CN111006786B - 基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法 - Google Patents

基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于分布式光纤传感系统中的温度解调领域，公开了一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，包括以下步骤：S1、连接装置；S2、定标测量阶段：分别采集参考光纤环中各点和传感光纤任意位置L处的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比；S3、标定测量阶段：分别采集校准光纤环位于不同位置时传感光纤的后向反斯托克斯和斯托克斯光的光强比值，进行计算和线性拟合得到传感光纤温度敏感因子随距离的全部函数值；S4、测量阶段：采集参考光纤环中各点和传感光纤中各个位置的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比；S6、计算得到传感光纤沿线的全部温度信息。本发明有效解决了现有技术中测温精度低的问题，可以广泛应用于分布式光纤传感系统中。

Description

基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法
技术领域
本发明属于分布式光纤传感系统中的温度解调领域，具体涉及一种基于斯托克斯光解调反斯托克斯光的高精度拉曼温度解调方法。
背景技术
分布式光纤拉曼测温系统具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、灵敏度高、可靠性好、使用寿命长、低成本以及和普通光纤良好兼容的等优点，其测温原理是基于光纤的自发拉曼散射和光时域反射定位技术。系统将高功率、窄脉宽的脉冲光波注入到多模传感光纤中，同时记录反射回来的自发后向拉曼散射光强，再通过采集卡和计算机来解调实现对光纤沿线各个位置温度的计算。
在分布式光纤拉曼测温系统中，测温精度是系统性能的重要参数之一。目前分布式光纤拉曼传感器的测温精度基本维持在±10℃，但是随着科学技术的发展，一些工业监控领域对光纤传感系统的测温精度提出了更高方面的要求，例如石化反应堆、智能电网、隧道渗水的温度监测领域，要求测温精度需达到±0.1℃。在分布式光纤拉曼测温系统中，温度解调方法是实现光纤沿线温度高精度在线监测的关键技术。目前常用的温度解调方法是利用斯托克斯后向散射光(斯托克斯)作为参考通道，利用反斯托克斯后向散射光(反斯托克斯)作为信号通道，然后利用这两种后向散射光的光强比值来解调光纤沿线的温度信息。但是光纤中的斯托克斯和反斯托克斯散射信号非常微弱，散射信息基本完全淹没在噪声中。当系统的测温精度低于1℃时，在火灾监测领域会造成火灾误报或漏报的事件，降低了分布式光纤火灾预警系统的可靠性。但是，光纤中拉曼散射光的强度相比于瑞利散射光要弱30dB左右。这种现象导致现有分布式光纤拉曼传感系统的测温精度低于1℃。近年来，编码脉冲调制，小波变换模极大值，瑞利噪声抑制和色散补偿法已被证明可以提高拉曼测温仪的测温精度。但是，据我们所知，目前远程分布式光纤拉曼传感系统的温度精度还无法优于1℃。这是因为不同位置处传感光纤的温度敏感性是不同的，而传统的温度解调方法并未考虑到传感光纤温敏性的影响，最终导致其系统测温精度较低。
基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，以解决分布式光纤拉曼传感系统测温精度较低的难题。
发明内容
为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统测温精度较低，其无法突变1℃的技术瓶颈而导致其应用受限的问题，本发明提出了一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，通过引入光纤温度灵敏因子，重新校准传感光纤中的拉曼散射信号光强，以提高其自发拉曼散射的温度灵敏度来优化系统的温度精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，包括以下步骤：
S1、使脉冲激光器的输出光经环形器的第一端口和第二端口输出至传感光纤中，并将信号采集装置与环形器的第三端口连接；
S2、定标测量阶段：在传感器光纤的前端位置为Lc处设置参考光纤环，设置参考光纤环的温度为Tc0，通过信号采集装置采集参考光纤环中各点的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比
Figure BDA0002285052880000021
然后将整条传感光纤的温度设置为T0，通过信号采集装置采集传感光纤任意位置L处的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比
Figure BDA0002285052880000022
S3、标定测量阶段：在传感光纤的多个位置处分别选取长度为l1的光纤环作为校准光纤环，并使这几个位置处校准光纤环的温度保持为T1不变，分别采集校准光纤环位于这几个位置处时的传感光纤的后向反斯托克斯和斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285052880000023
其中，φa1和φs1分别表示标定测量时后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的散射光强；
S4、计算得到标定测量阶段中各个位置处的传感光纤温度敏感因子M的值，并进行线性拟合，得到得到传感光纤温度敏感因子M(L)随距离L的全部函数值；
S5、测量阶段：设定参考光纤环的温度为Tc，通过信号采集装置采集在参考光纤环中各点的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比
Figure BDA0002285052880000024
同时测量传感光纤中各个位置的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比
Figure BDA0002285052880000025
S6、根据上述测量结果，根据解调公式计算得到传感光纤沿线的全部温度信息T，所述解调公式为：
Figure BDA0002285052880000026
式中，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为传感光纤的拉曼频移量。
所述校准光纤环的长度l1为10m，所述参考光纤环的位置为Lc＝50m。
所述步骤S2中，分别在整条传感光纤中的1km、3km、5km、7km、10km的五个位置处，选取长度为10m的光纤环作为校准光纤环进行标定测量。
所述步骤S3中，计算得到标定测量阶段中各个位置处的传感光纤温度敏感因子M的值的公式为：
Figure BDA0002285052880000031
所述信号采集装置包括滤波器、第一雪崩光电探测器，第二雪崩光电探测器、数据采集卡和计算机；其中，环形器的第三端口与滤波器的输入端连接；第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器的输出端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。
所述信号采集装置还包括第一放大器和第二放大器，所述第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器的输出端分别通过第一放大器和第二放大器与所述数据采集卡的输入端连接。
与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述的基于分布式光纤拉曼传感系统的温度解调方法具有如下优点：
本发明提出了一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，在解调公式中引入温度灵敏因子，弥补了自发拉曼散射信号强度随传感距离增加而逐渐降低的问题，以此优化系统的温度精度。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由于自发拉曼散射信号的温度灵敏性导致系统的测温精度低的问题，使其测温精度优于1℃，突破其技术瓶颈，适用于分布式光纤拉曼测温系统。
附图说明
图1为本发明实施例中面向分布式光纤拉曼传感系统的高精度检测装置的结构示意图。
图中：1-脉冲激光器，2-环形器，3-传感光纤(62.5/125多模传感光纤)，4-滤波器(1450nm,1650nm)，5-第一雪崩光电探测器(APD)，6-第二雪崩光电探测器(APD)，7-第一放大器(Amp)，8-第二放大器(Amp)，9-高速数据采集卡，10-计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。
本发明实施例提供了一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量装置，使脉冲激光器1的输出光经环形器2的第一端口和第二端口输出至传感光纤3中，并将信号采集装置与环形器2的第三端口连接；
如图1所示，本发明实施例的测量装置包括脉冲激光器1，环形器2，传感光纤3，滤波器4，第一雪崩光电探测器5，第二雪崩光电探测器6，第一放大器7，第二放大器8，高速数据采集卡9和计算机10，此外，滤波器4，第一雪崩光电探测器5，第二雪崩光电探测器6，第一放大器7，第二放大器8，高速数据采集卡9和计算机10构成信号采集装置。其中，脉冲激光器1发出的发出波长为1550nm的激光脉冲，经环形器2的第一端口和第二端口输出至传感光纤3中，环形器2环形器2的第三端口与滤波器6的输入端连接；第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8的输出端分别经第一放大器7，第二放大器8与数据采集卡9的输入端连接；数据采集卡9的输出端与计算机10的输入端连接。其中，传感光纤3为62.5/125多模传感光纤，滤波器4的滤波波长为1450nm和1650nm，对应于反斯托克斯光和斯托克斯光的波长。斯托克斯光依次经第一雪崩光电探测器5、第一放大器7入射到数据采集卡，数据采集卡对斯托克斯光斯托克斯光进行模数转换，由此得到斯托克斯光的位置和光强信息。反斯托克斯光依次经第二APD、第二Amp入射到数据采集卡，数据采集卡对反斯托克斯光进行模数转换，由此得到反斯托克斯光的位置和光强信息。
具体实施时，所述脉冲激光器的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz。雪崩光电探测器的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm。所述滤波器的工作波长为1450nm/1660nm。所述数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz。所述多模传感光纤为折射率渐变的多模光纤。
S2、定标测量阶段：在传感器光纤3的前端位置为Lc处设置参考光纤环，设置参考光纤环的温度为Tc0，通过信号采集装置采集参考光纤环中各点的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比
Figure BDA0002285052880000041
然后将整条传感光纤的温度设置为T0，通过信号采集装置采集传感光纤任意位置L处的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比
Figure BDA0002285052880000042
具体地，本实施例中，所述参考光纤环的位置为Lc＝50m。具体地，其中，任意位置L处的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比
Figure BDA0002285052880000043
可以通过数据采集卡识别光脉冲的到达时间来判断。
S3、标定测量阶段：在传感光纤的多个位置处分别选取长度为l1的光纤环作为校准光纤环，并使这几个位置处校准光纤环的温度保持为T1不变，分别采集校准光纤环位于这几个位置处时的传感光纤的后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285052880000051
其中，φa1和φs1分别表示标定测量时后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的散射光强。
具体地，本实施例中，标定过程为：分别在整条传感光纤中的1km、3km、5km、7km、10km的位置处，选取长度为10m的光纤环作为校准光纤环，并使这5处参考光纤的温度保持一致(温度为T1)。在采集卡采集这5个位置处的后向拉曼散射光强的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比数据φa1/φs1。
S4、计算得到标定测量阶段中各个位置处的传感光纤温度敏感因子M的值，并进行线性拟合，得到得到传感光纤温度敏感因子ML随距离L的全部函数值；
最后通过公式(1)可以分别得到传感光纤中L位置处的温度灵敏因子M(L)在1km、3km、5km、7km、10km的值；其计算公式为：
Figure BDA0002285052880000052
式中，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为传感光纤的拉曼频移量。将这5个函数值经过线性拟合后，可以得到M(L)随距离的全部函数值。
S5、测量阶段：设定参考光纤环的温度为Tc，通过信号采集装置在参考光纤环中各点的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比
Figure BDA0002285052880000053
同时测量传感光纤中各个位置的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比
Figure BDA0002285052880000054
S6、根据上述测量结果，根据解调公式计算得到传感光纤沿线的全部温度信息T，所述解调公式为：
Figure BDA0002285052880000055
下面介绍本发明的解调原理，即公式(2)的推导过程。
1、定标阶段：
数据采集卡在参考光纤环得到后向拉曼散射光中反斯托克斯光的光强φac0和斯托克斯光的光强φsc0，其光强比值表示为：
Figure BDA0002285052880000061
定标阶段整条传感光纤的环境温度设置为T0，数据采集卡采集传感光纤任意位置(L)得到后向拉曼散射光中反斯托克斯光的光强φa0和斯托克斯光的光强φs0，其光强比值表示为：
Figure BDA0002285052880000062
式(3)和式(4)中，Ks、Ka为与光纤散射端截面有关的系数，Vs、Va为斯托克斯光、反斯托克斯光的频率，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为传感光纤的拉曼频移量，为13.2THz，αs、αa分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在传感光纤单位长度下的衰减系数，T0为定标阶段传感光纤环境温度，L表示传感光纤的位置，M(L)为定标阶段传感光纤在L位置处的温度敏感因子，Tc0为定标阶段参考光纤的温度，Lc为定标阶段参考光纤的位置，M(Lc)为传感光纤在Lc位置处的温度敏感因子。
公式(4)除以公式(3)可以消除光纤固有损耗(Ks、Ka、Vs、Va)，运算可得：
Figure BDA0002285052880000063
2、测量阶段：
设定参考光纤的温度为Tc，参考光纤位置为Lc，数据采集卡在参考光纤环各点采集得到后向拉曼散射光中反斯托克斯光的光强φac和斯托克斯光的光强φsc，其光强比值表示为：
Figure BDA0002285052880000064
待测光纤的温度和位置分别用T和L表示，测量阶段L位置处的温度灵敏因子为M(L)，数据采集卡在待测光纤得到后向拉曼散射光中反斯托克斯光的光强φa和斯托克斯光的光强φs，其光强比值表示为：
Figure BDA0002285052880000065
公式(7)除以公式(6)可以消除光纤固有损耗(Ks、Ka、Vs、Va)，运算可得：
Figure BDA0002285052880000071
将公式(8)和公式(5)联立，即可以得到本发明的解调公式(2)，即公式(2)。通过标定测量，得到了M(L)在传感光纤中5个位置的值，并进行线性拟合，得到了M(L)在传感光纤中所有位置处的值，因此，经过定标，标定和测量阶段，公式(2)中，除去T外，均为已知量，最后可以根据公式(2)解调出光纤沿线的全部位置的温度信息。
与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述的面向光纤拉曼传感系统的温度解调方法具有如下优点：
本发明提出了一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，解调公式中引入温度灵敏因子，弥补了自发拉曼散射信号强度随传感距离增加而逐渐降低的问题，以此优化系统的温度精度。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由于自发拉曼散射信号的温度灵敏性导致系统的测温精度低的问题，使其测温精度优于1℃，突破其技术瓶颈，适用于分布式光纤拉曼测温系统。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使脉冲激光器（1）的输出光经环形器（2）的第一端口和第二端口输出至传感光纤（3）中，并将信号采集装置与环形器（2）的第三端口连接；
S2、定标测量阶段：在传感光纤（3）的前端位置为L c 处设置参考光纤环，设置参考光纤环的温度为T c0 ，通过信号采集装置采集参考光纤环中各点的反斯托克斯光光强
Figure 21681DEST_PATH_IMAGE001
和斯托克斯光的光强
Figure 183672DEST_PATH_IMAGE002
的比
Figure 245169DEST_PATH_IMAGE003
；然后将整条传感光纤的温度设置为T 0，通过信号采集装置采集传感光纤任意位置L处的反斯托克斯光光强
Figure 529520DEST_PATH_IMAGE004
和斯托克斯光的光强
Figure 128997DEST_PATH_IMAGE005
的比
Figure 156996DEST_PATH_IMAGE006
；
S3、标定测量阶段：在传感光纤的多个位置处分别选取长度为l 1的光纤环作为校准光纤环，并使这几个位置处校准光纤环的温度保持为T1不变，分别采集校准光纤环位于这几个位置处时的传感光纤的后向反斯托克斯和斯托克斯光的光强比值
Figure 338579DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 465935DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 365758DEST_PATH_IMAGE009
分别表示标定测量时后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的散射光强；
S4、计算得到标定测量阶段中各个位置处的传感光纤温度敏感因子M的值，并进行线性拟合，得到传感光纤温度敏感因子M（L）随距离L的全部函数值；
S5、测量阶段：设定参考光纤环的温度为T c ，通过信号采集装置采集在参考光纤环中各点的反斯托克斯光光强
Figure 931868DEST_PATH_IMAGE010
和斯托克斯光的光强
Figure 233536DEST_PATH_IMAGE012
的比
Figure 781061DEST_PATH_IMAGE013
；同时测量传感光纤中各个位置的反斯托克斯光光强
Figure 168180DEST_PATH_IMAGE014
和斯托克斯光的光强
Figure 537982DEST_PATH_IMAGE015
的比
Figure 366260DEST_PATH_IMAGE016
；
S6、根据上述步骤S2~S5测量结果，根据解调公式计算得到传感光纤沿线的全部温度信息T，所述解调公式为：
Figure 163315DEST_PATH_IMAGE017
；
式中，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，
Figure 772151DEST_PATH_IMAGE018
为传感光纤的拉曼频移量, M(L c )为传感光纤在L c 位置处的温度敏感因子。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，其特征在于，所述校准光纤环的长度l 1为10m，所述参考光纤环的位置为L c =50m。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，其特征在于，所述步骤S2中，分别在整条传感光纤中的1 km、3 km、5 km、7 km、10 km的五个位置处，选取长度为10m的光纤环作为校准光纤环进行标定测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算得到标定测量阶段中各个位置处的传感光纤温度敏感因子M的值的公式为：
Figure 135524DEST_PATH_IMAGE019
。
5.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，其特征在于，所述信号采集装置包括滤波器（4）、第一雪崩光电探测器（5），第二雪崩光电探测器（6）、数据采集卡（9）和计算机（10）；其中，环形器（2）的第三端口与滤波器（4）的输入端连接；第一雪崩光电探测器（5）和第二雪崩光电探测器（6）的输出端与数据采集卡（9）的输入端连接；数据采集卡（9）的输出端与计算机（10）的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于分布式光纤拉曼传感系统的双路高精度温度解调方法，其特征在于，所述信号采集装置还包括第一放大器（7）和第二放大器（8），所述第一雪崩光电探测器（5）和第二雪崩光电探测器（6）的输出端分别通过第一放大器（7）和第二放大器（8）与所述数据采集卡（9）的输入端连接。
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