CN108692830A - 一种分布式光纤测温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种分布式光纤测温系统，属于光纤温度测量技术领域。本发明的一种分布式光纤测温系统包括：激光器、光环行器、第一光滤波器、第二光滤波器、光电转换电路以及采集卡；所述激光器发射的激光通过所述光环行器进入到待测传感光纤，激光在所述待测传感光纤内传播过程中产生的背向散射光返回到所述光环行器后分别进入所述第一光滤波器和所述第二光滤波器波进行滤波，滤波后的背向散射光进入所述光电转换电路，所述光电转换电路输出的电信号经所述采集卡采集后传输到计算机上处理得到温度信号。本发明的分布式光纤测温系统，能够有效提高分布式光纤测温系统的温度精度，增强稳定性以及较低空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤测温系统，属于光纤温度测量技术领域。
背景技术
分布式光纤测温装置经过十多年的发展，以其测量距离长、精度高、
无测量盲区、抗电磁干扰能力强等优点，被广泛应用于电力电缆隧道、综合管廊、煤炭行业和数据中心等需要测温、火灾报警和节能减排的领域。
分布式光纤测温装置是利用自发拉曼散射效应制成的，其反斯托克斯 Anti-stokes 信号对温度敏感，斯托克斯信号 Stokes对温度不敏感，利用其光强之比可以计算出沿光纤各点的温度值，利用其瑞利散射技术实现精确定位。因此，其空间分辨率和测温精度是其重要的表征参数。在测量光纤沿线的温度场时，总希望空间分辨率越小越好、温度精度越高越好。而空间分辨率的提高受限于激光器的脉冲宽度、采集卡的采样速率，若要保证1米的空间分辨率，就要保证激光器的脉冲宽度小于10ns、采集卡的采样速率大于100Mb/s，而提高温度精度的常用方法为数字累加平均法，该方法在一定程度上能改善信噪比，但增加了测温时间，为了达到足够的精度往往会恶化其实时性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式光纤测温系统，能够有效提高分布式光纤测温系统的温度精度，增强稳定性以及较低空间分辨率。
本发明提供技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种分布式光纤测温系统，包括：激光器、光
环行器、第一光滤波器、第二光滤波器、光电转换电路以及采集卡；
所述激光器发射的激光通过所述光环行器进入到待测传感光纤，激光
在所述待测传感光纤内传播过程中产生的背向散射光返回到所述光环行器后分别进入所述第一光滤波器和所述第二光滤波器波进行滤波，滤波后的背向散射光进入所述光电转换电路，所述光电转换电路输出的电信号经所述采集卡采集后传输到计算机上处理得到温度信号。
根据本发明的一实施方式，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器为
可调谐滤波器，所述第一光滤波器用于对瑞利散射光进行滤波，所述第二光滤波器用于对后向拉曼散射的反斯托克斯光进行滤波。
根据本发明的另一实施方式，还包括光分路器，所述光分路器的输入
端连接所述光环行器，所述光分路器的两个输出端分别与所述第一光滤波器和所述第二光滤波器相连接。
根据本发明的另一实施方式，还包括光开关，用于所述第一光滤波器
和所述第二光滤波器滤波后的背向散射光的切换。
根据本发明的另一实施方式，所述采集卡包括一采样控制器，所述采样控制器用于将采集的所述光电转换电路输出的电信号存入缓存。
根据本发明的另一实施方式，还包括同步控制器，所述同步控制器分别与所述激光器和所述采集卡相连接，所述采样控制器在第一时钟域的时钟信号下将采集的电信号交替存入两个缓存中并将两个握手信号发送至所述同步控制器，所述同步控制器将接收到的两个所述握手信号作为第二时钟域的时钟有效沿同步的握手信号，以控制对缓存中存储的数据进行读取、存储、相加的动作。
根据本发明的另一实施方式，所述激光器为脉冲宽度可调激光器。
根据本发明的另一实施方式，所述激光器为半导体激光器或者光纤激光器。
根据本发明的另一实施方式，所述光电转换电路为单APD光电转换电路。
根据本发明的另一实施方式，所述的采集卡为单通道采集卡，采样速率为250Mb/s。
本发明的有益效果如下：
本发明的分布式光纤测温系统包括激光器、光环行器、第一光滤波器、
第二光滤波器、光电转换电路以及采集卡，结构简单。激光器发射的激光经光环行器进入到待测传感光纤中，激光在光纤内传播过程中产生的背向散射光返回到光环行器后分别进入第一光滤波器和第二光滤波器波进行滤波，得到滤波后的瑞利散射光和后向拉曼散射的反斯托克斯光之后经光电转换电路，采集卡采集转换后的电信号传输到计算机上处理得到温度信号。本发明实施例的分布式光纤测温系统通过第一光滤波器和第二光滤波器分别采用对瑞利散射光和后向拉曼散射的反斯托克斯光进行滤波，通过双重探测得到反斯托克斯与斯托克斯后向拉曼散射光强的比值，以及反斯托克斯与瑞利散射光强的比值，综合温度测量结果，有效提高测温精度。
本发明的分布式光纤测温系统通过同步控制器控制激光器和采集卡同步，实现数据的同步采集，可以有效增加采样速率，进而降低空间分辨率；采用脉宽可调的激光器可以有效控制脉冲宽度，有效调节空间分辨率；采用单APD采样电路可以保证光电转换信号的一致性，减少信噪比，增加稳定性和温度精度；采用单通道采集卡可以保证模拟信号放大、模数转换对信号影响的一致性，减少信噪比，增加稳定性和温度精度。
附图说明
图1为本发明的分布式光纤测温系统的一个实施例的结构框图；
图2为本发明的分布式光纤测温系统的另一个实施例的结构框图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
分布式光纤测温系统的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射(O原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。
光时域反射原理：当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生散射。在时域里，入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，其中v为光在光纤中的传播速度、C为真空中的光速，n为光纤折射率。在测得时刻t时，就可求得距光源L处的距离，即，实现光纤中温度点的定位功能。后向拉曼散射温度效应：当一个激光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤前进的方向传播。由于光脉冲与光纤内部分子发生弹性碰撞和非弹性碰撞，故光脉冲在传播中的每一点都会产生反射，反射中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反(亦可称为后向)。这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度(该点光纤所处的环境温度)越高，反射光的强度也越大。利用这个现象，若能测出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。根据拉曼散射理论，在自然拉曼散射条件下，反斯托克斯光强Ia与斯托克斯光强Is的比值R(T)为：
其中，h为普朗克常量；c为真空中的光速；u为波数偏移量；k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度, Vs 为斯托克斯拉曼光子频率 ；Vas 为反斯托克斯拉曼光子的频率 ；αs、αas 分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的光损耗系数 ；L 表示光纤中的位置。可以看出仅与温度T有关，据此可以通过探测反斯托克斯和斯托克斯后向拉曼散射光强之比值实现温度精确测量。
在分布式光纤测温系统所使用的瑞利散射和拉曼散射技术中，瑞利散射和拉曼散射中的斯托克斯光均与温度无关， 而拉曼散射中的反斯托克斯光与温度成正比，即温度越高反斯托克斯光强就越强。也就是说即通过探测反斯托克斯和斯托克斯后向拉曼散射光强之比值实现温度测量，也可
以通过探测反斯托克斯和瑞利散射光强之比值实现温度测量，即
其中，是一个光纤分子的声子频率，为13.2Thz，为瑞利散射光子的频率，即入射光的频率。
一方面，如图1-2所示，本发明实施例提供了一种分布式光纤测温系
统，包括：激光器10、光环行器20、第一光滤波器30、第二光滤波器40、光电转换电路50以及采集卡60；
所述激光器10发射的激光通过所述光环行器20进入到待测传感光
纤X，激光在所述待测传感光纤X内传播过程中产生的背向散射光返回到所述光环行器20后分别进入所述第一光滤波器30和所述第二光滤波器波40进行滤波，滤波后的背向散射光进入所述光电转换电路50，所述光电转换电路50输出的电信号经所述采集卡60采集后传输到计算机上处理得到温度信号。
本发明实施例的分布式光纤测温系统包括激光器、光环行器、第一光
滤波器、第二光滤波器、光电转换电路以及采集卡，结构简单。激光器发射的激光经光环行器进入到待测传感光纤中，激光在光纤内传播过程中产生的背向散射光返回到光环行器后分别进入第一光滤波器和第二光滤波器波进行滤波，得到滤波后的瑞利散射光和后向拉曼散射的反斯托克斯光之后经光电转换电路，采集卡采集转换后的电信号传输到计算机上处理得到温度信号。本发明实施例的分布式光纤测温系统通过第一光滤波器和第二光滤波器分别采用对瑞利散射光和后向拉曼散射的反斯托克斯光进行滤波，通过双重探测得到反斯托克斯与斯托克斯后向拉曼散射光强的比值，以及反斯托克斯与瑞利散射光强的比值，综合温度测量结果，有效提高测温精度。
作为一个举例说明，本发明实施例的分布式光纤测温系统的所述第一
光滤波器和所述第二光滤波器为可调谐滤波器，所述第一光滤波器用于对瑞利散射光进行滤波，所述第二光滤波器用于对后向拉曼散射的反斯托克斯光进行滤波。
作为另一个举例说明，本发明实施例的分布式光纤测温系统还包括光
分路器70，所述光分路器70的输入端连接所述光环行器20，所述光分路器70的两个输出端分别与所述第一光滤波器30和所述第二光滤波器40相连接。本发明实施例的光分路器为分光比不等的光分路器，例如分光比为5：95。
作为另一个举例说明，本发明实施例的分布式光纤测温系统还包括光
开关80，用于所述第一光滤波器和所述第二光滤波器滤波后的背向散射光的切换。
作为另一个举例说明，本发明实施例的分布式光纤测温系统的所述采集卡60包括一采样控制器61（未示出），所述采样控制器61用于将采集的所述光电转换电路输出的电信号存入缓存。
作为另一个举例说明，本发明实施例的分布式光纤测温系统还包括同步控制器90，所述同步控制器90分别与所述激光器10和所述采集卡60相连接，所述采样控制器61在第一时钟域的时钟信号下将采集的电信号交替存入两个缓存中并将两个握手信号发送至所述同步控制器90，所述同步控制器90将接收到的两个所述握手信号作为第二时钟域的时钟有效沿同步的握手信号，以控制对缓存中存储的数据进行读取、存储、相加的动作。
本发明实施例的分布式光纤测温系统通过同步控制器控制激光器和采集卡同步，实现数据的同步采集，可以有效增加采样速率，进而降低空间分辨率。
作为另一个举例说明，本发明实施例的分布式光纤测温系统的所述激光器为脉冲宽度可调激光器。本发明实施例的分布式光纤测温系统采用脉宽可调的激光器可以有效控制脉冲宽度，有效调节空间分辨率。
作为另一个举例说明，本发明实施例的分布式光纤测温系统的所述激光器为半导体激光器或者光纤激光器。
作为另一个举例说明，本发明实施例的分布式光纤测温系统的所述光电转换电路为单APD光电转换电路。相较于采用双APD对斯托克斯和反斯托克斯进行光电转化，由于采用双APD所引入的噪声不一致将影响测量的准确性，本发明实施例的分布式光纤测温系统采用单APD光电转换电路，可以解决这一问题。可以保证光电转换信号的一致性，减少信噪比，增加稳定性和温度精度。
作为另一个举例说明，本发明实施例的分布式光纤测温系统的所述的采集卡为单通道采集卡，采样速率为250Mb/s。本发明实施例的分布式光纤测温系统采用单通道采集卡可以保证模拟信号放大、模数转换对信号影响的一致性，减少信噪比，增加稳定性和温度精度。
因此，本发明实施例的分布式光纤测温系统能够有效提高分布式光纤测温系统的温度精度，增强稳定性以及较低空间分辨率，可以实现10km范围内空间分辨率0.5m、温度精度±0.5℃的空间温度测量。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种分布式光纤测温系统，其特征在于，包括：激光器、光环行器、
第一光滤波器、第二光滤波器、光电转换电路以及采集卡；
所述激光器发射的激光通过所述光环行器进入到待测传感光纤，激光
在所述待测传感光纤内传播过程中产生的背向散射光返回到所述光环行器后分别进入所述第一光滤波器和所述第二光滤波器波进行滤波，滤波后的背向散射光进入所述光电转换电路，所述光电转换电路输出的电信号经所述采集卡采集后传输到计算机上处理得到温度信号。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所
述第一光滤波器和所述第二光滤波器为可调谐滤波器，所述第一光滤波器用于对瑞利散射光进行滤波，所述第二光滤波器用于对后向拉曼散射的反斯托克斯光进行滤波。
3.根据权利要求2所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，还
包括光分路器，所述光分路器的输入端连接所述光环行器，所述光分路器的两个输出端分别与所述第一光滤波器和所述第二光滤波器相连接。
4.根据权利要求3所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，还
包括光开关，用于所述第一光滤波器和所述第二光滤波器滤波后的背向散射光的切换。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述采集卡包括一采样控制器，所述采样控制器用于将采集的所述光电转换电路输出的电信号存入缓存。
6.根据权利要求5所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，还包括同步控制器，所述同步控制器分别与所述激光器和所述采集卡相连接，所述采样控制器在第一时钟域的时钟信号下将采集的电信号交替存入两个缓存中并将两个握手信号发送至所述同步控制器，所述同步控制器将接收到的两个所述握手信号作为第二时钟域的时钟有效沿同步的握手信号，以控制对缓存中存储的数据进行读取、存储、相加的动作。
7.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，
所述激光器为脉冲宽度可调激光器。
8.根据权利要求7所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，
所述激光器为半导体激光器或者光纤激光器。
9.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述光电转换电路为单APD光电转换电路。
10.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述的采集卡为单通道采集卡，采样速率为250Mb/s。
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