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接。本发明解决现有分布式光纤拉曼测温系统中的温度解调方法导致系统的测温精度低、测温稳定性较低和测温效率低的问题。

Description

面向光纤拉曼温度传感系统的自校准检测装置及温度解调 方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感系统中的温度解调领域，具体是一种面向光纤拉曼传感系统的自校准温度检测装置及温度解调方法。
背景技术
分布式光纤传感技术是利用光纤自身既作为信号传输介质又作为传感单元，从而获取整个光纤链路的外部物理量分布情况。分布式光纤传感系统测量精度高，传感距离长，并且具有较好的可靠性，现已广泛应用于智能电网等基础设施的健康监测。
在分布式光纤拉曼测温系统中，目前常用的温度解调方法是利用Stokes后向散射光作为参考通道，利用anti-Stokes后向散射光作为信号通道，然后利用这两种后向散射光的光强比值来解调光纤沿线的温度信息。然而实践表明，现有温度解调方法由于自身原理所限，存在如下问题：其一、由于Stokes光和anti-Stokes光的波长不同，其在光纤中的传播速度存在差异，因此同一位置散射回来的Stokes光和anti-Stokes光到达数据采集卡的时间不同，导致数据采集卡在同一时间采集到的Stokes光和anti-Stokes光并不是来自同一位置，由此导致信号错位，从而导致系统的测温精度低和测温稳定性较低；其二、在现有温度解调方法中，必须在测温前将整条待测光纤置于恒温下进行定标处理(倘若更换待测光纤、调整激光器功率或更换任意系统器件，则必须重新进行定标处理)，由此导致操作繁琐，从而导致系统的测温效率低；其三、由于拉曼信号较弱，系统采用高增益的APD作为接收拉曼信号的器件，但是APD的增益随温度的变化影响较大，由于现有解调方法为考虑APD增益对测温结果的影响，最后导致系统的测温精度测温稳定性较低；其四、拉曼测温系统在面向工程应用过程中，传感光纤的铺设会导致光纤出现较大程度的弯曲或变形，这种现象也会极大的影响系统的测温精度和稳定性。
基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，以解决现有分布式光纤传感系统中由于光纤色散、APD光电响应不一致、光纤突变损耗及系统前期定标的过程，导致系统的测温精度低、测温稳定性较低及前期需要定标处理的问题。
发明内容
为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统由于光纤色散、APD温漂及光纤突变弯曲等现象导致系统测温性能急剧下降的问题，本发明提出了一种面向分布式光纤拉曼温度传感系统的自校准检测装置及温度解调方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种面向光纤拉曼温度传感系统的自校准检测装置，包括光纤拉曼测温仪、恒温槽、多模传感光纤和多模反射镜。
所述光纤拉曼测温仪包括脉冲激光器、WDM、2个APD、2个LNA、数据采集卡、计算机；其中，脉冲激光器的输出端与WDM的输入端连接；WDM的2个输出端分别与第一APD和第二APD的输入端连接；第一APD的输出端与第一LNA的输入端连接；第二APD的输出端与第二LNA的输入端连接；第一LNA和第二LNA的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接。
多模传感光纤的输入端与WDM的公共端连接，其中多模传感光纤的中间部分分别绕制有第一参考光纤环和第二参考光纤环，后部作为待测传感光纤；第一参考光纤环放置于第一恒温槽中，第二参考光纤环放置于第二恒温槽中；其中，待测传感光纤的输出端连接多模光纤反射镜。
一种面向光纤拉曼温度传感系统的温度解调方法，包括如下步骤：
步骤一：搭建上述的面向光纤拉曼传感系统的自校准温度检测装置。
步骤二：Stokes光色散补偿插值处理
将第一恒温槽的温度值设置为Tc；将第二恒温槽的温度值设置为T2；然后，启动光纤拉曼测温仪，脉冲激光器发出的激光脉冲经WDM入射到第一参考光纤环、第二参考光纤环、待测传感光纤和多模反射镜；激光脉冲在多模传感光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得多模传感光纤的各个位置均产生的Stokes光和anti-Stokes光；其中在光纤中产生的后向Stokes光和anti-Stokes光经WDM首先分别到达第一APD、第一LNA和第二APD、第二LNA进行光电转换和放大，最后进入高速采集卡和计算机进行数据采集得到光纤沿线的Stokes光和anti-Stokes光的位置和光强信息。
根据第一参考光纤环和第二参考光纤环的Stokes光和anti-Stokes光的光强曲线中的位置，对光纤沿线全部的Stokes光进行插值处理，由此使得多模传感光纤的同一位置产生的Stokes光和anti-Stokes光到达数据采集卡的时间相同。
插值处理的具体步骤如下：
采集卡检测的第一参考光纤环位置处的Stokes光和anti-Stokes光的位置为Ls1和La1，第二参考光纤环位置处的Stokes光和anti-Stokes光的位置为Ls2和La2，并令其中，φs(L)表示多模传感光纤的某一位置产生的Stokes光的光强值；L表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离。
步骤三：后向Stokes光和anti-Stokes光的信号处理
数据采集卡得到anti-Stokes光和Stokes光的后向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，Ks和Ka为与光纤散射端截面有关的系数，Vs和Va为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率，FT为APD的光电转换因子，h、K分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为光纤的拉曼频移量为13.2THz，αs、αa分别为入Stokes光和anti-Stokes光在光纤中单位长度下的衰减系数；T表示待测传感光纤位置l的温度值；l表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离。
其中，第一参考光纤环位置的anti-Stokes光和Stokes光后向散射光强比值表示为：
式中，Tc表示第一参考光纤环位置lc的温度值；lc表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离；
公式(1)和(2)的比值为：
步骤四、前向Stokes光和anti-Stokes光的信号处理
接着在光纤中产生的前向Stokes光和anti-Stokes光被多模反射镜反射后经WDM分别再次到达第一APD、第一LNA和第二APD、第二LNA也进行光电转换和放大，进入高速采集卡和计算机后得到anti-Stokes光和Stokes光的前向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，Ra和Rs为多模反射镜对anti-Stokes光和Stokes光的反射率，L为整个多模传感光纤的长度。
其中，第一参考光纤环位置的anti-Stokes光和Stokes光前向散射光强比值表示为：
公式(4)和(5)的比值为：
步骤五、面向光纤拉曼传感系统的自校准温度解调方法
将公式(3)和(6)化解后得
化解公式(7)可得具体的光纤沿线温度解调公式，公式如下：
与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述的面向光纤拉曼传感系统的自校准温度检测装置及温度解调方法具有如下优点：
第一、本发明利用双段参考光纤环散射信号的位置信息对Stokes光的位置进行插值处理，使其采集卡可以在同一时间接收到同一位置的Stokes光和anti-Stokes光的光强信息，避免光纤色散对测温精度和测温稳定性的影响。
第二、本发明创造性的利用后向和前向拉曼散射光对光线沿线的温度进行解调，避免了测量阶段光纤弯曲对测温精度和测温稳定性的影响。
第三、本发明无需在温度测量前进行定标处理，加快了分布式光纤传感系统更加便捷的面向工业化的进程。
本发明设计合理，有效解决了现有分布式光纤拉曼测温系统中的温度解调方法导致系统的测温精度低、测温稳定性较低和测温效率低的问题，适用于分布式光纤拉曼测温系统。
附图说明
图1表示本发明中面向光纤拉曼传感系统的自校准温度检测装置示意图。
图中：1-脉冲激光器，2-WDM(波分复用器1550nm/1450nm/1650nm)，3-第一参考光纤环，4-第一恒温槽，5-第二参考光纤环，6-第二恒温槽，7-待测传感光纤，8-多模反射镜，9-第一APD(雪崩光电二极管)，10-第一LNA(低噪放大器)，11-第二APD(雪崩光电二极管)，12-第二LNA(低噪放大器)，13-高速数据采集卡，14-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种面向光纤拉曼传感系统的温度解调方法由以下自校准温度检测装置来实现。该装置包括1550nm脉冲激光器、波分复用器(WDM)、2个雪崩光电二极管(APD)、2个低噪放大器(LNA)、多模传感光纤(普通多模光纤)、数据采集卡、计算机、2段参考光纤环、2个恒温槽(用于放置第一参考光纤环和第二参考光纤环)和1个多模光纤反射镜。
一种面向光纤拉曼传感系统的温度解调方法分为以下4个步骤。
步骤一、搭建面向光纤拉曼传感系统的自校准温度检测装置；
面向光纤拉曼传感系统的自校准温度检测装置包括光纤拉曼测温仪、参考光纤环、恒温槽、多模传感光纤和多模反射镜。
如图1所示，光纤拉曼测温仪包括脉冲激光器、WDM、2个APD、2个LNA、数据采集卡、计算机；其中，脉冲激光器1的输出端与WDM 2的输入端连接；WDM 2的2个输出端分别与第一APD 9和第二APD 11的输入端连接；第一APD 9的输出端与第一LNA 10的输入端连接；第二APD 11的输出端与第二LNA 12的输入端连接；第一LNA 10和第二LNA 12的输出端与数据采集卡13的输入端连接；数据采集卡13的输出端与计算机14的输入端连接。
多模传感光纤的输入端与WDM 2的公共端连接，其中多模传感光纤的中间部分分别绕制有第一参考光纤环3和第二参考光纤环5，后部作为待测传感光纤7；第一参考光纤环3放置于第一恒温槽4中，第二参考光纤环5放置于第二恒温槽6中；其中，第一参考光纤环3的输出端与第二参考光纤环5的入射端连接，第二参考光纤环5的输出端与待测传感光纤7的入射端连接，待测传感光纤7的输出端连接多模光纤反射镜8。
步骤二、Stokes光色散补偿插值处理
将第一恒温槽的温度值设置为Tc；将第二恒温槽的温度值设置为T2；然后，启动光纤拉曼测温仪，脉冲激光器发出的激光脉冲经WDM入射到第一参考光纤环、第二参考光纤环、待测传感光纤和多模反射镜；激光脉冲在多模传感光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得多模传感光纤的各个位置均产生的Stokes光和anti-Stokes光。
其中，Stokes光依次经WDM、第一APD、第一LNA入射到数据采集卡，数据采集卡对Stokes光进行模数转换，由此得到Stokes光的光强曲线。
anti-Stokes光依次经WDM、第二APD、第二LNA入射到数据采集卡，数据采集卡对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到anti-Stokes光的光强曲线。
数据采集卡和计算机检测出第一参考光纤环和第二参考光纤环的Stokes光和anti-Stokes光的位置信息，利用Stokes光和anti-Stokes光在光纤中的传播速度对Stokes光的位置进行插值处理；由此使得多模传感光纤的同一位置产生的Stokes光和anti-Stokes光到达数据采集卡的时间相同。
插值处理的具体步骤如下：
数据采集卡检测的第一参考光纤环位置处的Stokes光和anti-Stokes光的位置为Ls1和La1，第二参考光纤环位置处的Stokes光和anti-Stokes光的位置为Ls2和La2，并令其中，φs(L)表示多模传感光纤的某一位置产生的Stokes光的光强值；L表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离。
步骤三、后向Stokes光和anti-Stokes光的信号处理
数据采集卡和计算机对采集得到后向Stokes光和anti-Stokes光的光强数据进行数据处理；
数据采集卡得到anti-Stokes光和Stokes光的后向散射光强曲线，其光强比值可表示为：
式中，Ks和Ka为与光纤散射端截面有关的系数，Vs和Va为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率，FT为APD的光电转换因子，h、K分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为光纤的拉曼频移量为13.2THz，αs、αa分别为入Stokes光和anti-Stokes光在光纤中单位长度下的衰减系数；T表示待测传感光纤位置l的温度值；l表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离；
其中，第一参考光纤环位置的anti-Stokes光和Stokes光后向散射光强比值可表示为：
式中，Tc表示第一参考光纤环位置lc的温度值；lc表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离；
公式(1)和(2)的比值为：
步骤四、前向Stokes光和anti-Stokes光的信号处理
接着在光纤中产生的前向Stokes光和anti-Stokes光被多模反射镜反射后经WDM分别再次到达第一APD、第一LNA和第二APD、第二LNA也进行光电转换和放大，进入高速采集卡和计算机后得到anti-Stokes光和Stokes光的前向散射光强曲线，其光强比值可表示为：
式中，Ra和Rs为多模反射镜对anti-Stokes光和Stokes光的反射率，L为整个多模传感光纤的长度；
其中，第一参考光纤环位置的anti-Stokes光和Stokes光前向散射光强比值可表示为：
公式(4)和(5)的比值为：
步骤五、面向光纤拉曼传感系统的自校准温度解调方法
光纤拉曼测温仪根据传感光纤的前向和后向Stokes光和anti-Stokes光的光强数据解调沿光纤分布的温度数据。
将公式(3)和(6)化解后得
化解公式(7)可得具体的光纤沿线温度解调公式，公式如下：
具体实施时，所述脉冲激光器的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz。所述WDM的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm。所述APD的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm。所述LNA的带宽为100MHz。所述数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz。所述多模传感光纤为普通多模光纤。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种面向光纤拉曼温度传感系统的自校准检测装置，其特征在于：包括光纤拉曼测温仪、恒温槽、多模传感光纤和多模反射镜；
所述光纤拉曼测温仪包括脉冲激光器、WDM、2个APD、2个LNA、数据采集卡、计算机；其中，脉冲激光器(1)的输出端与WDM(2)的输入端连接；WDM(2)的2个输出端分别与第一APD(9)和第二APD(11)的输入端连接；第一APD(9)的输出端与第一LNA(10)的输入端连接；第二APD(11)的输出端与第二LNA(12)的输入端连接；第一LNA(10)和第二LNA(12)的输出端与数据采集卡(13)的输入端连接；数据采集卡(13)的输出端与计算机(14)的输入端连接；
多模传感光纤的输入端与WDM(2)的公共端连接，其中多模传感光纤的中间部分分别绕制有第一参考光纤环(3)和第二参考光纤环(5)，后部作为待测传感光纤(7)；第一参考光纤环(3)放置于第一恒温槽(4)中，第二参考光纤环(5)放置于第二恒温槽(6)中；其中，待测传感光纤(7)的输出端连接多模光纤反射镜(8)。
2.一种面向光纤拉曼温度传感系统的温度解调方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：搭建权利要求1所述的面向光纤拉曼传感系统的自校准温度检测装置；
步骤二：Stokes光色散补偿插值处理
将第一恒温槽的温度值设置为Tc；将第二恒温槽的温度值设置为T2；然后，启动光纤拉曼测温仪，脉冲激光器发出的激光脉冲经WDM入射到第一参考光纤环、第二参考光纤环、待测传感光纤和多模反射镜；激光脉冲在多模传感光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得多模传感光纤的各个位置均产生的Stokes光和anti-Stokes光；其中在光纤中产生的后向Stokes光和anti-Stokes光经WDM首先分别到达第一APD、第一LNA和第二APD、第二LNA进行光电转换和放大，最后进入高速采集卡和计算机进行数据采集得到光纤沿线的Stokes光和anti-Stokes光的位置和光强信息；
根据第一参考光纤环和第二参考光纤环的Stokes光和anti-Stokes光的光强曲线中的位置，对光纤沿线全部的Stokes光进行插值处理，由此使得多模传感光纤的同一位置产生的Stokes光和anti-Stokes光到达数据采集卡的时间相同；
插值处理的具体步骤如下：
采集卡检测的第一参考光纤环位置处的Stokes光和anti-Stokes光的位置为Ls1和La1，第二参考光纤环位置处的Stokes光和anti-Stokes光的位置为Ls2和La2，并令其中，φs(L)表示多模传感光纤的某一位置产生的Stokes光的光强值；L表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离；
步骤三：后向Stokes光和anti-Stokes光的信号处理
采集卡得到anti-Stokes光和Stokes光的后向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，Ks和Ka为与光纤散射端截面有关的系数，Vs和Va为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率，FT为APD的光电转换因子，h、K分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为光纤的拉曼频移量为13.2THz，αs、αa分别为入Stokes光和anti-Stokes光在光纤中单位长度下的衰减系数；T表示待测传感光纤位置l的温度值；l表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离；
其中，第一参考光纤环位置的anti-Stokes光和Stokes光后向散射光强比值表示为：
式中，Tc表示第一参考光纤环位置lc的温度值；lc表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离；
公式(1)和(2)的比值为：
步骤四、前向Stokes光和anti-Stokes光的信号处理
接着在光纤中产生的前向Stokes光和anti-Stokes光被多模反射镜反射后经WDM分别再次到达第一APD、第一LNA和第二APD、第二LNA也进行光电转换和放大，进入高速采集卡和计算机后得到anti-Stokes光和Stokes光的前向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，Ra和Rs为多模反射镜对anti-Stokes光和Stokes光的反射率，L为整个多模传感光纤的长度；
其中，第一参考光纤环位置的anti-Stokes光和Stokes光前向散射光强比值表示为：
公式(4)和(5)的比值为：
步骤五、面向光纤拉曼传感系统的自校准温度解调方法
将公式(3)和(6)化解后得
化解公式(7)可得具体的光纤沿线温度解调公式，公式如下：
3.根据权利要求1所述的面向光纤拉曼温度传感系统的自校准检测装置的温度解调方法，其特征在于：所述脉冲激光器的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz；所述WDM的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm；所述APD的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm；所述LNA的带宽为100MHz；所述数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz；所述多模传感光纤为普通多模光纤。
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