CN111795759A - 用于分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法，包括：同步采集同一传感光纤的斯托克斯光(Stokes光)和反斯托克斯光(Anti‑Stokes光)的光信号；以Stokes光作为参考光信号，修正Anti‑Stokes光的光信号散射点位置信息。该方法能够完全消除两束信号的错位，提高温度测量精度和升温区域的定位准确度。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，具体涉及一种用于分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法和系统。
背景技术
基于拉曼散射的分布式光纤测温系统(Distributed Temperature Sensor)以光信号为载体，通过探测光纤中散射光参数的变化来计算出相应温度。光纤传感器具有抗电磁干扰、结构紧凑、易于敷设和经济性、易弯曲、易于实现远距离测量等优点，弥补了传统感温探测器的不足，它不仅可以实现对温度的实时监测，而且可以对温度及温升速率异常点进行预警和准确定位。在电力电缆、管廊/电力遂道、电缆沟、开关柜、电抗器的温度监测、变压器局部过热点定位等诸多场合得到广泛应用。
分布式光纤测温系统中由于谐振腔的不稳定性和环境温度变化影响光功率函数变化导致的后散射光强度不确定性。为了消除光功率波动通常将斯托克斯光Stokes光作参考光，利用反斯托克斯光Anti-Stokes光与Stokes光信号的强度比值进行温度解调，但是无法消除色散对解调出温度准确度的影响。
目前消除色散对测温系统影响的方法有加入不同长度的匹配光纤法、插值算法、平移算法或光速修正法，加入匹配光纤法只能对某一具体长度的数据进行补偿，由于色散对光纤中两路信号的影响是处处存在的，此方法有很大的局限性，无法精确补偿长度差别；平移算法是通过对两路信号采样点数之差，添加或剔除相应的采样点，导致温度值的定位出现偏差；光速修正增加了系统的复杂程度，对不同批次的光纤需要进行重新标定计算，无法满足实际工程应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法，对接收的信号通过Linear插值算法解决因色散引起的采集卡同步采集的Stokes光和Anti-Stokes光信号对应光纤上不同散射点位置，能够完全消除两束信号的错位，提高温度测量精度和升温区域的定位准确度。
为解决上述问题，本发明的一方面提供了一种分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法，包括：同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光信号。以Stokes光作为参考光信号，修正Anti-Stokes光的光信号散射点位置信息。
根据本发明的一个实施例，所述同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光信号，包括：
所述同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光信号，包括：获取Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数以及其相应的信号强度，所述Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数分别记为Ns和Nas，所述各采样点Stokes光信号和Anti-Stokes光信号对应的信号强度分别为φs和φas。获取光纤长度L。
将Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点位置分别映射到长度为L的光纤上，Stokes光信号相应的采样点位置信息Xs＝L/Ns,2L/Ns，......，L，Anti-Stokes光信号相应的采样点位置信息Xas＝L/Nas,2L/Nas，......，L；Stokes光信号相应的采样点信号强度φs(n),n＝1,2,3…,Ns，Anti-Stokes光信号相应的采样点信号强度φas(n),n＝1,2,3…,Nas。
根据本发明的一个实施例，所述以Stokes作为光参考光信号，修正Anti-Stokes光的光信号散射点位置信息，包括：对所述Anti-Stokes光信号相应的采样点信号强度采用插值算法获得与Stokes光信号相应的采样点位置相同处的信号强度φas*。
根据所述信号强度φas*修正与所述Stokes光信号相应的采样点位置信息。
根据本发明的第二方面提供了一种分布式拉曼光纤测温系统色散修正的系统，包括：采集单元，用于同步采集同一传感光纤的光Stokes光和Anti-Stokes光的光信号。
修正单元，用于以Stokes光作为参考光信号，修正Anti-Stokes光的光信号散射点位置信息。
所述采集单元包括：第一获取模块，用于获取Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数以及其相应的信号强度，所述Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数分别记为Ns和Nas，所述各采样点Stokes光信号和Anti-Stokes光信号对应的信号强度分别为φs和φas。
第二获取模块，用于获取光纤长度L。
映射模块，用于将Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点位置分别映射到长度为L的光纤上，Stokes光信号相应的采样点位置信息Xs＝L/Ns,2L/Ns，......，L，Anti-Stokes光信号相应的采样点位置信息Xas＝L/Nas,2L/Nas，......，L；Stokes光信号相应的采样点信号强度φs(n),n＝1,2,3…,Ns，Anti-Stokes光信号相应的采样点信号强度φas(n),n＝1,2,3…,Nas。
所述修正单元包括：第一计算单元，用于对所述Anti-Stokes光信号相应的采样点信号强度采用插值算法获得与Stokes光信号相应的采样点位置相同处的信号强度φas*。
第二计算单元，用于根据所述信号强度φas*修正与所述Stokes光信号相应的采样点位置信息。
本发明第三发明公开了一种智能设备，一种智能设备，包括：存储器，处理器；
存储器；用于存储所述处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为：用于处理以上所述分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法。
本发明第四发明公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现以上所述的分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法。
本发明的分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法通过同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光信号，用Stokes光作为参考光，利用Anti-Stokes与Stokes光强度的比值解调出温度信息，利用光时域反射原理获取相应采样点的位置信息，由于该算法是将总采样点数与光纤的总长度进行映射，所以即使改变采样率或者有多个位置的温度发生变化同样能够消除色散引起的信号错位，实现色散修正。能够完全消除两束信号的错位，提高温度测量精度和升温区域的定位准确度。
附图说明
图1是本发明实施例公开的Linear插值算法流程图；
图2是本发明实施例公开的测试系统结构方框图；
图3本发明实施例公开的采集到的Stokes光与Anti-Stokes光的拉曼散射信号示意图；
图4是本发明实施例公开的不同的不同插值算法对色散偏移补偿对比图；
图5是本发明实施例公开的色散补偿前后温度值图；
图6是本发明实施例公开的又一分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示：一种分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法，包括同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光信号，信号包含了Stokes光和Anti-Stokes光的采样点数Ns和Nas以及相应的信号强度值φs(n)和φas(n)。用Stokes光作为参考光，利用Anti-Stokes光与Stokes光强度的比值解调出温度信息，并利用光时域反射原理获取相应采样点的位置信息，就可以获得光纤沿线的温度分布信息，其中，所述的修正方法是。
第一步，确定光纤的长度信息L，Stokes光信号的采样点数Ns和信号强度φs(n),n＝1,2,3…,Ns，Anti-Stokes光信号的采样点数Nas和信号强度φas(n),n＝1,2,3…,Nas。
第二步，将Stokes和Anti-Stokes光信号采样点数与光纤总长度进行映射，及相应的采样点对应的光纤的位置为：L/Ns，2L/Ns，…，L和L/Nas，2L/Nas，…，L。
第三步，将信号位置与光纤长度进行映射后，对Anti-Stokes光信号强度采用插值算法获得与Stokes信号位置相同处的Anti-Stokes信号强度。即用插值算法获取在L/Ns，2L/Ns，…，L处的φas(n),n＝1,2,3…,Nas的值。
为了对所述的实例加深理解和实验验证，作进一步的说明。
如图2所示，分布式光纤测温系统由高速脉冲光源、波分复用器、定标光纤、雪崩光电探测器、高速数据采集卡、工控机、光开关、温度传感器等组成。其中工控机包含元器件的控制、温度解调和定位算法。
系统工作时利用窄脉宽激光器产生一系列特定脉冲宽度和重复频率的脉冲光，将脉冲光入射到光纤中并沿整条光纤传输，光在传输过程中会发生拉曼散射，通过波分复用器滤掉其他杂散射光和干扰光，并将Stokes光和Anti-Stokes光分开分别进入不同的光路。拉曼散射信号中包含整条光纤的损耗和温度信息但信号强度较弱，用雪崩光电探测器对拉曼信号进行光电转换和放大，利用高速数据采集卡对转换后的信号进行采集。温度变化的位置通过测量散射光返回到光源的时间来确定，能够精确定位变化的位置。
实例分布式光纤测温系统，各元器件的性能参数如下表1所示。
表1
拉曼信号采集与温度解调：利用上述的系统对拉曼散射信号进行采集和温度解调。实例中所用的光纤长度为8km,置于室温环境下。将测温光纤尾端约10m长(8014-8024m)的一段光纤盘绕成直径20cm的光纤环，放入在恒温水槽中，为了消除尾端断面的菲涅尔反射对采样值的影响，在尾端预留长为20m的光纤，然后采集拉曼信号。
基于拉曼散射的分布式光纤测温原理。当激光脉冲在光纤中传播时，每个光脉冲产生的Stokes拉曼背向散射光的光通量为：
Anti-Stokes拉曼背向散射光的光通量可以表示为：
式中，Ks、Ka分别为与光纤的Stokes散射截面、Anti-Stokes散射截面有关的系数，νs、νa分别为Stokes散射光和Anti-Stokes散射光的频率，α0、αs、αa为在光纤中入射光、Stokes拉曼光以及Anti-Stokes拉曼光的平均传播损耗，Rs(T)、Ra(T)为与光纤分子低能级和高能级上的分布数系数，是Stokes拉曼背向散射光与Anti-Stokes拉曼背向散射光的温度调制函数：
Rs(T)＝[1-exp(-hΔv/kT)]-1 (3)
Ra(T)＝[exp(hΔv/kT)-1]-1 (4)
激光光子与光纤分子的非线性相互作用，入射光子被分子散射成另一个低频Stokes拉曼散射光子或高频Anti-Stokes拉曼散射光子，相应的分子完成两个能态之间的跃迁，放出一个声子成为Stokes拉曼散射光子，吸收一个声子成为Anti-Stokes拉曼散射光子，光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼(Boltzmann)定律，Anti-Stokes拉曼散射光与Stokes拉曼散射光的强度比I(T)：
根据光纤损耗系数的定义，选取光纤上两个点计算出Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的损耗系数。Anti-Stokes光纤损耗系数计算公式(Stokes损耗系数计算方法类似)：
其中，φa1和φa2为光纤上位置1和2处的光通量。在光纤的前端设置一段定标光纤(200-300m)，根据定标光纤处温度传感器采集到的温度值、Stokes光信号和Anti-Stokes光信号强度φa(T)、φs(T)以及损耗系数，对定标温度下T0的曲线进行拟合得到全段光纤的信号值φa(T0)、φs(T0)。计算出光纤在T0温度下Anti-Stokes拉曼散射光与Stokes拉曼散射光的强度比I(T0)：
由公式(5)和(7)相除获取两者强度比，得到含有光纤各段温度信息的函数：
由上式得：
其中，h是普朗克(Planck)常数，h＝6.626×10-34J.s，Δν是光纤分子的声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，k＝1.380×10-23J/K,T是开尔文温度，φa(T)和φs(T)为光通量经过光电转换后的电压值。在实际测量中，可以得到φa(T)、φs(T)以及定标曲线φa(T0)、φs(T0)经光电转换后的电压值以及定标光纤处的温度T0，就能由(9)式求温度T。
光时域反射原理。当入射激光脉冲在光纤中传输时，沿光纤各点产生散射光，其中部分散射光将向后传输回传到光纤入射端。假定脉冲从发出到返回所用时间为t，则光纤中发生散射的位置与激光入射端的距离为：
Ls＝Vt/2 (10)
其中，Ls为散射点位置，V是脉冲光在光纤中的速度。
温度解调误差分析。从图3拉曼散射信号中可以看出，在光纤的尾端进行恒温加热后拉曼散射信号增强。由于Anti-Stokes光信号对温度更加敏感，所以Anti-Stokes光信号突变量比Stokes光信号突变量大。由于色散效应Stokes光和Anti-Stokes光信号凸起的位置有些偏差，此时对温度信号进行解调后在升温区域的两端会有温度异常点，如图5所示。通过linear插值算法对色散进行修正，修正结果如图4所示，修正后这两个信号的加热区域对应相同的位置，且信号的形状没有发生畸变，且对色散进行补偿后在升温区域两端的异常点消失了，得到了理想的温度解调曲线，满足实际应用。
本发明的分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法通过同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光信号，用Stokes光作为参考光，利用Anti-Stokes光与Stokes光强度的比值解调出温度信息，利用光时域反射原理获取相应采样点的位置信息，由于该算法是将总采样点数与光纤的总长度进行映射，所以即使改变采样率或者有多个位置的温度发生变化同样能够消除色散引起的信号错位，实现色散修正。能够完全消除两束信号的错位，提高温度测量精度和升温区域的定位准确度。
图6是本发明实施例公开的又一分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法流程图。
一种分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法，包括：
S101:同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光信号。
所述同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光信号，包括：
获取Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数以及其相应的电压幅值，所述Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数分别记为Ns和Nas，所述各采样点Stokes光信号和Anti-Stokes光信号对应的电压幅值分别为φs和φas。
获取光纤长度L。
将Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点位置分别映射到长度为L的光纤上，Stokes光信号相应的采样点位置信息Xs＝L/Ns,2L/Ns，......，L，Anti-Stokes光信号相应的采样点位置信息Xas＝L/Nas,2L/Nas，......，L。
S102:以Stokes光作为参考光信号，修正Anti-Stokes光的光信号散射点位置信息。
所述以Stokes光作为参考光信号，修正Anti-Stokes光的光信号散射点位置信息，包括：
根据Anti-Stokes光信号的采样点位置信息Xas和其相应的电压幅值φas获取Stokes光信号采样点位置信息Xs的电压幅值φas*；得到色散补偿后的Anti-Stokes光信号电压幅值。
根据Stokes光信号φs和色散补偿后的Anti-Stokes光信号电压幅值φas*调解出斯托克斯光Stokes与反斯托克斯光Anti-Stoke相应散射点位置信息。
采用插值算法获取Stokes光信号采样点位置信息Xs的电压幅值φas*。
根据本发明的又一方面提供了一种分布式拉曼光纤测温系统色散修正的系统，包括：采集单元，用于同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光信号。
修正单元，用于以Stokes光作为参考光信号，修正Anti-Stokes光的光信号散射点位置信息。
所述采集单元包括：第一获取模块，用于获取Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数以及其相应的电压幅值，所述Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数分别记为Ns和Nas，所述各采样点Stokes光信号和Anti-Stokes光信号对应的电压幅值分别为φs和φas。
第二获取模块，用于获取光纤长度L。
映射模块，用于将Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点位置映射到长度为L的光纤上，Stokes光信号相应的采样点位置信息Xs＝L/Ns,2L/Ns，......，L，Anti-Stokes光信号相应的采样点位置信息Xas＝L/Nas,2L/Nas，......，L。
所述修正单元包括：第一修正模块，用于根据第一获取模块的Anti-Stokes光信号的采样点位置信息Xas和其相应的电压幅值φas获取Stokes光信号采样点位置信息Xs的电压幅值φas*；得到色散补偿后的Anti-Stokes光信号电压幅值。
第二修正模块，用于根据Stokes光信号φs和色散补偿后的Anti-Stokes光信号电压幅值φas*调解出斯托克斯光Stokes与反斯托克斯光Anti-Stoke相应散射点位置信息。
根据本发明的一个实施例，采用插值算法获取Stokes光信号采样点位置信息Xs的电压幅值φas*。
本发明的分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法通过同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光信号，用Stokes光作为参考光，利用Anti-Stokes与Stokes光强度的比值解调出温度信息，利用光时域反射原理获取相应采样点的位置信息，由于该算法是将总采样点数与光纤的总长度进行映射，所以即使改变采样率或者有多个位置的温度发生变化同样能够消除色散引起的信号错位，实现色散修正。能够完全消除两束信号的错位，提高温度测量精度和升温区域的定位准确度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法，其特征在于，所述方法包括：
同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光信号；
以Stokes光作为参考光信号，修正Anti-Stokes光的光信号散射点位置信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述同步采集同一传感光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光信号，包括：
获取Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数以及其相应的信号强度，所述Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数分别记为Ns和Nas，所述各采样点Stokes光信号和Anti-Stokes光信号对应的信号强度分别为φs和φas；
获取光纤长度L；
将Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点位置分别映射到长度为L的光纤上，Stokes光信号相应的采样点位置信息Xs＝L/Ns,2L/Ns，......，L，Anti-Stokes光信号相应的采样点位置信息Xas＝L/Nas,2L/Nas，......，L；Stokes光信号相应的采样点信号强度φs(n),n＝1,2,3…,Ns，Anti-Stokes光信号相应的采样点信号强度φas(n),n＝1,2,3…,Nas。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述以Stokes作为光参考光信号，修正Anti-Stokes光的光信号散射点位置信息，包括：
对所述Anti-Stokes光信号相应的采样点信号强度采用插值算法获得与Stokes光信号相应的采样点位置相同处的信号强度φas*；
根据所述信号强度φas*修正与所述Stokes光信号相应的采样点位置信息。
4.分布式拉曼光纤测温系统色散修正的系统，其特征在于，所述系统包括：
采集单元，用于同步采集同一传感光纤的光Stokes光和Anti-Stokes光的光信号；
修正单元，用于以Stokes光作为参考光信号，修正Anti-Stokes光的光信号散射点位置信息。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述采集单元包括：
第一获取模块，用于获取Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数以及其相应的信号强度，所述Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点个数分别记为Ns和Nas，所述各采样点Stokes光信号和Anti-Stokes光信号对应的信号强度分别为φs和φas；
第二获取模块，用于获取光纤长度L；
映射模块，用于将Stokes光信号和Anti-Stokes光信号的采样点位置分别映射到长度为L的光纤上，Stokes光信号相应的采样点位置信息Xs＝L/Ns,2L/Ns，......，L，Anti-Stokes光信号相应的采样点位置信息Xas＝L/Nas,2L/Nas，......，L；Stokes光信号相应的采样点信号强度φs(n),n＝1,2,3…,Ns，Anti-Stokes光信号相应的采样点信号强度φas(n),n＝1,2,3…,Nas。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述修正单元包括：
第一计算单元，用于对所述Anti-Stokes光信号相应的采样点信号强度采用插值算法获得与Stokes光信号相应的采样点位置相同处的信号强度φas*；
第二计算单元，用于根据所述信号强度φas*修正与所述Stokes光信号相应的采样点位置信息。
7.一种智能设备，包括：存储器，处理器；
存储器；用于存储所述处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为：用于处理所述权利要求1至3的所述分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至3任一项所述的分布式拉曼光纤测温系统色散修正的方法。
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