CN109799004A - 一种长距离光纤分布温度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离光纤分布温度测量系统，属于传感器技术领域，包括一个脉冲激光光源、至少两个光纤耦合器、至少一根测温光缆、至少一个光放大器、至少一个啁啾光纤光栅及至少两个探测采集单元；本发明利用啁啾光栅结合光放大器，将单个光源产生的脉冲激光多次使用，在此基础上对多个光纤分布温度测量光路进行级联，从而能够有效拓展测量距离；同时，利用啁啾光栅和光放大器可对传输中脉冲激光的展宽和光强分别进行有效补偿，从而保证了测量的定位精度和测温精度，最终实现了低成本、高精度的超长距离测量。

Description

一种长距离光纤分布温度测量系统

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种适合于长距离管道线路温度监测的分布式光纤温度测量系统。

背景技术

管道传输具有经济、高效、安全、稳定等诸多优点而被应用于石油、天然气、水等流体运输，随着社会经济、科技的不断进步，管道敷设得到大量的应用，管道系统广泛应用于石油、冶金、城市水暖供应以及天然气等工业领域中，而管道安全保护的问题也日益突出地摆在了人们的面前。管道常年埋于地下，容易发生腐蚀、疲劳破损或泄漏，这不仅带来重大的经济损失而且污染环境。因此，研究有效的管道泄漏检测技术，对于保证管道安全运输极为重要。

通过测量管道周围温度来判断是否发生泄漏是目前常用的一种方法，然而传统的温度测量是单点测量方式，监测一条管道的状况需要布设大量的温度传感器，这给施工维护带来了困难。光纤分布温度测量系统是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度分布的传感系统。光纤既是传输媒质也是传感媒质，利用光纤后向拉曼散射的温度效应可以对光纤所在的温度进行实时测量；利用光时域反射技术可以对测量点进行精确定位。该系统可以在短的时间内完成长距离的温度场分布测量，由于光纤体积小，因而测量过程不会影响原始温度场的分布，同时还具有防燃、防爆、抗腐蚀和抗电磁干扰的特点，因而光纤分布测温系统在管道泄漏监测技术领域具有良好的应用前景。

基于拉曼散射技术的光纤分布测温系统是目前广泛应用的一种管道泄漏监测系统，由于拉曼散射光强度较低，同时高频光电探测器的灵敏度有限，所以一台光纤分布测温仪器的测量距离是固定的。要测量超长距离的管道线路，就需要多套光纤分布测温系统，这增加了整个管道线路监测的费用。为了降低监测费用，需要开发一种适用于长距离监测的低成本光纤分布测温系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种长距离光纤分布温度测量系统，利用啁啾光栅结合光放大器，将单个光源产生的脉冲激光多次使用，在此基础上对多个光纤分布温度测量光路进行级联，从而能够有效拓展测量距离；同时，利用啁啾光栅和光放大器可对传输中脉冲激光的展宽和光强分别进行有效补偿，从而保证了测量的定位精度和测温精度，最终实现了低成本、高精度的超长距离测量。

本发明通过如下技术方案实现：

一种长距离光纤分布温度测量系统，包括一个脉冲激光光源、至少两个光纤耦合器、至少一根测温光缆、至少一个光放大器、至少一个啁啾光纤光栅及至少两个探测采集单元；

所述脉冲激光光源与一个光纤耦合器的一端相连，光纤耦合器的另一端与测温光缆的一端相连，光纤耦合器的其它一端与探测采集单元相连；测温光缆的另一端与另一个光纤耦合器相连，另一个光纤耦合器输入端口与光放大器相连，光放大器与啁啾光栅相连，另一个光纤耦合器的输出端口与另一个探测采集单元相连；

所述探测采集单元由一个DTS波分复用器、两个光电探测器、一个数据采集卡及一个微处理器组成；其中，DTS波分复用器的两个输出端分别与两个光电探测器相连，光电探测器与数据采集卡相连，数据采集卡与微处理器相连。

进一步地，所述的脉冲激光光源由脉冲激光器产生。

本发明的一种长距离光纤分布温度测量系统的工作原理如下：

脉冲激光器发出的脉冲激光经光纤耦合器或环形器进入测温光缆，测温光缆中产生的拉曼散射光沿光纤回传，经光纤耦合器或环形器进入DTS波分复用器，拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光被DTS波分复用器分开，分别进入两路光电探测器，光电探测器把光强度转换为电信号，经电信号放大器放大后进入数据采集卡，数据采集卡把模拟信号转换为电信号，送到工控机中，工控机的数据处理模块根据斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出温度值，在显示器中显示。温度测量点的距离由激光器发出脉冲光的时间和光电探测器接受光的时间计算出。沿着光纤继续向前传输的脉冲激光进入光纤耦合器然后进入光放大器，被放大后进入啁啾光栅，被啁啾光栅反射的脉冲激光再次进入光放大器，被再次放大后通过光纤耦合器进入测温光缆，该被反射放大的脉冲激光所激发的拉曼散射光经光纤耦合器进入另一DTS波分复用器，拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光被DTS波分复用器分开，分别进入两路光电探测器，光电探测器把光强度转换为电信号，经电信号放大器放大后进入数据采集卡，数据采集卡把模拟信号转换为电信号，送到工控机中，工控机的数据处理模块根据斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出温度值，在显示器中显示。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、通过引入光放大器和啁啾光栅，能够多次使用单个光源产生的脉冲激光；在此基础上将多个测量光路进行级联，可实现超长距离的测量。

(2)、利用啁啾光栅结合光放大器，能够分别对光纤传输中脉冲激光的展宽和光强进行有效补偿，从而能够实现兼具高定位精度和高测温精度的超长距离的测量。

(3)、利用啁啾光栅仅用单个光源即可为各级联光路提供脉冲激光，避免了使用多个光源，显著降低了系统成本。

附图说明

图1为本发明长距离分布式光纤测温系统一实施例示意图；

图中，脉冲激光器1，光纤耦合器A2，DTS波分复用器A3，光电探测器A4，光电探测器B5，数据采集卡A6，微处理器A7，测温光纤光缆A8，光纤耦合器B9，光放大器A10，啁啾光栅A11，DTS波分复用器B12，光电探测器C13，光电探测器D14，数据采集卡B15，微处理器B16；

图2为本发明长距离分布式光纤测温系统一实施例示意图；

图中，光纤耦合器C17，DTS波分复用器C18，光电探测器E19，光电探测器F20，数据采集卡C21，微处理器C22，测温光纤光缆B23；

图3为本发明长距离分布式光纤测温系统一实施例示意图；

图中，光纤耦合器D24，光放大器B25，啁啾光栅B26，DTS波分复用器D27，光电探测器G28，光电探测器H29，光纤耦合器或环形器E30，DTS波分复用器E31，光电探测器I32，光电探测器J33，数据采集卡D34，微处理器D35，测温光纤光缆C36。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地说明。

实施例1

图1为本发明实施例1的示意图。如图1所示，本发明的长距离光纤分布测温系统，包括脉冲激光器1，光纤耦合器A2，DTS波分复用器A3，光电探测器A4，光电探测器B5，数据采集卡A6，微处理器A7，测温光纤光缆A8，光纤耦合器B9，光放大器A10，啁啾光栅A11，DTS波分复用器B12，光电探测器C13，光电探测器D14，数据采集卡B15，微处理器B16。在本实施例中，脉冲激光器1与光纤耦合器A2相连，光纤耦合器A2另一端与测温光纤光缆A8相连，其它一端与DTS波分复用器A3相连，DTS波分复用器A3的两个输出端分别与光电探测器A4和光电探测器B5相连，光电探测器A4和光电探测器B5均与数据采集卡A6相连，数据采集卡A6与微处理器A7相连，测温光纤光缆A8的另一端与光纤耦合器B9相连，光纤耦合器B9的另一端与光放大器A10相连，光放大器A10与啁啾光栅A11相连，光纤耦合器B9的其它一端与DTS波分复用器B12相连，DTS波分复用器B12的两个输出端分别与光电探测器C13和光电探测器D14相连，光电探测器C13和光电探测器D14均与数据采集卡B15相连，数据采集卡B15与微处理器B16相连。

在光纤分布测温系统中，激光脉冲在光纤中传输时，由于激光和光纤分子的相互作用，会产生3种散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。拉曼散射只对温度敏感而对应变不敏感，因此拉曼散射可用来测量温度。拉曼散射包括两种：斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。它们在频谱图上的分布大致是对称的。反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。而斯托克斯拉曼散射通常被用作参考通道，用来消除光源波动等其他因素的影响。

在图1中，脉冲激光器1发出的脉冲激光经光纤耦合器A2进入测温光纤光缆A8中，在测温光纤光缆A8中所激发的散射光经光纤耦合器A2进入DTS波分复用器A3中，经DTS波分复用器A3滤波后，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器A4和光电探测器B5中，光电探测器A4和光电探测器B5把斯托克斯光和反斯托克斯光的强度转换为电信号，然后进入数据采集卡A6，数据采集卡A6把模拟信号转换为数字电信号，送到微处理器A7中，微处理器A7根据斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出温度值，在显示器中显示。温度测量点的距离由激光器发出脉冲光的时间和光电探测器接收光的时间计算出。

沿着感温光纤光缆A8传输的脉冲激光到达感温光纤光缆A8的另一端后通过光纤耦合器B9后一部分进入光放大器A10，被光放大器A10发大后进入啁啾光栅A11，脉冲激光被啁啾光栅A11反射，经过光放大器A10和光纤耦合器B9进入测温光纤光缆A8，该脉冲激光在测温光纤光缆A8中所激发的散射光经光纤耦合器B9进入DTS波分复用器B12，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器C13和光电探测器D14中，光电探测器C13和光电探测器D14把斯托克斯光和反斯托克斯光的强度转换为电信号，然后进入数据采集卡B15，数据采集卡B15把模拟信号转换为数字电信号，送到微处理器B16中，微处理器B16根据斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出温度值，在显示器中显示。温度测量点的距离由激光器发出脉冲光的时间和光电探测器接收光的时间计算出。

由于光纤中拉曼散射信号很弱，而高速光电探测器的灵敏度有限，另一方面因为光纤非线性效应限制了光纤分布温度测量系统中脉冲激光光源的最大功率，所以一个普通的光纤分布温度测量系统的测量距离是有限的。本发明图1所示的结构，用光放大器A10把透过测温光纤光缆A8的脉冲激光放大、用啁啾光栅A11把因为光纤色散引起的脉冲激光的展宽压缩后又一次输入测温光纤光缆A8，在光缆的另一端测量拉曼散射光，可以把光纤分布温度测量系统提高一倍。例如，脉冲激光光器1和光电探测器A4，光电探测器B5的组合可以测量10公里的光纤分布温度，而测温光缆A8的长度为20公里，那么在图1所示结构左侧一端的微处理器A7中得到的有效数据只有测温光缆左侧10公里的温度分布。而脉冲激光经过20公里的测温光缆后被光放大器A10放大并被啁啾光栅反射，其因光纤衰减引起的强度下降得到补偿，因光纤色散引起的脉冲展宽得到压缩，即脉冲激光可以恢复到脉冲激光器发出时的状态，然后从测温光纤光缆的右侧一端入射，所产生的拉曼散射光被右侧的光电探测器C13和光电探测器D14接收，所以在右侧的微处理器B16中得到的有效数据是测温光缆A8右侧的10公里的温度分布。如此，图1所示的分布温度测量系统的测量距离就达到了20公里，比单一的温度分布系统提高了一倍。

实施例2

如图2所示，本发明的长距离光纤分布测温系统，包括脉冲激光器1，光纤耦合器A2，DTS波分复用器A3，光电探测器A4，光电探测器B5，数据采集卡A6，微处理器A7，测温光纤光缆A8，光纤耦合器B9，光放大器A10，啁啾光栅A11，DTS波分复用器B12，光电探测器C13，光电探测器D14，光纤耦合器C17，DTS波分复用器C18，光电探测器E19，光电探测器F20，数据采集卡C21，微处理器C22，测温光纤光缆B23。在本实施例中，脉冲激光器1与光纤耦合器A2相连，光纤耦合器A2另一端与测温光纤光缆A8相连，其它一端与DTS波分复用器A3相连，DTS波分复用器A3的两个输出端分别与光电探测器A4和光电探测器B5相连，光电探测器A4和光电探测器B5与数据采集卡A6相连，数据采集卡A6与微处理器A7相连，测温光纤光缆A8的另一端与光纤耦合器B9相连，光纤耦合器B9的另一端与光放大器A10相连，光放大器A10与啁啾光栅A11相连，光纤耦合器B9的其它一端与DTS波分复用器B12相连，DTS波分复用器B12的两个输出端分别与光电探测器C13和光电探测器D14相连，光纤耦合器B9的另一端与光纤耦合器C17相连，光纤耦合器C17的另一端与测温光纤光缆B23相连，光纤耦合器C17的其它端与DTS波分复用器C18相连，DTS波分复用器C18的两个输出端分别与光电探测器E19和光电探测器F20相连，光电探测器C13，光电探测器D14、光电探测器E19及光电探测器F20均与数据采集卡C21相连，数据采集卡C21与微处理器C22相连。

在图2中，脉冲激光器1发出的脉冲激光经光纤耦合器A2进入测温光纤光缆A8中，在测温光纤光缆A8中所激发的散射光经光纤耦合器A2进入DTS波分复用器A3中，经DTS波分复用器A3滤波后，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器A4和光电探测器B5中，光电探测器A4和光电探测器B5把斯托克斯光和反斯托克斯光的强度转换为电信号，然后进入数据采集卡A7，数据采集卡A7把模拟信号转换为数字电信号，送到微处理器A8中，微处理器A8根据斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出温度值，在显示器中显示。温度测量点的距离由激光器发出脉冲光的时间和光电探测器接收光的时间计算出。

沿着感温光纤光缆A8传输的脉冲激光到达感温光纤光缆A8的另一端后通过光纤耦合器B9后一部分进入光放大器A10，被光放大器A10发大后进入啁啾光栅A11，脉冲激光被啁啾光栅A11反射，经过光放大器A10和光纤耦合器B9进入测温光纤光缆A8，该脉冲激光在温光纤光缆A8中所激发的散射光经光纤耦合器B9进入DTS波分复用器B12，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器C13和光电探测器D14中。由光纤耦合器B9进入光纤耦合器C17的脉冲激光进入另一测温光纤光缆B23，在测温光纤光缆B23中所激发的散射光通过光纤耦合器C17进入DTS波分复用器C18，通过DTS波分复用器C18，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器E19和光电探测器F20中。光电探测器C13，光电探测器D14、光电探测器E19和光电探测器F20把斯托克斯光和反斯托克斯光的强度转换为电信号，然后进入数据采集卡C21，数据采集卡C21把模拟信号转换为数字电信号，送到微处理器C22中，微处理器C22根据光电探测器C13和光电探测器D14得到的斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出测温光缆A8右侧一段的温度值，根据光电探测器E19和光电探测器F20得到的斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出测温光缆B23的温度值。温度测量点的距离由激光器发出脉冲光的时间和光电探测器接收光的时间计算出。如此，光纤分布测温系统的测量距离得到了增加。

实施例3

图3是本发明光纤分布测温系统另一实施例示意图，它包括脉冲激光器1，光纤耦合器或环形器A2，DTS波分复用器A3，光电探测器A4，光电探测器B5，数据采集卡A6，微处理器A7，测温光纤光缆A8，光纤耦合器B9，光放大器A10，啁啾光栅A11，DTS波分复用器B12，光电探测器C13，光电探测器D14，数据采集卡B15，微处理器B16，光纤耦合器C17，DTS波分复用器C18，光电探测器E19，光电探测器F20，数据采集卡C21，微处理器C22，测温光纤光缆B23，光纤耦合器D24，光放大器B25，啁啾光栅B26，DTS波分复用器D27，光电探测器G28，光电探测器H29，光纤耦合器或环形器E30，DTS波分复用器E31，光电探测器I32，光电探测器J33，数据采集卡D34，微处理器D35，测温光纤光缆C36。

在本实施例中，脉冲激光器1与光纤耦合器或环形器A2相连，光纤耦合器或环形器A2另一端与测温光纤光缆A8相连，其它一端与DTS波分复用器A3相连，DTS波分复用器A3的两个输出端分别与光电探测器A4和A5相连，光电探测器A4和A5与数据采集卡A6相连，数据采集卡A6与微处理器A7相连，测温光纤光缆A8的另一端与光纤耦合器B9相连，光纤耦合器B9的另一端与光放大器A10相连，光放大器A10与啁啾光栅A11相连，光纤耦合器B9的其它一端与DTS波分复用器B12相连，DTS波分复用器B12的两个输出端分别与光电探测器C13和D14相连，光纤耦合器B9的另一端与光纤耦合器或环形器C17相连，光纤耦合器C17的另一端与测温光纤光缆B23相连，光纤耦合器或光纤耦合器C17的其它端与DTS波分复用器C18相连，DTS波分复用器C18的两个输出端分别与光电探测器E19和F20相连，光电探测器C13、D14、E19和F20与数据采集卡C21相连，数据采集卡C21与微处理器C22相连，测温光纤光缆的另一端与光纤耦合器D24相连，光纤耦合器D24的另一端与光放大器B25相连，光放大器B25与啁啾光栅B26相连，光纤耦合器D24的其它一端与DTS波分复用器D27相连，DTS波分复用器D27的两个输出端分别与光电探测器G28和H29相连，光纤耦合器D24的另一端与光纤耦合器或环形器E30相连，光纤耦合器或环形器E30的另一端与测温光纤光缆C36相连，光纤耦合器或环形器E30的其它端与DTS波分复用器E31相连，DTS波分复用器E31的两个输出端分别与光电探测器I32和J33相连，光电探测器G28、H29、I32和J33与数据采集卡D34相连，数据采集卡D34与微处理器D35相连。

在图3中，脉冲激光器1发出的脉冲激光经光纤耦合器或环形器A2进入测温光纤光缆A8中，在测温光纤光缆A8中所激发的散射光经光纤耦合器或环形器A2进入DTS波分复用器A3中，经DTS波分复用器A3滤波后，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器A4和B5中，光电探测器A4和B5把斯托克斯光和反斯托克斯光的强度转换为电信号，然后进入数据采集卡A6，数据采集卡A6把模拟信号转换为数字电信号，送到微处理器A7中，微处理器A7根据斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出温度值，在显示器中显示。温度测量点的距离由激光器发出脉冲光的时间和光电探测器接收光的时间计算出。

沿着测温光纤光缆A8传输的脉冲激光到达测温光纤光缆A8的另一端后通过光纤耦合器B9后一部分进入光放大器A10，被光放大器A10发大后进入啁啾光栅A11，脉冲激光被啁啾光栅A11反射，经过光放大器A10和光纤耦合器B9进入测温光纤光缆A8，该脉冲激光在温光纤光缆A8中所激发的散射光经光纤耦合器B9进入DTS波分复用器B12，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器C13和D14中。由光纤耦合器B9进入光纤耦合器C17的脉冲激光进入另一测温光纤光缆B23，在测温光缆B23中所激发的散射光通过光纤耦合器C17进入DTS波分复用器C18，通过DTS波分复用器C18，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器E19和F20中。光电探测器C13、D14、E19和F20把斯托克斯光和反斯托克斯光的强度转换为电信号，然后进入数据采集卡C21，数据采集卡C21把模拟信号转换为数字电信号，送到微处理器C22中，微处理器C22根据光电探测器C13、D14得到的斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出测温光缆A8右侧一段的温度值，根据光电探测器E19、F20得到的斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出测温光缆B23左侧一端的温度值。温度测量点的距离由激光器发出脉冲光的时间和光电探测器接收光的时间计算出。

沿着感温光纤光缆B23传输的脉冲激光到达感温光纤光缆B23的另一端后通过光纤耦合器D24后一部分进入光放大器B25，被光放大器B25发大后进入啁啾光栅B26，脉冲激光被啁啾光栅B26反射，经过光放大器B25和光纤耦合器D24进入测温光纤光缆B23，该脉冲激光在温光纤光缆B23中所激发的散射光经光纤耦合器D24进入DTS波分复用器D27，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器G28和H29中。由光纤耦合器D24进入光纤耦合器或环形器D30的脉冲激光进入另一测温光纤光缆C36，在测温光缆C36中所激发的散射光通过光纤耦合器或环形器D30进入DTS波分复用器E31，通过DTS波分复用器E31，散射光中的拉曼散射斯托克斯分量和反斯托克斯分量分别进入光电探测器I32和J33中。光电探测器G28、H29、I32和J33把斯托克斯光和反斯托克斯光的强度转换为电信号，然后进入数据采集卡D34，数据采集卡D34把模拟信号转换为数字电信号，送到微处理器D35中，微处理器D35根据光电探测器G28、H29得到的斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出测温光缆B23右侧一段的温度值，根据光电探测器I32、J33得到的斯托克斯光和反斯托克斯光的强度计算出测温光缆C36的温度值。温度测量点的距离由激光器发出脉冲光的时间和光电探测器接收光的时间计算出。如此，光纤分布测温系统的测量距离得到了增加。

除了上述所示的结构外，本发明的长距离分布式光纤测温系统还可以在如图3所示的结构中测温光纤光缆的右侧连接一组或多组从D24到C36这样的器件组合，充分增加系统测量距离。这样，通过增加光放大器和啁啾光栅，并对系统器件进行适当的组合，本发明的长距离分布式光纤温度测量系统的测量距离得到成倍的增加。

Claims (2)

1.一种长距离光纤分布温度测量系统，其特征在于，包括一个脉冲激光光源、至少两个光纤耦合器、至少一根测温光缆、至少一个光放大器、至少一个啁啾光纤光栅及至少两个探测采集单元；

所述脉冲激光光源与一个光纤耦合器的一端相连，光纤耦合器的另一端与测温光缆的一端相连，光纤耦合器的其它一端与探测采集单元相连；测温光缆的另一端与另一个光纤耦合器相连，另一个光纤耦合器输入端口与光放大器相连，光放大器与啁啾光栅相连，另一个光纤耦合器的输出端口与另一个探测采集单元相连；

所述探测采集单元由一个DTS波分复用器、两个光电探测器、一个数据采集卡及一个微处理器组成；其中，DTS波分复用器的两个输出端分别与两个光电探测器相连，光电探测器与数据采集卡相连，数据采集卡与微处理器相连。

2.如权利要求1所述的一种长距离光纤分布温度测量系统，其特征在于，所述的脉冲激光光源由脉冲激光器产生。