CN109029769A - 基于分布式光纤拉曼传感技术的高精度温度解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分布式光纤拉曼传感技术的高精度温度解调方法，一、搭建分布式光纤拉曼测温系统；二、在恒温槽内放置NTC温度传感器用来监测参考光纤的温度；三、将整个传感光纤放置于恒定的温度下，采集得到整条光纤拉曼斯托克斯和反斯托克斯信号各个位置处的散射光强，并将光强数据存贮在计算机中；四、将传感光纤置于测量环境下，通过NTC温度传感器测得参考光纤的温度，同时获得测量时光纤各个位置处的stokes和anti‑stokes散射光强；五、通过对存储在计算机里面的定标数据和测量数据，解调出待测光纤上某一点L处的温度T_L。本发明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、测温稳定性较低的问题。

Description

基于分布式光纤拉曼传感技术的高精度温度解调方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体是一种基于分布式光纤拉曼传感技术的高精度温度解调方法。

背景技术

分布式光纤拉曼测温系统是利用光纤中的自发拉曼散射效应，结合光时域反射技术(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)实现的可用于分布式、连续式、实时测量空间温度场分布的一种新型传感系统。与传统的电子温度传感器相比，分布式光纤拉曼测温系统具有抗电磁干扰、耐高压、精度高、结构简单等优点，所以被广泛应用于电力电缆温度监测、结构健康监测、大坝泄漏监测等领域。

在分布式光纤拉曼测温系统中，温度解调方法是系统实现光线沿线温度检测的最关键技术。目前常用的温度解调方法是利用反斯托克斯(anti-stokes)光作为信号通道，利用斯托克斯(stokes)光作为参考通道，通过光纤的stokes拉曼散射光时域曲线解调光纤的anti-stokes拉曼散射光时域曲线，解调光纤沿线处任一点的温度信息。然而目前基于stokes信号解调anti-stokes信号的温度解调算法存在如下局限：其一，在施工过程或者光缆重新连接、弯折时候会在光缆上引起突变损耗，对于突变损耗的影响，传统方法采用stokes参考通道对anti-stokes信号通道进行温度解调来抵消，但由于stokes波长相比anti-stokes波长较长，在单模光纤中stokes弯曲损耗比anti-stokes弯曲损耗强得多，因此采用传统的stokes信道无法有效抵偿光纤弯曲损耗的影响。其二，在分布式光纤拉曼系统中，激光器的输出功率和光电探测器APD的光电响应度易受外界环境因素的影响而发生变化，导致其测温精度和测温稳定性大大降低且不稳定，严重影响整个测温系统的可靠性，使分布式光纤拉曼测温系统在实际工业应用过程中遇到了很大的难题。

基于此，有必要发明一种全新的基于拉曼散射的高稳定性温度解调方法，以解决现有分布式光纤拉曼测温系统中的测温稳定性较低而难以保障工业推广的需要。

发明内容

本发明为了解决分布式拉曼测温系统中测温精度和测温稳定性较低的问题，提出了一种基于分布式拉曼传感技术的新型温度解调方法。

本发明方法在温度解调算法中引入了突变损耗系数来消除光缆在重新布设、连接等引起的突变损耗对测温结果的影响，解决了传统解调方法中stokes信道无法有效抵偿光纤弯曲损耗的问题。同时引入光电响应系数来消除了温度解调过程中因激光器输出功率和光电探测器APD的光电响应度不稳定对测温结果的影响，提高了分布式拉曼测温系统的测温稳定性。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于分布式光纤拉曼传感技术的高精度温度解调方法，包括如下步骤：

步骤一、搭建分布式光纤拉曼测温系统

分布式光纤拉曼测温系统包括拉曼测温仪、高精度恒温槽，NTC温度传感器、传感光纤。

所述拉曼测温仪包括大功率脉冲激光器、WDM、第一APD、第二APD、第一LNA、第二LNA、数据采集卡、计算机；其中，大功率脉冲激光器的输出端与WDM的输入端连接，WDM的两个输出端分别与第一APD的输入端和第二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的输出端和第二LNA的输出端均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；计算机与脉冲激光器双向连接。

所述传感光纤的前端与WDM的公共端连接，传感光纤的前部绕制有参考光纤、其后部作为待测光纤，参考光纤放置于高精度恒温槽中，并在参考光纤处放置NTC温度传感器。

步骤二、通过NTC温度传感器监测恒温槽内参考光纤的温度，通过半导体制冷片实现对恒温槽内部温度的调节，利用高精度恒温槽来保持分布式拉曼测温过程中参考光纤所处温度的恒定。

步骤三、定标阶段，即将整个传感光纤放置于恒定的温度下，采集得到整条光纤拉曼斯托克斯和反斯托克斯信号各个位置处的散射光强，并将光强数据存贮在计算机中。

具体的过程如下：

在定标阶段，高精度恒温槽内参考光纤的温度通过NTC温度传感器测得为T_c0，待测光纤所处环境温度为T₀，取参考光纤与待测光纤上某一点位置分别为L₀和L；然后，启动拉曼测温仪，脉冲激光器发出的脉冲光经WDM入射到待测光纤，激光脉冲在待测光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤的各个位置均产生背向传输的stokes光和anti-stokes光，背向传输的stokes光和anti-stokes光通过光电探测器完成光信号向电信号的转换，数据采集卡记录此时参考光纤L₀处stokes和anti-stokes电压分别为U_sl0和U_al0，待测光纤L处stokes和anti-stokes电压分别为U_sl和U_al，定标阶段所得到的stokes和anti-stokes曲线存贮于计算机中；

当激光脉冲在光纤中传播时，回到光纤始端，每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为：

反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为：

式中，K_s，K_a分别为与光纤stokes散射截面，anti-stokes散射截面有关的系数，v_s,υ_a分别为stokes散射光子和anti-stokes散射光子的频率。α₀，α_s，α_a分别为入射光，stokes光和anti-stokes在光纤中的传播损耗。R_s(T)，R_a(T)为与光纤分子低能级和高能级上的分布有关的系数，是stokes光和anti-stokes光的温度调制函数；

在解调公式里引入了突变损耗系数K(L)和光电响应系数KO，通过引入该系数，修正后光电检测到的stokes和anti-stokes电压如下式：

高精度恒温槽内参考光纤的温度通过NTC温度传感器测得为T_c0，待测光纤所处环境温度为T₀，取参考光纤与待测光纤上一点分别为L₀和L，通过修正后的公式得出参考光纤L₀与待测光纤L处的电压如下：

参考光纤L₀处的stokes和anti-stokes电压为：

待测光纤L处的stokes和anti-stokes电压为：

步骤四、测量阶段，即将传感光纤置于测量环境下，通过NTC温度传感器测得参考光纤的温度，同时获得测量时传感光纤各个位置处的stokes和anti-stokes散射光强。

具体的过程如下：

通过半导体制冷片对高精度恒温槽内的温度进行调节，由NTC温度传感器得到恒温槽内参考光纤处的温度为T_c，设待测光纤上某一点L处的温度设为T_L；启动拉曼测温仪，脉冲激光器发出的激光脉冲经WDM入射到待测光纤，记录此时参考光纤L₀与待测光纤L处的电压如下：

参考光纤L₀处的stokes和anti-stokes电压为：

待测光纤L处的stokes和anti-stokes电压为：

步骤五、通过对存储在计算机里面的定标数据和测量产生的数据，解调出待测光纤上某一点L处的温度T_L。

具体的解调算法过程如下：

对步骤三定标过程中得到的L₀处stokes和anti-stokes电压U_sl0和U_al0，待测光纤L处stokes和anti-stokes电压U_sl和U_al分别作比值，得到两者比值结果M₁和M₂；

5/6式有

7/8式有

同理，对步骤四测量过程中得到L₀处stokes和anti-stokes电压分别为U_sl01和U_al01，待测光纤L处stokes和anti-stokes电压U_sl1和U_al1分别作比值，得到两者比值结果M₃和M₄。

9/10式有：

11/12式有：

由13，14，15，16式综合计算，

对同一点在同一时刻，stokes和anti-stokes的突变损耗系数不一样，但其比值是常数，即：

所以17式变为

其中：U_sl0为定标时参考光纤L₀处stokes电压，

U_al0为定标时参考光纤L₀处anti-stokes电压，

U_sl01为测量时参考光纤L₀处stokes电压，

U_al01为测量时参考光纤L₀处anti-stokes电压，

U_al为定标时待测光纤L处anti-stokes电压，

U_sl为定标时待测光纤L处stokes电压，

U_al1为测量时待测光纤L处anti-stokes电压，

U_sl1为测量时待测光纤L处stokes电压；

上述量均为采集卡采集得到的量，T_c0，T₀，T_c分别为定标时参考光纤处温度，定标时待测光纤温度，测量阶段参考光纤实测温度；所以是可以通过测量已知的量；令

A是由采集卡测量值计算出来的数值；则18式变为

由于R_s(T)，R_a(T)为stokes和anti-stokes光的温度调制函数，且有

上式中，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δυ为拉曼散射频移，因此，待测光纤上某一点L处的温度为：

上式即为完整的解调公式。

与现有分布式光纤拉曼测温系统中的温度解调方法相比，本发明所述的基于分布式光纤拉曼传感技术的高精度温度解调方法具有如下优点：

第一、本发明在分布式拉曼温度解调系统中引入了突变损耗系数，解决了传统解调方法中stokes信道无法有效抵偿光纤弯曲损耗的问题，消除了光缆在重新布设、连接造成的突变损耗对测温结果的影响。

第二、在温度解调算法中引入了光电响应系数，消除了激光器输出功率不稳定和光电探测器APD光电响应度不稳定对解调算法的影响，提高了测温稳定性与测温精度。

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、测温稳定性较低的问题，适用于所有分布式光纤拉曼测温系统。

附图说明

图1表示应用本发明所述基于分布式光纤拉曼传感技术的高精度温度解调方法的结构示意图。

图中：1-大功率脉冲激光器，2-WDM(波分复用器)，3-第一APD(第一雪崩光电二极管)，4-第二APD(第二雪崩光电二极管)，5-第一LNA(第一低噪放大器)，6-第二LNA(第二低噪放大器)，7-高速数据采集卡，8-计算机，9-高精度恒温槽，10-NTC温度传感器，11-参考光纤，12-待测光纤；虚线框部分表示拉曼测温仪。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于分布式光纤拉曼传感技术的高精度温度解调方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、搭建分布式光纤拉曼测温系统

分布式光纤拉曼测温系统包括拉曼测温仪、高精度恒温槽9，NTC温度传感器10、传感光纤(由参考光纤11和待测光纤12构成)。

拉曼测温仪包括大功率脉冲激光器1、WDM 2、第一APD 3、第二APD 4、第一LNA 5、第二LNA 6、数据采集卡7、计算机8。其中，大功率脉冲激光器1的输出端与WDM 2的输入端连接，WDM 2的两个输出端分别与第一APD 3的输入端和第二APD 4的输入端连接，第一APD 3的输出端与第一LNA 5的输入端连接，第二APD 4的输出端与第二LNA 6的输入端连接。第一LNA 5的输出端和第二LNA 6的输出端均与数据采集卡7的输入端连接，数据采集卡7的输出端与计算机8的输入端连接；计算机8与脉冲激光器1双向连接。

传感光纤的前端与WDM的公共端连接，传感光纤的前部绕制有参考光纤11、其后部作为待测光纤12，参考光纤11放置于高精度恒温槽9中，并在参考光纤11处放置NTC温度传感器10，用于监测参考光纤11处的温度。

步骤二、在高精度恒温槽内放置NTC温度传感器用来监测恒温槽内参考光纤的温度，通过半导体制冷片实现对恒温槽内部温度的调节。利用高精度恒温槽来保持分布式拉曼测温过程中参考光纤所处温度的恒定。

步骤三、定标阶段，即将整个传感光纤放置于恒定的温度下，采集得到整条光纤拉曼斯托克斯和反斯托克斯信号各个位置处的散射光强，并将光强数据存贮在计算机中。

步骤三的具体过程如下：

在定标阶段，高精度恒温槽内参考光纤的温度通过NTC温度传感器测得为T_c0，待测光纤所处环境温度为T₀，取参考光纤与待测光纤上某一点位置分别为L₀和L。然后，启动拉曼测温仪，脉冲激光器发出的脉冲光经WDM入射到待测光纤，激光脉冲在待测光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤的各个位置均产生背向传输的stokes光和anti-stokes光，背向传输的stokes光和anti-stokes光通过光电探测器完成光信号向电信号的转换，数据采集卡记录此时参考光纤L₀处stokes和anti-stokes电压分别为U_slO和U_alO，待测光纤L处stokes和anti-stokes电压分别为U_sl和U_al，定标阶段所得到的stokes和anti-stokes曲线存贮于计算机中。

当激光脉冲在光纤中传播时，回到光纤始端，每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为：

反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为：

式中，K_s，K_a分别为与光纤stokes散射截面，anti-stokes散射截面有关的系数，v_s,υ_a分别为stokes散射光子和anti-stokes散射光子的频率。α₀，α_s，α_a分别为入射光，stokes光和anti-stokes在光纤中的传播损耗。R_s(T)，R_a(T)为与光纤分子低能级和高能级上的分布有关的系数，是stokes光和anti-stokes光的温度调制函数。

由于在施工或者在光缆重新布置情况下，造成光缆弯折易导致光纤本身引起突变损耗，因此在解调公式中引入了突变损耗系数K(L)，且其为距离的函数。另外由于激光器的输出与光电探测器光电响应系数的不稳定会对测温结果产生影响，造成光电探测器的输出电压与其探测到的光通量之间难以保证完全的线性关系。如果恒定温度与偏压，光电探测器的光电响应系数可以保证完全恒定，这对于一个体积受限的产品并不容易做到，也不适合低功耗的要求。因此，在解调公式中又引入光电响应系数参数KO，KO每次采集，对同一根曲线是恒定的，但stokes和anti-stokes是有不同的KO。同样，KO认为是慢变的，即不同次的采集，KO是变化的。基于以上两点，在解调公式里引入了突变损耗系数K(L)和光电响应系数KO，通过引入该系数，修正后光电检测到的stokes和anti-stokes电压如下式：

高精度恒温槽内参考光纤的温度通过NTC温度传感器测得为T_c0，待测光纤所处环境温度为T₀，取参考光纤与待测光纤上一点分别为L₀和L。通过修正后的公式可以得出参考光纤L₀与待测光纤L处的电压如下：

参考光纤L₀处的stokes和anti-stokes电压为：

待测光纤L处的stokes和anti-stokes电压为：

步骤四、测量阶段，即将传感光纤置于测量环境下，通过NTC温度传感器测得参考光纤的温度，同时获得测量时光纤各个位置处的stokes和anti-stokes散射光强。

步骤四的具体过程如下：

通过半导体制冷片对高精度恒温槽内的温度进行调节，由NTC温度传感器得到恒温槽内参考光纤处的温度为T_c，设待测光纤上某一点L处的温度设为T_L。启动拉曼测温仪，脉冲激光器发出的激光脉冲经WDM入射到待测光纤，记录此时参考光纤L₀与待测光纤L处的电压如下：

参考光纤L₀处的stokes和anti-stokes电压为：

待测光纤L处的stokes和anti-stokes电压为：

步骤五、通过对存储在计算机里面的定标数据和测量产生的数据，运用LabVIEW程序进行相关运算，解调出待测光纤上某一点L处的温度T_L。

步骤五的具体解调算法过程如下：

对步骤三定标过程中得到的L₀处stokes和anti-stokes电压U_sl0和U_al0，待测光纤L处stokes和anti-stokes电压U_sl和U_al分别作比值，得到两者比值结果M₁和M₂。

5/6式有

7/8式有

同理，对步骤四测量过程中得到L₀处stokes和anti-stokes电压分别为U_sl01和U_al01，待测光纤L处stokes和anti-stokes电压U_sl1和U_al1分别作比值。得到两者比值结果M₃和M₄。

9/10式有：

11/12式有：

由13，14，15，16式综合计算，

根据前面分析，对同一点在在同一时刻，stokes和anti-stokes的突变损耗系数不一样，但其比值是常数，即：

所以17式变为

其中：U_sl0为定标时参考光纤L₀处stokes电压，

U_al0为定标时参考光纤L₀处anti-stokes电压，

U_sl01为测量时参考光纤L₀处stokes电压，

U_al01为测量时参考光纤L₀处anti-stokes电压，

U_al为定标时待测光纤L处anti-stokes电压，

U_sl为定标时待测光纤L处stokes电压，

U_al1为测量时待测光纤L处anti-stokes电压，

U_sl1为测量时待测光纤L处stokes电压；

上述量均为采集卡采集得到的量，T_c0，T₀，T_c分别为定标时参考光纤处温度，定标时待测光纤温度，测量阶段参考光纤实测温度。所以是可以通过测量已知的量。令

A是可以由采集卡测量值计算出来的数值。则18式变为

由于R_s(T)，R_a(T)为stokes和anti-stokes光的温度调制函数，且有

上式中，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δυ为拉曼散射频移，因此，待测光纤上某一点L处的温度为：

上式即为完整的解调公式。

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 (1)

1.一种基于分布式光纤拉曼传感技术的高精度温度解调方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、搭建分布式光纤拉曼测温系统

分布式光纤拉曼测温系统包括拉曼测温仪、恒温槽(9)，NTC温度传感器(10)、传感光纤；

所述拉曼测温仪包括大功率脉冲激光器(1)、WDM(2)、第一APD(3)、第二APD(4)、第一LNA(5)、第二LNA(6)、数据采集卡(7)、计算机(8)；其中，大功率脉冲激光器(1)的输出端与WDM(2)的输入端连接，WDM(2)的两个输出端分别与第一APD(3)的输入端和第二APD(4)的输入端连接，第一APD(3)的输出端与第一LNA(5)的输入端连接，第二APD(4)的输出端与第二LNA(6)的输入端连接，第一LNA(5)的输出端和第二LNA(6)的输出端均与数据采集卡(7)的输入端连接，数据采集卡(7)的输出端与计算机(8)的输入端连接；计算机(8)与脉冲激光器(1)双向连接；

所述传感光纤的前端与WDM(2)的公共端连接，传感光纤的前部绕制有参考光纤(11)、其后部作为待测光纤(12)，参考光纤(11)放置于恒温槽(9)中，并在参考光纤(11)处放置NTC温度传感器(10)；

步骤二、通过NTC温度传感器监测恒温槽内参考光纤的温度，通过半导体制冷片实现对恒温槽内部温度的调节，利用高精度恒温槽来保持分布式拉曼测温过程中参考光纤所处温度的恒定；

步骤三、定标阶段，即将整个传感光纤放置于恒定的温度下，采集得到整条光纤拉曼斯托克斯和反斯托克斯信号各个位置处的散射光强，并将光强数据存贮在计算机中；

具体过程如下：

在定标阶段，恒温槽内参考光纤的温度通过NTC温度传感器测得为T_c0，待测光纤所处环境温度为T₀，取参考光纤与待测光纤上某一点位置分别为L₀和L；然后，启动拉曼测温仪，脉冲激光器发出的脉冲光经WDM入射到待测光纤，激光脉冲在待测光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤的各个位置均产生背向传输的stokes光和anti-stokes光，背向传输的stokes光和anti-stokes光通过光电探测器完成光信号向电信号的转换，数据采集卡记录此时参考光纤L₀处stokes和anti-stokes电压分别为U_sl0和U_al0，待测光纤L处stokes和anti-stokes电压分别为U_sl和U_al，定标阶段所得到的stokes和anti-stokes曲线存贮于计算机中；

当激光脉冲在光纤中传播时，回到光纤始端，每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为：

反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量为：

式中，K_s，K_a分别为与光纤stokes散射截面，anti-stokes散射截面有关的系数，v_s，υ_a分别为stokes散射光子和anti-stokes散射光子的频率。α₀，α_s，α_a分别为入射光，stokes光和anti-stokes在光纤中的传播损耗。R_s(T)，R_a(T)为与光纤分子低能级和高能级上的分布有关的系数，是stokes光和anti-stokes光的温度调制函数；

在解调公式里引入了突变损耗系数K(L)和光电响应系数KO，通过引入该系数，修正后光电检测到的stokes和anti-stokes电压如下式：

恒温槽内参考光纤的温度通过NTC温度传感器测得为T_c0，待测光纤所处环境温度为T₀，取参考光纤与待测光纤上一点分别为L₀和L，通过修正后的公式得出参考光纤L₀与待测光纤L处的电压如下：

参考光纤L₀处的stokes和anti-stokes电压为：

待测光纤L处的stokes和anti-stokes电压为：

步骤四、测量阶段，即将传感光纤置于测量环境下，通过NTC温度传感器测得参考光纤的温度，同时获得测量时传感光纤各个位置处的stokes和anti-stokes散射光强；

具体过程如下：

通过半导体制冷片对高精度恒温槽内的温度进行调节，由NTC温度传感器得到恒温槽内参考光纤处的温度为T_c，设待测光纤上某一点L处的温度设为T_L；启动拉曼测温仪，脉冲激光器发出的激光脉冲经WDM入射到待测光纤，记录此时参考光纤L₀与待测光纤L处的电压如下：

参考光纤L₀处的stokes和anti-stokes电压为：

待测光纤L处的stokes和anti-stokes电压为：

步骤五、通过对存储在计算机里面的定标数据和测量产生的数据，解调出待测光纤上某一点L处的温度T_L；

具体解调算法过程如下：

对步骤三定标过程中得到的L₀处stokes和anti-stokes电压U_sl0和U_alo，待测光纤L处stokes和anti-stokes电压U_sl和U_al分别作比值，得到两者比值结果M₁和M₂；

5/6式有

7/8式有

同理，对步骤四测量过程中得到L₀处stokes和anti-stokes电压分别为U_sl01和U_al01，待测光纤L处stokes和anti-stokes电压U_sl1和U_al1分别作比值，得到两者比值结果M₃和M₄。

9/10式有：

11/12式有：

由13，14，15，16式综合计算，

对同一点在同一时刻，stokes和anti-stokes的突变损耗系数不一样，但其比值是常数，即：

所以17式变为

其中：U_sl0为定标时参考光纤L₀处stokes电压，

U_al0为定标时参考光纤L₀处anti-stokes电压，

U_sl01为测量时参考光纤L₀处stokes电压，

U_al01为测量时参考光纤L₀处anti-stokes电压，

U_al为定标时待测光纤L处anti-stokes电压，

U_sl为定标时待测光纤L处stokes电压，

U_al1为测量时待测光纤L处anti-stokes电压，

U_sl1为测量时待测光纤L处stokes电压；

上述量均为采集卡采集得到的量，T_c0，T₀，T_c分别为定标时参考光纤处温度，定标时待测光纤温度，测量阶段参考光纤实测温度；所以是可以通过测量已知的量；令

A是由采集卡测量值计算出来的数值；则18式变为

由于R_s(T)，R_a(T)为stokes和anti-stokes光的温度调制函数，且有

上式中，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δυ为拉曼散射频移，因此，待测光纤上某一点L处的温度为：

上式即为完整的解调公式。