CN110849501B - 一种分布式光纤测温装置中光开关损耗测量及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤测温装置中光开关损耗测量及标定方法，该方法包括：1)采集设定温度下与测温起始位置的距离为l的位置处的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号，l大于光开关所处位置与测温起始位置的距离；2)根据温度解调公式及步骤1)中的采集的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号，计算标定温度T₀下实际的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的比值；3)根据定标温度T₀下斯托克斯和反斯托克斯光两条曲线比值初始值及步骤2)计算的比值，获得光开关损耗系数。该标定方法为：利用上述测量方法获取光开关损耗系数，利用光开关损耗系数，对分布式光纤测温装置光开关之后的定标曲线进行修正。本发明提高了温光纤沿线各点的测温精度。

Description

一种分布式光纤测温装置中光开关损耗测量及标定方法

技术领域

本发明属于分布式光纤测温系统领域，具体涉及一种分布式光纤测温装置中光开关损耗测量及标定方法。

背景技术

分布式光纤测温装置是将整个测温光纤作为传感器，可以测试沿线所有点的实时温度。温度精度作为光纤测温重要的一个指标，其要求光纤沿线所有点都必须满足标准要求。根据温度解调公式：

其中，T为光纤沿线某位置的待测温度，T₀为标定位置处(即定标光纤)的实际温度，即定标温度，K_B为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，Δν为拉曼频移。V_as(T,L)为采集卡得到的光纤沿线待测温度下反斯托克斯光信号电压，V_s(T,L)为采集卡得到的光纤沿线待测温度下斯托克斯光信号电压；V_as(T₀,L)为根据标定位置L＝0及其温度T0下，经衰减计算反斯托克斯光信号电压；V_s(T₀,L)为根据标定位置L＝0及其温度T0下，经衰减计算斯托克斯光信号电压。V_as(T₀,L)和V_s(T₀,L)的准确性直接影响光纤测温的精度。

其中，V_as(T₀,L)和V_s(T₀,L)就是定标数据，获得该定标数据，就可以采集测温光纤沿线待测温度下的反斯托克斯光信号电压和斯托克斯光信号电压，结合上述温度解调公式来获得待测温度。

但是由于光纤具有一定的损耗，基于上述定标数据的测温光纤的测温结果并不准确，必须对定标数据V_as(T₀,L)和V_s(T₀,L)进行修正，即对测温光纤进行标定，其标定过程即为求光纤衰耗系数，根据光纤衰耗系数计算V_as(T₀,L)和V_s(T₀,L)两条标定曲线。

光纤衰耗系数是根据已知采集曲线经过一阶拟合所得，其前提是必须保证整盘光纤在一个恒定的温度下，根据曲线不同两点间的光强值计算整盘光纤的衰耗系数。如公布号为CN110231106A的中国发明专利公开了一种获取分布式光纤拉曼测温系统中测温光纤的衰减差方程，然后获得衰减差与温度的关系图，拟合后获得衰减差关于温度的拟合曲线方程，然后将之用于光纤测温中。

虽然上述标定方法考虑了光纤损耗的影响，但是现有的光纤测温装置依然存在测量温度与实际温度存在一定偏差的问题。

发明内容

针对现有的光纤测温装置在考虑光纤损耗情况下，测量温度与实际温度依然存在一定偏差的问题，经过研究发现，为实现光纤测温经济性，往往在光纤测温装置中放入光开关，实现多条光纤线路的分时测温。由于光开关的引入，标定曲线在光开关处有一定的衰耗，而标定位置位于光开关之前，这就导致光开关后面的温度和前面有一定的偏差，导致标定曲线并不准确，最终使得温度测量精度不高。

在发现了上述导致测温精度不高的原因后，本发明提供了一种分布式光纤测温装置中光开关损耗测量方法，实现对分布式光纤测温装置中光开关损耗的精准测量，进而用于提高测温光纤沿线各点的测温精度。本发明的还提供了一种分布式光纤测温装置的标定方法，提高了温光纤沿线各点的测温精度。

为达到上述目的，本发明的分布式光纤测温装置中光开关损耗测量方法为：

1)采集设定位置处设定温度下的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号；所述设定位置与测温起始位置的距离为l，l>d，其中d为光开关在测温光纤所处位置与测温起始位置的距离；

2)根据步骤1)中的采集的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号、设定温度，利用温度解调公式，计算得到定标温度T₀下实际的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的比值；

3)根据定标温度T₀下斯托克斯和反斯托克斯光两条曲线比值初始值及步骤2)计算的比值，获得光纤测温装置中光开关损耗系数。

本发明的测量方法能够精准的测量分布式光纤测温装置中光开关的损耗系数，从而为分布式光纤测温装置的精准标定提供数据支撑。

所述光开关损耗系数为步骤2)中计算得到的比值与步骤3)中的比值初始值之比，该光开关损耗系数计算方式简单高效。

为了更加精确地获取光开关损耗系数，步骤3)中的定标温度T₀下的斯托克斯和反斯托克斯光两条曲线比值初始值为采用光纤衰耗系数修正后的比值初始值，修正公式为：y₁＝k₁*l+V₀(T,L)，其中y₁为修正后的斯托克斯和反斯托克斯两条曲线比值初始值，k₁为光纤衰耗系数，V₀(T,L)为测温起始位置处定标温度T₀下的斯托克斯和反斯托克斯两条曲线比值初始值。

为了提高修正的精确性，所述光纤衰耗系数的获取方式为：1)将测温光纤的首端和尾端分别放入恒温装置中；

2)采集测温光纤首端a位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号，以及尾端b位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号；

3)计算首端a位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号的比值V_a(T,L)，以及尾端b位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号的比值V_b(T,L)，并根据公式

计算出光纤衰耗系数，其中k₁为光纤衰耗系数，L_a为测温光纤首端a位置与测温起始位置的距离，L_b为测温光纤尾端b位置与测温起始位置的距离。

本发明的分布式光纤测温装置标定方法为：获取光纤测温装置中光开关损耗系数，利用光开关损耗系数，对分布式光纤测温装置光开关之后的定标曲线进行修正；获取光纤测温装置中光开关的损耗系数的方法包括以下步骤：

1)采集设定位置处设定温度下的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号；所述设定位置与测温起始位置的距离为l，l>d，其中d为光开关在测温光纤所处位置与测温起始位置的距离；

2)将步骤1)中的采集的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号、设定温度及定标温度T₀带入温度解调公式中，计算得到定标温度T₀下实际的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的比值；

3)根据定标温度T₀下斯托克斯和反斯托克斯光两条曲线比值初始值及步骤2)计算的比值，获得光纤测温装置中光开关损耗系数。

本发明的分布式光纤测温装置的标定方法将光开关的损耗用于分布式光纤测温装置的标定中，从而解决了现有标定方法不准确，导致测量出的温度偏低的问题，提高了测温精度。

为了更加准确地对分布式光纤测温装置进行标定，利用光开关的损耗系数对温度解调公式中的定标曲线

进行修正，修正公式为：y₂＝k₂*y₁，其中k₂为光开关损耗系数，y₂为校准后曲线，y₁为定标曲线

为了更加精确地获取光开关的损耗系数，所述定标曲线为采用光纤衰耗系数校准后的定标曲线，校准公式为：y₁＝k₁*l+V₀(T,L)，其中y₁为定标曲线

k₁为光纤衰耗系数，V₀(T,L)为测温起始位置处定标温度T₀下的斯托克斯和反斯托克斯光信号比值初始值。

为了获取准确的光纤衰耗系数，所述光纤损耗系数的获取方式为：

1)将测温光纤的首端和尾端分别放入恒温装置中；

2)采集测温光纤首端a位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号，以及尾端b位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号；

3)计算首端a位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号的比值V_a(T,L)，以及尾端b位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号的比值V_b(T,L)，并根据公式

计算出光纤衰耗系数，其中k₁为光纤衰耗系数，L_a为测温光纤首端a位置与测温起始位置的距离，L_b为测温光纤尾端b位置与测温起始位置的距离。

附图说明

图1为本发明标定方法的标定环境示意图；

图2为本发明温度采集及标定曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明的分布式光纤测温装置中光开关损耗测量方法实施例

本发明的分布式光纤测温装置中光开关损耗测量方法包括以下步骤：

1)采集设定位置处设定温度下的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号；所述设定位置与测温起始位置的距离为l，l>d，其中d为光开关在测温光纤所处位置与测温起始位置的距离；

2)将步骤1)中的采集的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号、设定温度及定标温度T₀带入温度解调公式中，得到定标温度T₀下实际的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的比值；

3)根据定标温度T₀下斯托克斯和反斯托克斯光两条曲线比值初始值及步骤2)得到斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的比值，获得光纤测温装置中光开关的损耗系数。

为了提高光开关损耗的测量精度，利用光纤衰耗系数对步骤3)中斯托克斯和反斯托克斯光两条曲线比值初始值进行修正，利用修正后的比值初始值计算光开关的损耗系数，修正公式为：y₁＝k₁*l+V₀(T,L)，其中y₁为修正后的比值初始值，k₁为光纤衰耗系数，V₀(T,L)为测温起始位置处定标温度T₀下的斯托克斯和反斯托克斯两条曲线比值初始值。

本实施例给出了一种光纤衰耗系数的获取方式：

1)将测温光纤的首端和尾端分别放入恒温装置中；

2)采集测温光纤的斯托克斯曲线V_s(T,L)和反斯托克斯V_as(T,L)曲线，得到两条曲线的比值数据

3)根据比值数据V(T,L)，求取测温光纤首端a位置处的热点值V_a(T,L)和测温光纤尾端b位置处的热点值V_b(T,L)，计算光纤衰耗系数

其中L_a为测温光纤首端a位置与测温起始位置的距离，L_b为测温光纤尾端b位置与测温起始位置的距离。

图1给出了一种获取光纤衰减系数及光开关损耗的系统，该系统包括分布式测温装置、测温光纤、恒温水槽，测温光纤接入分布式光纤测温装置的某一通道，分别取测温光纤的首端和尾端2倍的空间分辨率的距离放入恒温水槽中。

在进行标定时，将恒温水槽设置到一个温度值，待水槽温度恒定在该温度值后，等待一段时间，一般为半个小时，以使恒温水槽中的测温光纤的感应温度和恒温水槽温度一致。

分布式光纤测温装置采集测温光纤的测量数据如下：斯托克斯曲线V_s(T,L)和反斯托克斯曲线V_as(T,L)，将两条曲线做除法运算，得到两条曲线的比值数据

如图2中所示的蓝色曲线。该曲线横坐标0处即为测温起始位置，该测温起始位置位于分布式光纤测温装置内部，且位于光开关之前。通过在分布式光纤测温装置内部布置温度传感器来测得该测温起始位置处的实际温度值T₀，也即定标温度。图2中a和b即为恒温水槽中两个热点，其值分别为V_a(T,L)和V_b(T,L)，并计算两者之间的距离s＝L_b-L_a，根据一阶拟合公式：

求得光纤衰耗系数k₁。

装置内部预安装部分定标光纤和温度传感器，定标光纤为测温起始位置，通过温度传感器获取测温起始位置的实时温度T₀和在T₀下的斯托克斯光信号和反斯托克斯两条曲线的比值初始值V₀(T,L)，结合光纤衰耗系数k₁，可以求得光纤在定标温度T₀下的标准曲线y₁＝k₁*l+V₀(T,L)，其中l为测温光纤测量点与定标光纤的距离。

通过图2可以看出在距离测温起始位置为d的位置处即光开关处存在明显衰耗，该衰耗是由于光开关对斯托克斯和反斯托克斯两条曲线衰耗不一致造成。为使定标曲线和实际一致，引入光开关衰耗系数k₂，校准后定标曲线为y₂＝k₂*y₁(l＞d)。

分布式光纤测温系统温度解调公式为：

T为恒温水槽的温度，T₀为装置内部传感器测量的温度数据。

为装置采集到的温度T下位置a或b的电压实时值。

为在定标温度T₀下位置a或b下的标定值，即为y₂＝k₂(k₁*l+V₀(T,L))，其中l为a或b位置距离定标光纤的距离。将a点数据或b点数据、恒温水槽温度T、定标温度T₀代入温度解调公式，即可得到关于k₂的函数，进一步计算出光开关衰耗系数k₂。根据光开关衰耗系数k₂得到校准后的标定曲线，如图2中所示的黄色部分。由图2可知，d点位置即为光开关位置，对定标曲线进行修正时，在光开关之前无需采用k₂进行校正，在d点之后，采用k₂进行修改即得到光纤在标定温度T₀下的定标曲线。

本发明的分布式光纤测温装置的标定方法实施例

本发明的分布式光纤测温装置的标定方法为：首先采用上述实施例的测量方法获取光纤测温装置中光开关的损耗系数，然后利用光开关的损耗系数，对分布式光纤测温装置光开关之后的定标曲线进行标定。

具体为利用光开关的损耗系数去修正温度解调公式中的

实现对分布式光纤测温装置的标定。作为其他实时方式也可以直接修正分布式光纤测温装置测量的温度。

利用光开关的损耗系数修正标定曲线

的公式为：y₂＝k₂*y₁，其中k₂为光开关的损耗系数，y₂为校准后曲线，y₁为光开关之后的标定曲线

当然作为其他实施方式，也可不用相乘的方式，如相加或其他运算方式。

为了进一步提高分布式光纤测温装置测温精度，也会考虑光纤衰耗对测温的影响，即在利用光开关的损耗系数对

进行修正前，先利用光纤衰耗系数对标定曲线

进行校准，校准公式为：y₁＝k₁*l+V₀(T,L)，其中y₁为标定曲线，k₁为光纤衰耗系数，l为测温光纤某一位置与测温起始位置的距离，V₀(T,L)为测温光纤采集测温起始位置处定标温度T₀下的的斯托克斯和反斯托克斯两条曲线比值初始值。

其中，光纤衰耗系数k₁的获取方式为：

1)将测温光纤的首端和尾端分别放入恒温装置中；

2)采集测温光纤的斯托克斯曲线V_s(T,L)和反斯托克斯V_as(T,L)曲线，得到两条曲线的比值数据

3)根据比值数据V(T,L)，求取测温光纤首端a位置处的热点值V_a(T,L)和测温光纤尾端b位置处的热点值V_b(T,L)，计算光纤衰耗系数

其中L_a为测温光纤尾端a位置与测温起始位置的距离，L_b为测温光纤首端b位置与测温起始位置的距离。

Claims (6)

1.一种分布式光纤测温装置中光开关损耗测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)采集设定位置处设定温度下的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号；所述设定位置与测温起始位置的距离为l，l>d，其中d为光开关在测温光纤所处位置与测温起始位置的距离；所述测温起始位置位于分布式光纤测温装置内部，且位于光开关之前，分布式光纤测温装置内部预安装定标光纤，定标光纤为测温起始位置；

2)根据步骤1)中的采集的斯托克斯光信号及反斯托克斯光信号、设定温度，利用温度解调公式，计算得到定标温度T₀下实际的斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号的比值；所述温度解调公式为：

其中，T为光纤沿线待测温度，T₀为标定位置处的定标温度，K_B为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，Δν为拉曼频移，V_as(T,L)为采集得到的光纤沿线待测温度下反斯托克斯光信号电压，V_s(T,L)为采集得到的光纤沿线待测温度下斯托克斯光信号电压；V_as(T₀,L)为根据标定位置L＝0及定标温度T₀下，经衰减计算得到的反斯托克斯光信号电压；V_s(T₀,L)为根据标定位置L＝0及其温度T₀下，经衰减计算得到的斯托克斯光信号电压；

3)根据定标温度T₀下斯托克斯和反斯托克斯光两条曲线比值初始值及步骤2)计算的比值，获得光纤测温装置中光开关损耗系数；

所述光开关损耗系数为步骤2)中计算得到的比值与步骤3)中的比值初始值之比。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤测温装置中光开关损耗测量方法，其特征在于，步骤3)中的定标温度T₀下的斯托克斯和反斯托克斯光两条曲线比值初始值为采用光纤衰耗系数修正后的比值初始值，修正公式为：y₁＝k₁*l+V₀(T,L)，其中y₁为修正后的斯托克斯和反斯托克斯两条曲线比值初始值，k₁为光纤衰耗系数，V₀(T,L)为测温起始位置处定标温度T₀下的斯托克斯和反斯托克斯两条曲线比值初始值。

3.根据权利要求2所述的分布式光纤测温装置中光开关损耗测量方法，其特征在于，所述光纤衰耗系数的获取方式为：

1)将测温光纤的首端和尾端分别放入恒温装置中；

2)采集测温光纤首端a位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号，以及尾端b位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号；

3)计算首端a位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号的比值V_a(T,L)，以及尾端b位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号的比值V_b(T,L)，并根据公式

计算出光纤衰耗系数，其中k₁为光纤衰耗系数，L_a为测温光纤首端a位置与测温起始位置的距离，L_b为测温光纤尾端b位置与测温起始位置的距离。

4.一种分布式光纤测温装置标定方法，其特征在于，该方法为：采用权利要求1所述的方法获取光纤测温装置中光开关损耗系数，利用光开关损耗系数，对分布式光纤测温装置光开关之后的定标曲线进行修正；

利用光开关的损耗系数对温度解调公式中的定标曲线

进行修正，修正公式为：y₂＝k₂*y₁，其中k₂为光开关损耗系数，y₂为校准后曲线，y₁为定标曲线

5.根据权利要求4所述的分布式光纤测温装置标定方法，其特征在于，所述定标曲线为采用光纤衰耗系数校准后的定标曲线，校准公式为：y₁＝k₁*l+V₀(T,L)，其中y₁为定标曲线

k₁为光纤衰耗系数，V₀(T,L)为测温起始位置处定标温度T₀下的斯托克斯和反斯托克斯光信号比值初始值。

6.根据权利要求5所述的分布式光纤测温装置标定方法，其特征在于，所述光纤衰耗系数的获取方式为：

1)将测温光纤的首端和尾端分别放入恒温装置中；

2)采集测温光纤首端a位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号，以及尾端b位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号；

3)计算首端a位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号的比值V_a(T,L)，以及尾端b位置处斯托克斯和反斯托克斯光信号的比值V_b(T,L)，并根据公式

计算出光纤衰耗系数，其中k₁为光纤衰耗系数，L_a为测温光纤首端a位置与测温起始位置的距离，L_b为测温光纤尾端b位置与测温起始位置的距离。

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