CN111307324A - 一种在拉曼分布式光纤测温系统中补偿apd温漂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在拉曼分布式光纤测温系统中补偿APD温漂的方法，所述光纤测温系统包括脉冲激光器、波分复用模块、参考光纤模块、第一APD探测器模块、第二APD探测器模块、模数转换采集模块和控制中心。本发明可以消除APD探测器模块和后续放大电路因工作环境温度变化导致的增益浮动的影响，提高了测量系统的测温精度；同时避免了全局传感光纤的全局定标的温度测量，只需测量局部长度10m～300m的参考光纤的温度，这在工程操作上大大简便了工程量。

Description

一种在拉曼分布式光纤测温系统中补偿APD温漂的方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是涉及一种在拉曼分布式光纤测温系统中补偿APD温漂的方法。

背景技术

拉曼分布式光纤测温系统用光纤作为温度传感元件，光纤上的每个点都是一个测温元件，可实现大范围多个点同时测温，并可根据实际需求将感温光纤按一定的空间位置布设，从而可实现立体温度场的空间测量，这一新兴测温技术是基于光纤的拉曼散射特性，结合光纤激光雷达原理来实现分布式温度探测。

拉曼分布式光纤测温系统(R-OTDR)是一种利用激光在光纤中传输时产生的背向拉曼散射信号的温度效应，再根据光时域反射原理(OTDR)来获取空间温度分布信息和空间定位信息的系统，仅以一条光纤作为传感器，就可实现对光纤沿线各点的分布式温度测量。与一般点式电测温度传感器和点式光纤温度传感器相比，除具有普通光纤传感器抗电磁场干扰、防腐、耐潮湿以及绝缘性好等优点外，还具有测温距离长、等效测温点多和综合成本低等优点。可广泛应用于电力电缆、地铁隧道和渗漏监测等设施的分布式温度测量。

在常规拉曼分布式光纤测温系统的解调中，通常采用将反斯托克斯光与斯托克斯光的比值的解调方案，以消除光源光功率波动的影响。雪崩光电二极管(APD)以其极高的灵敏度增益在光电探测技术领域获得了广泛的应用，在光纤传感系统中APD是常用的应对极弱光信号的首选探测器，但APD的增益受温度影响明显，故在探测强度型信号时APD增益的温漂将引起测量精度的恶化，严重影响光纤传感系统的稳定性。由于反斯托克斯和斯托克斯通的散射光需要由APD探测器和放大电路进行光电转换和电信号放大，当环境温度变化导致APD探测器和放大电路的增益发生变化时，如果不对其造成的偏差进行补偿会导致解调误差增大，降低该系统的测温精度。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种在拉曼分布式光纤测温系统中补偿APD温漂的方法。本发明可以消除APD探测器模块和后续放大电路因工作环境温度变化导致的增益浮动的影响，提高了测量系统的测温精度；同时避免了全局传感光纤的全局定标的温度测量，只需测量局部长度10m～300m的参考光纤的温度，这在工程操作上大大简便的工程量。

本发明的技术方案如下：

一种在拉曼分布式光纤测温系统中补偿APD温漂的方法，所述光纤测温系统包括脉冲激光器、波分复用模块、参考光纤模块、第一APD探测器模块、第二APD探测器模块、模数转换采集模块和控制中心；

所述脉冲激光器发出窄脉冲激光，由波分复用模块的1550端口进入波分复用模块然后通过Com端口耦合进参考光纤模块，然后通过该段参考光纤进入被测光纤中；

所述参考光纤模块包括参考光纤、导热硅胶片、电测温传感器和隔离盒；将参考光纤盘放置在隔离盒中，上下两面用导热硅胶片进行贴合，保证这段光纤内的温度一致性，将电测温传感器测温探头置于其间，测量该段光纤的实时温度值，并将该实时温度值通过模数转换采集模块送入控制中心；

窄脉冲激光在传播过程中产生拉曼反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光和拉曼斯托克斯(Stokes)散射光，其中有一部分通过Com端口返回波分复用模块，经过滤光后，拉曼反斯托克斯散射光由波分复用模块的1450端口送入第一APD探测器模块，经过光电转换和放大电路的放大后，其电平信号由模数转换采集模块送入控制中心，同时拉曼斯托克斯散射光由波分复用模块的1663端口送入第二APD探测器模块，经过光电转换和放大电路的放大后，其电平信号由模数转换采集模块送入控制中心，控制中心经过数据处理形成拉曼反斯托克斯与拉曼斯托克斯的强度比，通过该强度比与参考光纤模块的实时温度值之间的关系，对温度系数自动修正。

所述脉冲激光器为全光纤的脉冲激光器或集成化的半导体脉冲激光器。

所述参考光纤模块与被测光纤之间的距离为10m～300m；所述参考光纤的长度的最小长度为10m。

所述模数转换采集模块为可编程门阵列(FPGA)结合AD转换电路或数据采集卡。

所述控制中心为计算机、FPGA、DSP、ARM、单片机、工控机中的任一种或几种。

所述控制中心的处理方法为：利用拉曼斯托克斯散射和拉曼反斯托克斯散射的强度比值以及前端参考光纤的实时温度来解调，具体算法如下：

首先，针对拉曼散射信号而言，对拉曼测温系统进行温度标定，整条光纤在某一时刻T时的Stokes拉曼散射光功率和Anti-Stokes拉曼散射光功率为：

当利用上式进行温度测量时，参考定标温度为T₀的温度时拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯散射光的功率比为：

式(1)和式(2)相除得：

式(3)化简得：

式中P_a(T)和P_s(T)分别为后向拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道的光功率强度，K_a和K_s分别为与光纤拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯散射截面有关的系数；ν_a和ν_s为拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯散射光子频率；h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量；α_a和α_s分别为拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯后向散射光的光纤传输损耗；L为光纤待测处的长度；

在实际传感器中，拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯光首先经过APD探测器进行光电转换，然后经过多级电放大电路进行放大，由模数转换采集模块进行模数转换、采样和算术平均，最后采用数字信号处理算法完成全部的温度解调，考虑到APD探测器和放大电路的增益，则拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道输出的电信号可分别表示为：

U_a(T)＝K₁·P_a(T) (5)

U_s(T)＝K₂·P_s(T) (6)

式中U_a(T)和U_s(T)分别为拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道经过APD探测器和放大电路后的探测电压值，K₁和K₂分别为拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道的APD探测器和放大电路的总增益；

同样在T₀时有：

U_a(T₀)＝K₃·P_a(T₀) (7)

U_s(T₀)＝K₄·P_s(T₀) (8)

式中U_a(T₀)和U_s(T₀)分别为T₀时拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道经过APD探测器和放大电路后的探测电压值，K₃和K₄分别为T₀时拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道的APD探测器和放大电路的总增益，将(5)-(8)式带入(4)式中为：

由于APD探测器和放大电路增益随着环境温度等因素而上下浮动，K₂/K₁会随着测量环境温度浮动而上下波动，K₃/K₄为参考温度T₀时总增益比值，为固定常数；为了消除K₂/K₁随温度的影响采用在被测光纤前端增加参考光纤，其距离为x₁，将其盘好放置在设备机箱中远离热源的地方，通过高精度电传感器测量所在环境温度T₁，则x₁处的温度计算为：

在同一次测量中，被测各点散射光信号返回到APD探测器时间差极短，所以光纤各处的K₂/K₁是相同的，因此将(9)和(10)相减得：

式(11)中已经消除了K₂/K₁随温度影响的因素，同时消除了T₀，无需测量T₀，增加额外的测量误差，只需测量T₁温度即可。

本发明有益的技术效果在于：

通常针对APD的温度敏感特性采用了智能化恒温技术使主要元器件在恒温条件下工作以解决其工程应用中环境的适应性，但是系统工作温度可能随环境变化很宽，所有主要元器件长期有效地恒温控制将变得很困难。该发明采用一种的补偿方案，具体为在测温光纤上前端增加一段参考光纤，并置于密闭恒温盒中，利用高精度电测温传感器测量该段区间的实际温度，利用该段光纤的拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯的强度比和实际温度之间的关系实现对温度自动补偿，以消除探测器和放大电路增益变化引入的解调误差。

本发明参考光纤的长度与测量系统的最小分辨长度相关，在该测量系统中至少保证10m最小长度，盘的光纤长度多则该参考点可获取数据更多，通过平均运算有利于提升测量的精度。

本发明算法中式(9)中存在随光纤温度温漂的K₂/K₁，如果不消除K₂/K₁在各温度下的偏差，将影响整个系统的偏差，通过测量盘纤位置光纤温度结果式(10)，因为被测光纤中不同位置返回时间差极短(微妙量级)，可以认为在这极短时间内APD所处温度基本上一致(温度是缓变量)，(9)和(10)相减消除了K₂/K₁受温度影响这样参量，所以APD受温度影响导致的增益系数影响就消除了。

附图说明

图1为本发明R-OTDR解调系统结构示意图。

图中：1、脉冲激光器，2、波分复用模块，3、导热硅胶片，4、参考光纤，5、电测温传感器，6、被测光纤，7、第一APD探测器模块，8、第二APD探测器模块，9、模数转换采集模块，10、控制中心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

图1所示为本申请实施例所提供的R-OTDR解调系统结构示意图，光纤测温系统包括脉冲激光器1，波分复用模2，参考光纤模块(导热硅胶片3、参考光纤4、电测温传感器5)，第一APD探测器模块7，第二APD探测器模块8，模数转换采集模块9和控制中心10；

脉冲激光器1发出窄脉冲激光，由波分复用模块2的1550端口进入波分复用模块2然后通过Com端口耦合进参考光纤模块，然后通过该段参考光纤4进入被测光纤6中；

所述参考光纤模块包括参考光纤4、导热硅胶片3和电测温传感器5，将参考光纤4盘放置在隔离盒中，上下两面用导热硅胶片3进行贴合，保证这段光纤内的温度一致性，将电测温传感器5的测温探头置于其间，测量该段光纤的实时温度值，并将该实时温度值通过模数转换采集模块9送入控制中心10；

窄脉冲激光在传播过程中产生拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光，其中有一部分通过Com端口返回波分复用模块2，经过滤光后，拉曼反斯托克斯散射光由波分复用模块2的1450端口送入第一APD探测器模块7，经过光电转换和放大电路的放大后，其电平信号由模数转换采集模块9送入控制中心10，同时拉曼斯托克斯散射光由波分复用模块2的1663端口送入第二APD探测器模块8，经过光电转换和放大电路的放大后，其电平信号由模数转换采集模块9送入控制中心10，控制中心10经过数据处理形成拉曼反斯托克斯与拉曼斯托克斯的强度比，通过该强度比与参考光纤模块的实时温度值之间的关系，对温度系数自动修正。脉冲激光器1和波分复用模块2需配合使用，中心波长可以是1550nm波段，或1310nm波段，或1064nm波段。

可选地，本申请实施例中脉冲激光器1为全光纤的脉冲激光器或集成化的半导体脉冲激光器。

可选地，本申请实施例中参考光纤模块与被测光纤6之间的距离为10m～300m；所述参考光纤的长度的最小长度为10m。

可选地，本申请实施例中模数转换采集模块9为可编程门阵列结合AD转换电路或数据采集卡。

可选地，本申请实施例中控制中心10为计算机、FPGA、DSP、ARM、单片机、工控机中的任一种或几种。

可选地，本申请实施例中控制中心10的处理方法为：利用拉曼斯托克斯散射和拉曼反斯托克斯散射的强度比值以及前端参考光纤的实时温度来解调，具体算法如下：

首先，针对拉曼散射信号而言，对拉曼测温系统进行温度标定，整条光纤在某一时刻T时的Stokes拉曼散射光功率和Anti-Stokes拉曼散射光功率为：

当利用上式进行温度测量时，参考定标温度为T₀的温度时拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯散射光的功率比为：

式(1)和式(2)相除得：

式(3)化简得：

式中P_a(T)和P_s(T)分别为后向拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道的光功率强度，K_a和K_s分别为与光纤拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯散射截面有关的系数；ν_a和ν_s为拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯散射光子频率；h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量；α_a和α_s分别为拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯后向散射光的光纤传输损耗；L为光纤待测处的长度；

在实际传感器中，拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯光首先经过APD探测器进行光电转换，然后经过多级电放大电路进行放大，由模数转换采集模块进行模数转换、采样和算术平均，最后采用数字信号处理算法完成全部的温度解调，考虑到APD探测器和放大电路的增益，则拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道输出的电信号可分别表示为：

U_a(T)＝K₁·P_a(T) (5)

U_s(T)＝K₂·P_s(T) (6)

式中U_a(T)和U_s(T)分别为拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道经过APD探测器和放大电路后的探测电压值，K₁和K₂分别为拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道的APD探测器和放大电路的总增益；

同样在T₀时有：

U_a(T₀)＝K₃·P_a(T₀) (7)

U_s(T₀)＝K₄·P_s(T₀) (8)

式中U_a(T₀)和U_s(T₀)分别为T₀时拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道经过APD探测器和放大电路后的探测电压值，K₃和K₄分别为T₀时拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道的APD探测器和放大电路的总增益，将(5)-(8)式带入(4)式中为：

由于APD探测器和放大电路增益随着环境温度等因素而上下浮动，K₂/K₁会随着测量环境温度浮动而上下波动，K₃/K₄为参考温度T₀时总增益比值，为固定常数；为了消除K₂/K₁随温度的影响采用在被测光纤前端增加参考光纤，其距离为x₁，将其盘好放置在设备机箱中远离热源的地方，通过高精度电传感器测量所在环境温度T₁，则x₁处的温度计算为：

在同一次测量中，被测各点散射光信号返回到APD探测器时间差极短，所以光纤各处的K₂/K₁是相同的，因此将(9)和(10)相减得：

式(11)中已经消除了K₂/K₁随温度影响的因素，同时消除了T₀，无需测量T₀，增加额外的测量误差，只需测量T₁温度即可。

Claims (6)

1.一种在拉曼分布式光纤测温系统中补偿APD温漂的方法，其特征在于，所述光纤测温系统包括脉冲激光器、波分复用模块、参考光纤模块、第一APD探测器模块、第二APD探测器模块、模数转换采集模块和控制中心；

所述脉冲激光器发出窄脉冲激光，由波分复用模块的1550端口进入波分复用模块然后通过Com端口耦合进参考光纤模块，然后通过该段参考光纤进入被测光纤中；

所述参考光纤模块包括参考光纤、导热硅胶片和电测温传感器；将参考光纤盘放置在隔离盒中，上下两面用导热硅胶片进行贴合，保证这段光纤内的温度一致性，将电测温传感器测温探头置于其间，测量该段光纤的实时温度值，并将该实时温度值通过模数转换采集模块送入控制中心；

窄脉冲激光在传播过程中产生拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光，其中有一部分通过Com端口返回波分复用模块，经过滤光后，拉曼反斯托克斯散射光由波分复用模块的1450端口送入第一APD探测器模块，经过光电转换和放大电路的放大后，其电平信号由模数转换采集模块送入控制中心，同时拉曼斯托克斯散射光由波分复用模块的1663端口送入第二APD探测器模块，经过光电转换和放大电路的放大后，其电平信号由模数转换采集模块送入控制中心，控制中心经过数据处理形成拉曼反斯托克斯与拉曼斯托克斯的强度比，通过该强度比与参考光纤模块的实时温度值之间的关系，对温度系数自动修正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光器为全光纤的脉冲激光器或集成化的半导体脉冲激光器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考光纤模块与被测光纤之间的距离为10m～300m；所述参考光纤的长度的最小长度为10m。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模数转换采集模块为可编程门阵列结合AD转换电路或数据采集卡。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制中心为计算机、FPGA、DSP、ARM、单片机、工控机中的任一种或几种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制中心的处理方法为：利用拉曼斯托克斯散射和拉曼反斯托克斯散射的强度比值以及前端参考光纤的实时温度来解调，具体算法如下：

首先，针对拉曼散射信号而言，对拉曼测温系统进行温度标定，整条光纤在某一时刻T时的Stokes拉曼散射光功率和Anti-Stokes拉曼散射光功率为：

当利用上式进行温度测量时，参考定标温度为T₀的温度时拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯散射光的功率比为：

式(1)和式(2)相除得：

式(3)化简得：

式中P_a(T)和P_s(T)分别为后向拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道的光功率强度，K_a和K_s分别为与光纤拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯散射截面有关的系数；ν_a和ν_s为拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯散射光子频率；h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量；α_a和α_s分别为拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯后向散射光的光纤传输损耗；L为光纤待测处的长度；

在实际传感器中，拉曼反斯托克斯和拉曼斯托克斯光首先经过APD探测器进行光电转换，然后经过多级电放大电路进行放大，由模数转换采集模块进行模数转换、采样和算术平均，最后采用数字信号处理算法完成全部的温度解调，考虑到APD探测器和放大电路的增益，则拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道输出的电信号可分别表示为：

U_a(T)＝K₁·P_a(T) (5)

U_s(T)＝K₂·P_s(T) (6)

式中U_a(T)和U_s(T)分别为拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道经过APD探测器和放大电路后的探测电压值，K₁和K₂分别为拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道的APD探测器和放大电路的总增益；

同样在T₀时有：

U_a(T₀)＝K₃·P_a(T₀) (7)

U_s(T₀)＝K₄·P_s(T₀) (8)

式中U_a(T₀)和U_s(T₀)分别为T₀时拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道经过APD探测器和放大电路后的探测电压值，K₃和K₄分别为T₀时拉曼反斯托克斯通道和拉曼斯托克斯通道的APD探测器和放大电路的总增益，将(5)-(8)式带入(4)式中为：

由于APD探测器和放大电路增益随着环境温度等因素而上下浮动，K₂/K₁会随着测量环境温度浮动而上下波动，K₃/K₄为参考温度T₀时总增益比值，为固定常数；为了消除K₂/K₁随温度的影响采用在被测光纤前端增加参考光纤，其距离为x₁，将其盘好放置在设备机箱中远离热源的地方，通过高精度电传感器测量所在环境温度T₁，则x₁处的温度计算为：

在同一次测量中，被测各点散射光信号返回到APD探测器时间差极短，所以光纤各处的K₂/K₁是相同的，因此将(9)和(10)相减得：

式(11)中已经消除了K₂/K₁随温度影响的因素，同时消除了T₀，无需测量T₀，增加额外的测量误差，只需测量T₁温度即可。

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