CN111238680A - 双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法 - Google Patents

双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，包括以下步骤：S1、分别将两个脉冲宽度为W和W+ΔW的激光射入光纤中，分别获得两组脉冲激光光纤背向散射的stokes光信号和反stokes光信号；S2、根据探测到的stokes信号和反stokes信号计算获得对应脉冲宽度空间分辨率下的分布式温度Tw和Tw+△w；S3、通过S2步骤所获得的对应空间分辨率下的分布式温度Tw和Tw+△w，可计算获得以ΔW脉冲宽度下空间分辨率的分布式温度T△w：
Figure DDA0002374898830000011
通过本发明的方法，可以在不减少脉冲宽度和模拟响应时间的情况下，既保证了检测端的信号大小，同时又保证了空间分辨率得以提升。

Description

双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法。
背景技术
空间分辨率是分布式光纤温度测量系统的一个非常重要的指标，在许多应用场合下都对该指标有比较高的要求。对于火灾探测，如果火源比较小，就势必要求检测系统的空间分辨率足够高，对于空间分辨率比较低的系统，小火源引起的信号只有很小的一点，容易造成漏判；对于水坝的渗漏监测，微小的裂缝只能引起很小一段光纤的局部温度异常，只有提升空间分辨率才能及时发现这些隐患。
对于分布式光纤温度测量系统，决定其空间分辨率的有三个因素：光脉冲宽度、模拟放大带宽、AD数据采集时间间隔，其中光脉冲宽度起决定性作用，检测端的信号大小与光脉冲宽度成正比。
如果要提高空间分辨率，光脉冲宽度就必然要变小，同时模拟放大带宽要变大，AD数据采集时间间隔变小，如果光脉冲宽度不变，只改变模拟放大带宽和AD数据采集时间间隔是无法提升空间分辨率的。
发明内容
为了不减少光脉冲宽度而实现空间分辨率的提升，本发明提供了一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，包括以下步骤：
S1、分别将两个脉冲宽度分别为W和W+ΔW的激光射入光纤中，分别获得两组激光脉冲的光纤背向散射的stokes信号和反stokes信号；
S2、根据探测到的stokes信号和反stokes信号计算获得对应脉冲宽度空间分辨率下的分布式温度Tw和Tw+Δw；
S3、通过S2步骤所获得的对应空间分辨率下的分布式温度Tw和Tw+Δw，可计算获得以ΔW脉冲宽度空间分辨率下的分布式温度TΔw：
Figure BDA0002374898810000021
进一步地，S1中，两个脉冲宽度分别为W和W+ΔW的激光射入光纤的重复频率相同，获取背向散射stokes信号和反stokes信号曲线的测量平均降噪时间相同以及数据采样时间间隔相同，数据采样时间间隔≤ΔW，ΔW/W≤0.5。
进一步地，S3中，L＝cW/(2n)，ΔL＝cΔW/(2n)，c为光在真空中的传播速度，n为光纤折射率。
进一步地，计算TΔw时包括以下步骤：
S4、根据热量变化计算公式ΔQ＝CmΔT计算出某一长度光纤处的温度变化，其中C为光纤的比热容，m为该段光纤的质量，ΔT为温度变化；
S5、ΔL长度下的热量变化ΔQΔL＝ΔQL+ΔL-ΔQL，得到TΔw。
进一步地，S4中，测得光纤初始温度为T0，L长度光纤的质量为mL，W脉冲宽度下的温度变化ΔTL＝Tw-T0，W+ΔW脉冲宽度下的温度变化ΔTL+ΔL＝Tw+Δw-T0，ΔW脉冲宽度下的温度变化ΔTΔL＝TΔw-T0。
进一步地，S4中，长度L段的ΔQL＝CmL(Tw-T0)，长度L+ΔL段的ΔQL+ΔL＝CmL+ΔL(Tw+Δw-T0)，长度ΔL段的ΔQΔL＝CmΔL(TΔw-T0)。
进一步地，S5中，CmΔL(TΔw-T0)＝CmL+ΔL(Tw+Δw-T0)-CmL(Tw-T0)，得到TΔw计算公式。
进一步地，mL+ΔL＝(L+ΔL)mL/L，mΔL＝ΔLmL/L。
本发明的有益效果在于，通过本发明的方法，可以在不减少脉冲宽度和模拟响应时间的情况下，既保证了检测端的信号大小，同时又保证了空间分辨率得以提升。
附图说明
图1是W脉冲宽度下Tw温度值对应的空间长度。
图2是W+ΔW脉冲宽度下Tw+Δw温度值对应的空间长度。
图3是图1和图2叠加比对示意图。
图4是本发明的提升方法步骤图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步描述：
一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，传统的方法利用激光射入光纤产生拉曼散射，DTS通过stokes值和反stokes值强度比值计算获得分布式光纤的温度，通过OTDR技术对光纤进行定位。当W脉冲宽度的激光射入光纤后的温度值Tw发生位置如图1所示，W+ΔW脉冲宽度下的激光射入光纤后的温度值Tw+Δw发生位置如图2所示，当图1和图2叠加后可以发现，ΔW脉冲宽度下温度值Δw是无法获得真实值，如图3阴影部分所示，即当上述任一光脉冲射入光纤是无法获得真实的TΔw的，从而无法监控到该段位置区域的真正温度变化，要想监控到该段位置区域的温度变化，就要提升空间分辨率，提升空间分辨率就要减小脉冲宽度，减小脉冲宽度就会使得检测端的信号减小，基于此本发明提供了一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率的提升方法。
本发明的一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，如图4所示，先将两组脉冲宽度不同的激光分别射入同一光纤中，两组激光的脉冲宽度分别为W和W+ΔW，分别获得W脉冲宽度激光时的光纤背向散射stokes信号和反stokes信号和W+ΔW脉冲宽度激光时的光纤背向散射stokes信号和反stokes信号，两个脉冲宽度分别为W和W+ΔW的激光射入光纤的重复频率相同，获取stokes值和反stokes值曲线的测量平均降噪时间相同以及数据采样时间间隔相同，数据采样时间间隔均≤ΔW，ΔW/W≤0.5；
再根据W脉冲宽度激光时光纤背向散射的stokes信号和反stokes信号和W+ΔW脉冲宽度激光时光纤背向散射的stokes信号和反stokes信号求得对应脉冲宽度空间分辨率下的分布式温度Tw和Tw+Δw，W脉冲宽度下的空间分辨率为cW/(2n)，W+ΔW脉冲宽度下的空间分辨率为c(W+ΔW)/2n,其中c为光在真空中的传播速度，约等于3×108m/s，本实施例中取c＝3×108m/s，n为光纤的折射率，范围在1.46-1.5，本实施例中选取1.5；
利用光纤背向散射的stokes信号和反stokes信号计算分布式温度属于现有技术，可以参考宋文生.《分布式光纤测温系统的设计与实现》.大连理工大学.2007年12月1日：9-10。
最后通过计算得到ΔW脉冲宽度空间分辨率下的分布式温度TΔw，其中先通过计算得到对应光脉冲宽度下的长度，再得到该长度位置对应的
Figure BDA0002374898810000041
基于OTDR技术的光脉冲宽度与空间对应的长度关系，W宽度脉冲空间分辨率下空间上对应的长度为L，L＝cW/(2n)，因此ΔW脉冲宽度空间分辨率下空间上对应的长度ΔL＝cΔW/(2n)，c为光在真空中的传播速度，取c＝3×108m/s，n为光纤的折射率，取1.5。
光纤质量沿长度方向一致，由于光脉冲宽度W测量得到的温度为对应长度L下的平均温度Tw，L+ΔL这一段长度上的初始温度为T0，受环境热不均匀传递的影响，在长度L和ΔL上表现出不同的温度，根据两次不同脉冲宽度的光脉冲测得L处的分布式温度Tw以及L+ΔL处的分布式温度Tw+Δw。
由ΔQ＝CmΔT，其中ΔQ热量的变化，C比热容，m为该段光纤的质量，ΔT为温度的变化，因此W脉冲宽度下对应光纤长度的温度变化ΔTL＝Tw-T0，ΔQL＝CmL(Tw-T0)，W+ΔW脉冲宽度下对应光纤长度的温度变化ΔTL+ΔL＝Tw+Δw-T0，ΔQL+ΔL＝CmL+ΔL(Tw+Δw-T0)，ΔW脉冲宽度下对应光纤长度的温度变化ΔTΔL＝TΔw-T0，ΔQΔL＝CmΔL(TΔw-T0)。又ΔQΔL＝ΔQL+ΔL-ΔQL，带入计算即可得到CmΔL(TΔw-T0)＝CmL+ΔL(Tw+Δw-T0)-CmL(Tw-T0)。
L长度的光纤质量为mL，则mL+ΔL＝(L+ΔL)mL/L，mΔL＝ΔLmL/L，将mL+ΔL和mΔL代入CmΔL(TΔw-T0)＝CmL+ΔL(Tw+Δw-T0)-CmL(Tw-T0)中，由mL+ΔL＝(L+ΔL)mL/L和mΔL＝ΔLmL/L可以得到mL+ΔL＝mL+mΔL，进一步得到(mL+ΔL-mL)(TΔw-T0)＝mL+ΔL(Tw+Δw-T0)-mL(Tw-T0)，化简之后得到
Figure BDA0002374898810000051
又有
Figure BDA0002374898810000052
将
Figure BDA0002374898810000053
代入
Figure BDA0002374898810000054
中，可以得到
Figure BDA0002374898810000055
即可得到TΔw，也即通过脉冲宽度为W的脉冲激光和脉冲宽度为W+ΔW的脉冲激光，通过计算可以得到脉冲宽度为ΔW脉冲宽度空间分辨率下的分布式温度以及该脉冲宽度下空间上对应的长度，进而提升了空间分辨率。
本实施例只是对本发明的进一步解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别将两个脉冲宽度分别为W和W+ΔW的激光射入光纤中，分别获得两组激光脉冲的光纤背向散射的stokes信号和反stokes信号；
S2、根据探测到的stokes信号和反stokes信号计算获得对应脉冲宽度空间分辨率下的分布式温度Tw和Tw+△w；
S3、通过S2步骤所获得的对应空间分辨率下的分布式温度Tw和Tw+△w，可计算获得以ΔW脉冲宽度空间分辨率下的分布式温度T△w：
Figure FDA0002374898800000011
2.根据权利要求1所述的一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，其特征在于，所述S1中，两个脉冲宽度分别为W和W+ΔW的激光射入光纤的重复频率相同，获取背向散射stokes信号和反stokes信号曲线的测量平均降噪时间相同以及数据采样时间间隔相同，数据采样时间间隔≤ΔW，ΔW/W≤0.5。
3.根据权利要求1所述的一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，其特征在于，所述S3中，L＝cW/(2n)，ΔL＝cΔW/(2n)，c为光在真空中的传播速度，n为光纤折射率。
4.根据权利要求1所述的一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，其特征在于，计算T△w时包括以下步骤：
S4、根据热量变化计算公式ΔQ＝CmΔT计算出某一长度光纤处的温度变化，其中C为光纤的比热容，m为该段光纤的质量，ΔT为温度变化；
S5、ΔL长度下的热量变化ΔQΔL＝ΔQL+ΔL-ΔQL，得到T△w。
5.根据权利要求4所述的一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，其特征在于，S4中，测得光纤初始温度为T0，L长度光纤的质量为mL，W脉冲宽度下的温度变化ΔTL＝Tw-T0，W+ΔW脉冲宽度下的温度变化ΔTL+ΔL＝Tw+△w-T0，ΔW脉冲宽度下的温度变化ΔTΔL＝T△w-T0。
6.根据权利要求4所述的一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，其特征在于，S4中，长度L段的ΔQL＝CmL(Tw-T0)，长度L+ΔL段的ΔQL+ΔL＝CmL+ΔL(Tw+△w-T0)，长度ΔL段的ΔQΔL＝CmΔL(T△w-T0)。
7.根据权利要求4所述的一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，其特征在于，S5中，CmΔL(T△w-T0)＝CmL+ΔL(Tw+△w-T0)-CmL(Tw-T0)，得到T△w计算公式。
8.根据权利要求6所述的一种双宽度脉冲光纤分布式拉曼测温空间分辨率提升方法，其特征在于，所述mL+ΔL＝(L+ΔL)mL/L，所述mΔL＝ΔLmL/L。
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