CN111006787A - 基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法 - Google Patents

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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，公开了一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法。本发明通过在解调过程中引入光纤温度灵敏因子M（L），重新校准光纤中的拉曼散射信号光强，提高了自发拉曼散射的温度灵敏度，最终可以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的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。

Description

基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法
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，具体涉及一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度检测装置和解调方法。
背景技术
分布式光纤拉曼温度传感系统可以利用传感光纤沿线特定的光学效应来获得空间分布的温度曲线，与传统的离散传感测量方法相比，它具有分布式和高分辨率等优点。在分布式光纤拉曼温度传感系统中，拉曼散射原理是基于传感光纤中的能量交换，当脉冲光子和纤维分子在光纤中引起非弹性碰撞时，将产生中心波长为1450nm的反斯托克斯拉曼散射光和1660nm的斯托克斯拉曼散射光。反斯托克斯光对周围的温度变化较为敏感，可以用于探测周围的环境温度变化。近年来，分布式光纤拉曼传感系统由于具有分布式测量、长距离和高分辨率的优势，已广泛用于各大工业安全监测领域。
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。在工业温度测量系统中，高精度的温度测量可以反映结构的内部信息。例如，通过使用特定温度计算电力电缆中的载流子密度。天然气管道沿线的温度变化信息也可以用来定位管道泄漏的位置。将分布式光纤拉曼传感系统应用于上述监测领域中，需要优于1℃的测温精度来解调光纤沿线的温度分布信息。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问题。
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，而导致应用受限的问题，本发明提出了一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，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：一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量装置：使脉冲激光器发出的激光脉冲经环形器的第一端口、第二端口与光开关的输入端连接，光开关的两个输出端与传感光纤的两端连接，同时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：切换光开关，通过信号采集装置分别采集定标阶段的前向反斯托克斯光和前向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000021
以及和后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000022
式中，
Figure BDA0002285057430000023
分别为定标阶段传感光纤中各处后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强，
Figure BDA0002285057430000024
为定标阶段传感光纤中各处前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强；
S3、标定测量阶段：在传感光纤的多个位置处分别选取长度一段光纤作为校准光纤环，并使这几个位置处校准光纤环的温度保持为T1不变，分别采集位于这几个位置处的校准光纤环中的后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000025
其中，
Figure BDA0002285057430000026
和
Figure BDA0002285057430000027
分别表示标定测量时校准光纤环中的后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的散射光强；然后计算得到各个校准光纤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；
S4、测量阶段：采集在传感光纤各点的在所有位置处的后向反斯托克斯光与后向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000028
以及前向反斯托克斯光与前向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000029
Figure BDA00022850574300000210
分别为测量阶段得到的传感光纤中各个位置的后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强，
Figure BDA00022850574300000211
分别为测量阶段得到的传感光纤中各个位置的前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强；
S5、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 BDA00022850574300000212
式中，
Figure BDA0002285057430000031
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，L为传感光纤中的位置，l为光纤长度。
所述步骤S3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 BDA0002285057430000032
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、计算机和传感光纤；其中，所述滤波器的输入端与所述环形器的第三端口连接，滤波器的输出的反斯托克斯和斯托克斯光信号分别被第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器接收；第一雪崩光电探测器的输出端和第二雪崩光电探测器的电信号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，所述数据采集卡用于对电信号进行数据采集后输出到所述计算机，所述计算机用于根据采集得到的前向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比值及后向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比值，计算得到温度测量值。
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信号分别经所述第一放大器和第二放大器后输入所述数据采集卡。
所述脉冲激光器的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz；所述第一雪崩光电探测器和第二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；所述传感光纤为折射率渐变的多模光纤。
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差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，通过引入光纤温度灵敏因子M(L)，重新校准光纤中的拉曼散射信号光强，提高了自发拉曼散射的温度灵敏度，最终可以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的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示意图。
图中：1-脉冲激光器，2-环形器，3-光开关，4-参考光纤，5-传感光纤(62.5/125多模传感光纤)，6-滤波器(1450nm,1650nm)，7-第一雪崩光电探测器(APD)，8-第二雪崩光电探测器(APD)，9-第一放大器(Amp)，10-第二放大器(Amp)，11-高速数据采集卡，12-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差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，如图1所示，其采用的检测装置包括脉冲激光器1、环形器2、光开关3、滤波器6、第一雪崩光电探测器7，第二雪崩光电探测器8、数据采集卡11、计算机12和传感光纤5；其中，脉冲激光器1的输出端与环形器2的第一端口连接；环形器2的第二端口和第三端口分别与光开关3和滤波器6的输入端连接；第一雪崩光电探测器7的输出端与第一放大器9输入端连接；第二雪崩光电探测器8的输出端与第二放大器10的输入端连接；第一放大器9和第二放大器10的输出端与数据采集卡11的输入端连接；数据采集卡11的输出端与计算机12的输入端连接，传感光纤5的两端分别与光开关3的两个输出端连接。
所述脉冲激光器1发出的激光脉冲经环形器2和光开关3后从传感光纤5的一端入射至传感光纤5中，然后从传感光纤中散射的拉曼散射光分别返回光开关3后返回环形器的第二端口，然后从环形器2的第三端口进入滤波器，所述光开关3用于切换脉冲光进入传感光纤5的端口，使前向拉曼散射光和后向拉曼散射光分别返回环形器2的第三端口，并从环形器2的第三端口输出进入滤波器6。滤波器6用于分离拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光，使其分别入射到第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8进行光电转换得到电信号，所述数据采集卡11用于对电信号进行数据采集后输出到所述计算机12，所述计算机12用于根据采集得到的前向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比值及后向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比值，计算得到温度测量值。
具体地，如图1所示，本实施例提供的基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度检测装置，还包括第一放大器9和第二放大器10，所述第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8的输出信号分别经所述第一放大器9和第二放大器10后输入所述数据采集卡11。
具体地，本年实施例中，所述脉冲激光器1的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz。所述第一雪崩光电探测器7和第二雪崩光电探测器8的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm；所述滤波器6的工作波长为1450nm/1660nm。所述数据采集卡11的通道数为4，采样率为100M/s，带宽为100MHz，所述传感光纤5为折射率渐变的多模光纤。滤波器6分离出反斯托克斯光(anti-Stokes)和斯托克斯光(Stokes)的波长分别为1450nm和1650nm。
搭建好装置后，本发明实施例的测量方法具体包括以下步骤：
S1、定标测量：设定传感光纤(5)的温度为T0，切换光开关(3)，通过数据采集卡分别采集定标阶段传感光纤中各个位置的前向反斯托克斯光和前向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000051
以及和后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000052
式中，
Figure BDA0002285057430000053
分别为定标阶段传感光纤中各个位置后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强，
Figure BDA0002285057430000054
分别为定标阶段传感光纤中各个位置的前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强。
S2、标定测量：在传感光纤(5)的多个位置处分别选取长度为10m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，分别采集位于这几个位置处的校准光纤环中的后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000055
其中，
Figure BDA0002285057430000056
和
Figure BDA0002285057430000057
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。
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。
S3、计算得到标定测量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。
其中，计算得到标定测量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 BDA0002285057430000058
其中，
Figure BDA0002285057430000061
的值可以通过从步骤S1的定标测量中得到的传感光纤中各个位置的前向反斯托克斯光和前向斯托克斯光的光强比值中筛选出来，因此，通过标定和定标测量，可以得到校准光纤环所在位置处的温度敏感因子M的值，又由于温度敏感因子为与距离L线性相关的函数，因此通过多组数据线性拟合可以得到传感光纤温度敏感因子M(L)随距离L的全部函数值。
S4、实际测量时，通过数据采集卡采集在传感光纤(5)各点的在所有位置处的后向反斯托克斯光与后向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000062
以及前向反斯托克斯光与前向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000063
Figure BDA0002285057430000064
分别为测量阶段得到的传感光纤中各个位置的后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强，
Figure BDA0002285057430000065
分别为测量阶段得到的传感光纤中各个位置的前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强。
S5、根据上述测量结果，根据解调公式计算得到光纤沿线的全部温度信息T，所述解调公式为：
Figure BDA0002285057430000066
式中，
Figure BDA0002285057430000067
h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为光纤的拉曼频移量。
下面介绍本发明的测量原理。
脉冲激光器1发出的激光脉冲经环形器2和光开关3入射到传感光纤5，激光脉冲在传感光纤5中传播时发生自发拉曼散射，由此使得传感光纤的各个位置均产生拉曼散射光。其中在光纤中产生的前向及后向拉曼散射光分别经光开关的两个端口进入滤波器，滤波器分离出anti-Stokes光(1450nm)和Stokes光(1650nm)分别到达第一雪崩光电探测器7、第一放大器9和第二雪崩光电探测器8、第二放大器10进行光电转换和放大，最后进入高速采集卡11和计算机进行数据采集，数据采集卡可以根据脉冲到达时间，计算得到光纤沿线的前向及后向Stokes光和anti-Stokes光的位置和光强信息。其中前向Stokes光和anti-Stokes光和后向向Stokes光和anti-Stokes光可以通过光开关3进行切换，分别进行采集。
首先，设定定标阶段传感光纤的温度为T0，位置为L，数据采集卡采集在定标阶段传感光纤中位置L处的anti-Stokes光和Stokes光的后向及前向拉曼散射光，其光强比值分别表示为：
Figure BDA0002285057430000071
Figure BDA0002285057430000072
式中，
Figure BDA0002285057430000073
分别为定标阶段传感光纤后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强，
Figure BDA0002285057430000074
为定标阶段传感光纤的前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强，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为光纤的拉曼频移量为13.2THz，αs、αa分别为Stokes光、anti-Stokes光在光纤单位长度下的衰减系数；T0表示参考光纤环的温度值；l表示传感光纤的总长度，L表示传感光纤的位置，M(L)为传感光纤在L位置处的温度敏感因子，M(l-L)为传感光纤在l-L位置处的温度敏感因子。
将公式(3)和(4)进行运算后，其结果表示为：
Figure BDA0002285057430000075
标定过程中，分别在整条传感光纤中的1km、3km、5km、7km、10km的位置处，选取了长度为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)。然后采集这5个位置处的后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的光强比值
Figure BDA0002285057430000076
则将其带入公式(1)，可以分别得到温度敏感因子M(L)在1km、3km、5km、7km、10km的值，将这5个函数值经过线性拟合后，可以得到温度敏感因子M(L)随距离的全部函数值。
实际测量过程中，数据采集卡可以采集得到在传感光纤中各点anti-Stokes光和Stokes光的前向、后向散射光，其光强比值分别表示为：
Figure BDA0002285057430000077
Figure BDA0002285057430000081
其中，
Figure BDA0002285057430000082
分别为测量阶段得到的传感光纤后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强，
Figure BDA0002285057430000083
分别为测量阶段得到的传感光纤的前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强；L表示散射光强对应的传感光纤中的位置，M(L)为传感光纤在L处的温度敏感因子，M(l-L)为传感光纤在(l-L)位置处的温度敏感因子。公式(6)和(7)进行运算后，其结果表示为：
Figure BDA0002285057430000084
将公式(5)和(8)联立进行计算，可以得到传感光纤沿线的温度解调公式(2)。因此，实际测量过程中，只需要测量得到传感光纤后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强
Figure BDA0002285057430000085
Figure BDA0002285057430000086
的比值，以及传感光纤的前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强
Figure BDA0002285057430000087
的比值，即可以通过公式(2)解调得到传感光纤中各种位置的温度。
本发明提出了一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，通过引入光纤温度灵敏因子M(L)，重新校准光纤中的拉曼散射信号光强，提高了自发拉曼散射的温度灵敏度，最终可以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的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)

1.一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、搭建测量装置：使脉冲激光器(1)发出的激光脉冲经环形器(2)的第一端口、第二端口与光开关(3)的输入端连接，光开关(3)的两个输出端与传感光纤(5)的两端连接，同时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：切换光开关(3)，通过信号采集装置分别采集定标阶段的前向反斯托克斯光和前向斯托克斯光的光强比值
Figure FDA0002285057420000011
以及和后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的光强比值
Figure FDA0002285057420000012
式中，
Figure FDA0002285057420000013
分别为定标阶段传感光纤中各处后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强，
Figure FDA0002285057420000014
为定标阶段传感光纤中各处前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强；
S3、标定测量阶段：在传感光纤(5)的多个位置处分别选取长度一段光纤作为校准光纤环，并使这几个位置处校准光纤环的温度保持为T1不变，分别采集位于这几个位置处的校准光纤环中的后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的光强比值
Figure FDA0002285057420000015
其中，
Figure FDA0002285057420000016
和
Figure FDA0002285057420000017
分别表示标定测量时校准光纤环中的后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的散射光强；然后计算得到各个校准光纤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；
S4、测量阶段：采集在传感光纤(5)各点的在所有位置处的后向反斯托克斯光与后向斯托克斯光的光强比值
Figure FDA0002285057420000018
以及前向反斯托克斯光与前向斯托克斯光的光强比值
Figure FDA0002285057420000019
Figure FDA00022850574200000110
分别为测量阶段得到的传感光纤中各个位置的后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强，
Figure FDA00022850574200000111
分别为测量阶段得到的传感光纤中各个位置的前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强；
S5、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 FDA0002285057420000021
式中，
Figure FDA0002285057420000022
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，L为传感光纤中的位置，l为光纤长度。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，其特征在于，所述步骤S3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。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，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 FDA0002285057420000023
4.根据权利要求1所述的一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，其特征在于，所述信号采集装置包括滤波器(6)、第一雪崩光电探测器(7)，第二雪崩光电探测器(8)、数据采集卡(11)、计算机(12)和传感光纤(5)；其中，所述滤波器(6)的输入端与所述环形器(2)的第三端口连接，滤波器(6)的输出的反斯托克斯和斯托克斯光信号分别被第一雪崩光电探测器(7)和第二雪崩光电探测器(8)接收；第一雪崩光电探测器(7)的输出端和第二雪崩光电探测器(8)的电信号输出端与数据采集卡(11)的输入端连接；数据采集卡(11)的输出端与计算机(12)的输入端连接，所述数据采集卡(11)用于对电信号进行数据采集后输出到所述计算机(12)，所述计算机(12)用于根据采集得到的前向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比值及后向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比值，计算得到温度测量值。
5.根据权利要求4所述的一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，其特征在于，所述信号采集装置还包括第一放大器(9)和第二放大器(10)，所述第一雪崩光电探测器(7)和第二雪崩光电探测器(8)的输出信号分别经所述第一放大器(9)和第二放大器(10)后输入所述数据采集卡(11)。
6.根据权利要求4所述的一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，其特征在于，所述脉冲激光器(1)的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz；所述第一雪崩光电探测器(7)和第二雪崩光电探测器(8)的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm；所述滤波器(6)的工作波长为1450nm/1660nm；所述数据采集卡(11)的通道数为4，采样率为100M/s，带宽为100MHz，所述传感光纤(5)为折射率渐变的多模光纤。
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