CN110210050B - 一种高温dts的高精度温度解调算法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于算法优化技术领域，尤其为一种高温DTS的高精度温度解调算法，本算法针对高温情况下Stocks和anti‑Stocks传输衰减系数与温度关系的非线性，以及拉曼散射频移与温度关系的非线性，严重影响测温精度的特点，通过对拉曼散射频移的非线性精确建模，对衰减系数的非线性精确建模，解调得到了高温情况下高精度的温度。有效的解决了DTS拉曼频移在高温下随温度变化而变化的问题，衰减系数随温度变化而变化的问题，达到高温情况下高精度解调温度的效果。
Description
技术领域
本发明涉及算法优化技术领域，尤其涉及一种高温DTS的高精度温度解调算法。
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实现的可用于分布式、连续式、实时测量空间温度场的一种新型传感系统。光纤温度传感器，相比传统的电子传感器，具有抗电磁干扰、耐高压、精度高、结构简单的优点，所以广泛应用于电缆测温，结构健康监测、大坝泄露监测等领域。
测温精度是分布式光纤传感领域重要的指标，在电缆测温领域，温度的准确性直接关系到电缆报警的准确性，在输油管的泄露检测领域，温度的准确性牵涉到输油管泄露预报的准确性，而在油气田的检测领域，准确检测油气的高温分层，温度的准确性致关重要，由于普通康宁光纤，其涂敷层不能经受高温影响，选用聚酰亚胺的涂敷层可耐受高达300℃的高温。
但是，现有技术中，耐受高温的光纤在高温情况下表现出衰减系数的非线性，拉曼频移的非线性，考虑拉曼频移和耗散系数的温度非线性关系的解调算法不能得到高精度的温度测量结果，因此对光纤测温的数学模型进行更精密的建模，以满足光纤在高温情况下拉曼频移非线性以及耗散项非线性的要求，提高解调精度的需求较迫切，为此，提出一种高温DTS的高精度温度解调算法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高温DTS的高精度温度解调算法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高温DTS的高精度温度解调算法，包括以下步骤：
S1：建立高温DTS的距离衰减系数的温度数学模型；
S2：建立高温DTS的拉曼频移的温度数学模型；
S3：建立高温DTS的Stocks光强和anti-Stocks光强的数学模型；
S4：通过参考光纤及参考光纤的精密温度，消除Stocks和Anti-Stocks的公共误差，建立数学模型；
S5：通过高温箱对高温DTS进行标定，得到拉曼频移ΔV与距离衰减系数α非线性数学模型的所有系数；
S6：实时温度计算，结合参考光纤的精密温度，通过求解包含温度的方程得到温度。
优选的，所述S1中，高温DTS的距离衰减系数的温度数学模型为αa(T)-αs(T)＝Δα0+Δα1T+Δα2T2，其中，其中αa为反斯托克斯距离衰减系数，αs为斯托克斯距离衰减系数，Δα0为与温度无关的常数损耗项，Δα1为温度的1次项，Δα2为温度的2次项。
优选的，所述S2中，高温DTS的拉曼频移的温度数学模型为
其中，ΔvR(T)为拉曼频移，
为与温度无关的常数项，a1Δvr为温度的1次项，a2Δvr为温度的2次项。
优选的，所述S3中，高温DTS的Stocks光强和anti-Stocks光强的数学模型为
DTS的温度解调方法是通过Stocks光强和anti-Stocks光强的比值得到的，常用算法假定拉曼频移ΔvR为常数，在高温情况下ΔvR(T)随温度变化而变化，且成非线性关系，anti-Stocks和Stocks的耗散系数αa、αs常用算法假定为常数，在高温情况下，αa、αs随温度的变化而变化，且成非线性关系。
优选的，所述S4中，DTS参考光纤消除共同误差的数学模型为
，其中，Ps(z,T)Pa(z,T)为光纤纵向位置z处感温光纤的anti-stocks光强和stocks光强，Pa(z0,T0)、Ps(z0,T0)为参考光纤的anti-stocks和stocks光强，T0为参考光纤温度，Z0为参考光纤位置、Z为感温光纤位置，可见，通过参考光纤，可消除光学常数项C的不确定性，以及拉曼频移的1次项a1Δvr。
优选的，所述S5中，对高温DTS进行标定时，在同一温度点T，在感温光纤的不同位置处，L0、L1、L2…Li处计算其衰减系数α(T)，对不同的温度点T1、T2、T3…分别计算α(T1)、α(T2)、α(T3)…通过最小二乘法拟合可得到α(T1)，对于拉曼频移随温度参数的变化参数，将已标定的最小二乘拟合参数代入α(T1)、α(T2)、α(T3)，求解即可得到，由于Δα1Δvr可通过参考光纤抵消掉，
为常数，通过该式可拟合得到a2Δvr。
优选的，所述S6中，根据标定得到的光纤的拉曼频移参数
a2Δvr，衰减系数Δα0、Δα1、Δα2，通过实时测量得到的感温光纤的Stocks值和Anti-Stocks值，以及参考光纤得到的Stocks值和Anti-Stocks值，参考光纤温度，求解如下方程即可得到高温DTS的温度值，求解温度T的公式为
，首先将距离衰减系数的2次项Δα2＝0，通过求解得到一个合理的温度，再以此温度作为初始温度，通过迭代法求解温度，在标定准确的情况下，收敛的温度唯一。
本发明的有益效果是：针对高温情况下Stocks和anti-Stocks传输衰减系数与温度关系的非线性，以及拉曼散射频移与温度关系的非线性，严重影响测温精度的特点，通过对拉曼散射频移的非线性精确建模，对衰减系数的非线性精确建模，解调得到了高温情况下高精度的温度，有效的解决了DTS拉曼频移在高温下随温度变化而变化的问题，衰减系数随温度变化而变化的问题，达到高温情况下高精度解调温度的效果。
附图说明
图1为本发明中标定及实时温度计算的流程图；
图2为本发明中高温DTS拉曼频率漂移系数以及衰减系数α温度系数的获取方法流程图；
图3为本发明中高温DTS的组成结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参照图1-3，本发明提供一种技术方案：一种高温DTS的高精度温度解调算法，包括以下步骤：
S1：建立高温DTS的距离衰减系数的温度数学模型；
S2：建立高温DTS的拉曼频移的温度数学模型；
S3：建立高温DTS的Stocks光强和anti-Stocks光强的数学模型；
S4：通过参考光纤及参考光纤的精密温度，消除Stocks和Anti-Stocks的公共误差，建立数学模型；
S5：通过高温箱对高温DTS进行标定，得到拉曼频移ΔV与衰减系数α非线性数学模型的所有系数；
S6：实时温度计算，结合参考光纤的精密温度，通过求解包含温度的方程得到温度；
本实施例中：
所述S1中，高温DTS的距离衰减系数的温度数学模型为αa(T)-αs(T)＝Δα0+Δα1T+Δα2T2，其中，其中αa为反斯托克斯距离衰减系数，αs为斯托克斯距离衰减系数，Δα0为与温度无关的常数损耗项，Δα1为温度的1次项，Δα2为温度的2次项。
所述S2中，高温DTS的拉曼频移的温度数学模型为
其中，ΔvR(T)为拉曼频移，
为与温度无关的常数项，a1Δvr为温度的1次项，a2Δvr为温度的2次项。
所述S3中，高温DTS的Stocks光强和anti-Stocks光强的数学模型为
DTS的温度解调方法是通过Stocks光强和anti-Stocks光强的比值得到的，常用算法假定拉曼频移ΔvR为常数，在高温情况下ΔvR(T)随温度变化而变化，且成非线性关系，anti-Stocks和Stocks的耗散系数αa、αs常用算法假定为常数，在高温情况下，αa、αs随温度的变化而变化，且成非线性关系。
所述S4中，DTS参考光纤消除共同误差的数学模型为
，其中，Ps(z,T)Pa(z,T)为光纤纵向位置z处感温光纤的anti-stocks光强和stocks光强，Pa(z0,T0)Ps(z0,T0)为参考光纤的anti-stocks和stocks光强，T0为参考光纤温度，Z0为参考光纤位置、Z为感温光纤位置，可见，通过参考光纤，可消除光学常数项C的不确定性，以及拉曼频移的1次项a1Δvr。
所述S5中，对高温DTS进行标定时，在同一温度点T，在感温光纤的不同位置处，L0、L1、L2…Li多个位置点进行最小二乘法拟合计算其衰减系数α(T)。对不同的温度点T1、T2、T3…分别计算α(T1)、α(T2)、α(T3)…通过最小二乘法拟合可得到衰减系数的系数Δα0、Δα1、Δα2。对于拉曼频移随温度参数的变化参数，将已标定的最小二乘拟合参数代入α(T1)、α(T2)、α(T3)，求解即可得到，由于Δα1可通过参考光纤抵消掉，
为常数，通过该式可拟合得到a2Δvr。
所述S6中，根据标定得到的光纤的拉曼频移参数
a2Δvr，衰减系数Δα0、Δα1、Δα2，通过实时测量得到的感温光纤的Stocks值和Anti-Stocks值，以及参考光纤得到的Stocks值和Anti-Stocks值，参考光纤温度，求解如下方程即可得到高温DTS的温度值，求解温度T的公式为
，首先将距离衰减系数的2次项Δα2＝0，通过求解得到一个合理的温度，再以此温度作为初始温度，通过迭代法求解温度，在标定准确的情况下，收敛的温度唯一。
本实施例中：
高温DTS由感温光纤、参考光纤，两个波分复用器，雪崩光电二极管APD，信号采集电路、处理计算机，以及参考光纤温度传感器组成；
其中，高温DTS采用的光纤包括参考光纤和感温光纤，光纤的涂敷层是聚酰亚胺，该涂敷层可耐受高达300℃的高温，纤芯为多模光纤，高温DTS包含参考光纤，并对参考光纤提供精密的温度测量，以消除共同误差；
雪崩光电二极管APD用于将Stocks光和anti-Stcocks光转换为电压信号；
信号采集电路将Stocks光和anti-Stcocks光的反应光强大小的模拟电压信号转换为数字信号，供信号处理计算机进行温度解调；
信号处理计算机通过标定数据，以及实时采集的Stocks光和Anti-Stocks的光强信息，进行解算，得到感温光纤每一个位置的温度数据；
波分复用器高温DTS发射的光源波长为1550nm，反射的波长1663nm以及1450nm附近，波分复用器的带宽，应满足测量温度范围内拉曼频移的变化范围；
参考光纤温度传感器用于测量参考光纤的温度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种高温DTS的高精度温度解调算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：建立高温DTS的损耗项系数的温度数学模型；
S2：建立高温DTS的拉曼频移的温度数学模型：高温DTS的拉曼频移的温度数学模型为
其中，ΔvR(T)为拉曼频移，
为与温度无关的常数项，a1Δvr为温度的1次项，a2Δvr为温度的2次项，所述T为温度；
S3：建立高温DTS的Stocks光强和anti-Stocks光强的数学模型；
S4：通过参考光纤及参考光纤的精密温度，消除Stocks和Anti-Stocks的公共误差，建立数学模型；
S5：通过高温箱对高温DTS进行标定，得到拉曼频移与衰减系数α非线性数学模型的所有系数；
S6：实时温度计算，结合参考光纤的精密温度，通过求解包含温度的方程得到温度。
2.根据权利要求1所述的一种高温DTS的高精度温度解调算方法，其特征在于：所述S1中，高温DTS的损耗项系数的温度数学模型为αa(T)-αs(T)＝Δα0+Δα1T+Δα2T2，其中，其中αa为反斯托克斯距离衰减系数，αs为斯托克斯距离衰减系数，Δα0为与温度无关的常数损耗项，Δα1为温度的1次项，Δα2为温度的2次项。
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| 《近年测井技术新进展及测井行业发展趋势》;王丽忱等;《 国际石油经济》;20150925;第23卷(第9期);正文1-7页 * |
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