CN111896141A - 一种测温系统与提高系统性能的方法和系统应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测温系统与提高系统性能的方法和系统应用方法，涉及光纤传感领域，解决了传统分布式测温系统温度分辨率、系统信噪比和测温距离受限制的问题。本发明包括在分布式测温系统的光源中，增加光源中入纤光频率成分进而提升入纤总功率，增加光源带宽抑制光源过窄引起的相干、偏振效应；所述分布式测温系统的光源经外调制后产生脉冲光，所述脉冲光进入光纤后经散射返回到分布式测温系统中的控制与信号处理单元，探测到的光功率较高且光波动较小，上述返回的脉冲光经过控制与信号处理单元解调后得到测试光缆上的温度信息。本发明提升测温系统的温度分辨率和测温距离，改善了系统测温性能。

Description

一种测温系统与提高系统性能的方法和系统应用方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种测温系统与提高系统性能的方法和系统应用方法。

背景技术

光在光纤中传输时，入射光波与光纤中声学声子的相互作用使得后向散射光中产生与入射光波频率有偏差的散射光，即拉曼散射光。当入射光功率较小时，后向散射光中会同时产生频率下移的斯托克斯拉曼散射光和频率上移的反斯托克斯拉曼散射光。入射光功率逐渐增加至超过某一阈值时，后向散射光中的拉曼斯托克斯散射光分量随入射光功率的增加而急剧增加，而拉曼反斯托克斯散射光和瑞利散射光几乎保持不变，定义此时的入射光功率为光纤的受激拉曼散射阈值。在基于拉曼散射的分布式测温系统中，光源作为系统的信号源，对整个测温系统的性能有着十分重要的影响。

激光光源的选择会影响测温系统的温度分辨率以及系统的测温距离。光源功率越大，信号强度越高，原则上系统的温度分辨率越高且所能测量的距离也越长。但是过高的功率会带来以下问题：

当入纤光功率过高超过受激拉曼散射的阈值功率时，会产生受激拉曼散射，影响测温系统的温度测量和计算。因此，传统的基于拉曼散射的分布式测温系统多因受限于非线性效应而不能使用过高功率的光源，温度分辨率和测温距离都因此受到限制。

此外，光源过窄容易发生相干和偏振，进而引起光功率波动，降低系统信噪比，影响系统测温性能。

进一步讲，是因为光频率比较单一，相位比较稳定因此任意容易产生非线性效应，包括交叉相位调制等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：传统的基于拉曼散射的分布式测温系统不能使用过高功率的光源，温度分辨率、系统信噪比和测温距离都因此受到限制，影响系统测温性能，此外，传统的测温系统所用光源带宽过窄引起相干和偏振效应进而导致光功率波动影响测温系统性能，本发明提供了解决上述问题的一种测温系统与提高系统性能的方法和系统应用方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种提高测温系统性能的方法，包括分布式测温系统，分布式测温系统包括控制与信号处理单元；

在分布式测温系统的光源中，增加光源中入纤光频率成分进而提升入纤总功率，增加光源带宽抑制光源过窄引起的相干、偏振效应；所述分布式测温系统的光源经外调制后产生脉冲光，所述脉冲光进入光纤后经散射返回到分布式测温系统中的控制与信号处理单元，探测到的光功率较高且光波动较小，上述返回的脉冲光经过控制与信号处理单元解调后得到测试光缆上的温度信息。

进一步地，所述增加光源带宽包括通过采用经外调制后的宽带光源的方式，消除由于光源过窄引起的相干和偏振效应等，所述经外调制后的宽带光源产生脉冲光；

宽带光源脉冲光进入光纤后经散射返回到分布式测温系统中的控制与信号处理单元，返回的宽带光源脉冲光经过控制与信号处理单元解调后得到测试光缆上的温度信息。

进一步地，所述经外调制后的宽带光源的带宽包括MHz量级带宽和THz量级带宽。

进一步地，所述增加光源中入纤光频率成分的光功率包括通过采用经外调制后的快速跳频激光光源的方式，提升非线性效应阈值进而抑制注入较大功率时的非线性效应，所述经外调制后的快速跳频激光光源产生脉冲光；

快速跳频激光光源脉冲光进入光纤后经散射返回到分布式测温系统中的控制与信号处理单元，返回的快速跳频激光光源脉冲光经过控制与信号处理单元解调后得到测试光缆上的温度信息。

进一步地，所述快速跳频激光光源光频快速跳变，包括所述快速跳频激光光源光频在一个脉冲时间间隔内在多个频率成分之间变换，频率范围包括数十个皮米。

进一步地，基于上述方法得到光纤温度信息的详细步骤为：

分布式测温系统包括光源、调制器、耦合器、分光器、滤波器、探测器、数据采集卡和计算机；

S1：开启光源，光源经调制器后发出脉冲光，所述脉冲光作为数据采集的触发源，所述触发源用于被双通道采集的数据采集卡进行数据采集；

S2：所述脉冲光经过耦合器后进入待测光缆，并在待测光缆中发生散射，所述脉冲光散射生成包括后向拉曼散射光；

S3：待测光缆中，后向拉曼散射光返回至分光器并分成两路，两路后向拉曼散射光分别进入两个滤波器；

S4：两个滤波器滤除两路后向拉曼散射光中的杂散频率成分后得到斯托克斯光和反斯托克斯光；

S5：斯托克斯光和反斯托克斯光被探测器探测到并转换为电信号，所述探测器为光电探测器，两路电信号分别被采集到数据采集卡的通道1和通道2；

S6：数据采集卡的通道1和通道2利用数据采集卡的AD转换器将两路电信号转为数字信号，两路电信号为两路模拟信号，然后对数字信号进行累加处理用于降低系统噪声；

将累加处理后的数字信号发送至计算机进行解调处理，得到温度信号，并实时显示出传感光纤沿线的温度信息。

进一步地，测温系统通过采用宽带激光光源或快速跳频光源增加入纤光源频率成分，抑制相干效应和偏振效应引起的光功率波动，降低某一频率成分的入纤光功率，提高非线性效应的阈值光功率和入纤总光功率，可提升传感光纤测试距离和温度分辨率，从而提高整个测温系统的性能。

一种测温系统，所述测温系统为分布式测温系统；

分布式测温系统包括光源、光电模块、计算机和数据采集卡；

所述光源连入数据采集卡和光电模块用于数据传输，所述数据采集卡和光电模块连接用于数据传输；

所述光电模块用于采集待测光缆中的光信号，所述光源发出的光路经过所述光电模块进入待测光缆，所述光电模块接收从待测光缆中返回的散射光，所述光电模块输出返回的散射光分光后的电信号；

所述数据采集卡用于接收电信号，所述数据采集卡得电信号转换的数字信号；

所述计算机与数据采集卡连通，所述计算机对应数字信号中的温度信息并显示。

进一步地，所述光电模块包括耦合器、分光器、滤波器和探测器；

所述耦合器位于待测光缆和光源之间，所述耦合器用于隔离光源发出的脉冲光和从待测光缆中返回的散射光；

所述分光器为无源光分路器件，所述分光器接收返回的散射光并向后输出分路后的散射光，所述分光器位于耦合器与滤波器之间；

所述滤波器的个数对应分光器的分路光路数目，所述滤波器用于滤除散射光中的杂散频率成分并输出至探测器；

所述探测器位于滤波器与数据采集卡之间，所述探测器用于采集滤波后的散射光并转换为散射光电信号，所述探测器的数目对应滤波器的数目，且多套滤波器和探测器组合互相隔离，所有探测器的输出端接入数据采集卡，一套滤波器和探测器构成一路数据采集支路；

所述数据采集卡以光源发出的脉冲光作为数据采集的触发源，所述数据采集卡用于转所有换探测器输出的散射光电信号为数字信号，多路数据采集支路输出到数据采集卡，数据采集卡还包括对数字信号进行累加处理后输出到计算机解调得到温度信息。

进一步地，多条所述数据采集支路包括一条传输斯托克斯光信号的支路和一条传输反斯托克斯光信号的支路。

进一步地，所述光源包括宽带光源和调制器或快速跳频激光光源和调制器；

所述调制器用于调制宽带光源的输出光为经外调制后的宽带光源脉冲光进入待测光缆；

所述调制器还用于调制快速跳频激光光源的输出光为经外调制后的快速跳频激光光源脉冲光进入待测光缆；

经外调制后的宽带光源的带宽包括MHz量级带宽和THz量级带宽；

经外调制后的快速跳频激光光源光的光频在一个脉冲时间间隔内在多个频率成分之间变换，频率范围包括数十个皮米。

一种测温系统的应用方法，基于上述测温系统，经外调制后的快速跳频激光光源发出的脉冲光用于数据采集的触发源，经外调制后的快速跳频激光光源发出的脉冲光光频在一个脉冲时间间隔内在多个频率成分之间变换。

因为光频率比较单一，相位比较稳定时容易产生非线性效应，包括交叉相位调制，现在将光平均成多个频率成分，非线性效应需满足相位匹配，因为频率成分的变多而很难满足相位匹配，所以非线性效应的阈值提升，因此照射进去的光功率可以进一步增强；光源带宽比较宽，相干效应和偏振引起的功率波动会得到抑制，噪声变小，提高信噪比，测温系统的细小波动一般是由上述噪音等引起的，而同时这些会干涉测温精度，照射进去的光功率就增强，返回的光功率愈强，即探测到的总功率比较强；

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明通过增加测温系统的入纤光频率成分，提高非线性效应的阈值光功率进而抑制非线性效应；通过增加光源带宽消除光源过窄引起的相干效应、偏振效应所引起的光功率的波动，共计三个提升效果。

本发明通过使用宽带光源脉冲或者快速跳频光源脉冲，增加了入纤光频率成分，分散单一频率成分的光功率，可以注入较大的光功率而不发生非线性效应，从而突破了非线性阈值对于传感光功率的限制；通过宽带宽抑制由于光源过窄引起的相干和偏振引起的光频率波动，抑制系统噪声，提升系统信噪比。以上都有助于提高分布式测温系统的温度分辨率和测温距离，改善了系统测温性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的快速跳频激光光源光频脉冲周期频率成分示意图。

图2为本发明的宽带光源系统示意图。

图3为本发明的快速跳频脉冲光源系统示意图。

图4为本发明的宽带光源系统实施例示意图。

图5为本发明的快速跳频脉冲光源系统实施例示意图。

图6为本发明的窄线宽脉冲光源测试结果图。

图7为本发明的宽带脉冲光源测试结果图。

图8为本发明的使用窄线宽光源斯托克斯与反斯托克斯曲线图。

图9为本发明的使用窄线宽光源反斯托克斯与斯托克斯比值曲线图。

图10为本发明的使用快速跳频光源斯托克斯与反斯托克斯曲线图。

图11为本发明的使用快速跳频光源反斯托克斯与斯托克斯比值曲线。

具体实施方式

在对本发明的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本发明的应用不局限于下面的说明或附图中所示的结构的细节。本发明可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施或被执行。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性改进前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明采用宽带光源脉冲或者超快跳频光源脉冲作为基于拉曼散射的分布式测温系统的光源，抑制相干和偏振引起的光功率波动，抑制非线性效应，提升光功率注入极限；

本发明通过下述技术方案实现：

一种测温系统与提高系统性能的方法和系统应用方法，包括基于拉曼散射的分布式测温系统，基于拉曼散射的分布式测温系统包括控制与信号处理单元；

在基于拉曼散射的分布式测温系统的光源中，增加光源中入纤光频率成分或增加光源带宽；

所述基于拉曼散射的分布式测温系统的光源经外调制后产生脉冲光，所述脉冲光进入光纤后经散射返回到基于拉曼散射的分布式测温系统中的控制与信号处理单元，返回的脉冲光经过控制与信号处理单元解调后得到测试光缆上的温度信息。

优选的，所述增加光源带宽包括通过采用经外调制后的宽带光源的方式，所述经外调制后的宽带光源产生脉冲光；

宽带光源脉冲光进入光纤后经散射返回到基于拉曼散射的分布式测温系统中的控制与信号处理单元，返回的宽带光源脉冲光经过控制与信号处理单元解调后得到测试光缆上的温度信息。

优选的，所述经外调制后的宽带光源的带宽包括MHz量级带宽和THz量级带宽。

优选的，所述增加光源中入纤光频率成分的光功率包括通过采用经外调制后的快速跳频激光光源的方式，所述经外调制后的快速跳频激光光源产生脉冲光；

快速跳频激光光源脉冲光进入光纤后经散射返回到基于拉曼散射的分布式测温系统中的控制与信号处理单元，返回的快速跳频激光光源脉冲光经过控制与信号处理单元解调后得到测试光缆上的温度信息。

优选的，所述快速跳频激光光源光频快速跳变，包括所述快速跳频激光光源光频在一个脉冲时间间隔内在多个频率成分之间变换，频率范围包括数十个皮米。每个脉冲周期内频率成分不必完全相同，具体特征如图1所示。

优选的，基于上述方法得到光纤温度信息的详细步骤为：

基于拉曼散射的分布式测温系统包括光源、调制器、耦合器、分光器、滤波器、探测器、数据采集卡和计算机；

S1：开启光源，光源经调制器后发出脉冲光，所述脉冲光作为数据采集的触发源，所述触发源用于被双通道采集的数据采集卡进行数据采集；

S2：所述脉冲光经过耦合器后进入待测光缆，并在待测光缆中发生散射，所述脉冲光散射生成包括后向拉曼散射光；

S3：待测光缆中，后向拉曼散射光返回至分光器并分成两路，两路后向拉曼散射光分别进入两个滤波器；

S4：两个滤波器滤除两路后向拉曼散射光中的杂散频率成分后得到斯托克斯光和反斯托克斯光；

S5：斯托克斯光和反斯托克斯光被探测器探测到并转换为电信号，所述探测器为光电探测器，两路电信号分别被采集到数据采集卡的通道1和通道2；

S6：数据采集卡的通道1和通道2利用数据采集卡的AD转换器将两路电信号转为数字信号，两路电信号为两路模拟信号，然后对数字信号进行累加处理用于降低系统噪声；

将累加处理后的数字信号发送至计算机进行解调处理，得到温度信号，并实时显示出传感光纤沿线的温度信息。

一种测温系统，所述测温系统为分布式测温系统；

分布式测温系统包括光源、光电模块、计算机和数据采集卡；

所述光源连入数据采集卡和光电模块用于数据传输，所述数据采集卡和光电模块连接用于数据传输；

所述光电模块用于采集待测光缆中的光信号，所述光源发出的光路经过所述光电模块进入待测光缆，所述光电模块接收从待测光缆中返回的散射光，所述光电模块输出返回的散射光分光后的电信号；

所述数据采集卡用于接收电信号，所述数据采集卡得电信号转换的数字信号；

所述计算机与数据采集卡连通，所述计算机对应数字信号中的温度信息并显示。

优选的所述光电模块包括耦合器、分光器、滤波器和探测器；

所述耦合器位于待测光缆和光源之间，所述耦合器用于隔离光源发出的脉冲光和从待测光缆中返回的散射光；

所述分光器为无源光分路器件，所述分光器接收返回的散射光并向后输出分路后的散射光，所述分光器位于耦合器与滤波器之间；

所述滤波器的个数对应分光器的分路光路数目，所述滤波器用于滤除散射光中的杂散频率成分并输出至探测器；

所述探测器位于滤波器与数据采集卡之间，所述探测器用于采集滤波后的散射光并转换为散射光电信号，所述探测器的数目对应滤波器的数目，且多套滤波器和探测器组合互相隔离，所有探测器的输出端接入数据采集卡，一套滤波器和探测器构成一路数据采集支路；

所述数据采集卡以光源发出的脉冲光作为数据采集的触发源，所述数据采集卡用于转所有换探测器输出的散射光电信号为数字信号，多路数据采集支路输出到数据采集卡，数据采集卡还包括对数字信号进行累加处理后输出到计算机解调得到温度信息。

优选的多条所述数据采集支路包括一条传输斯托克斯光信号的支路和一条传输反斯托克斯光信号的支路。

优选的所述光源包括宽带光源和调制器或快速跳频激光光源和调制器；

所述调制器用于调制宽带光源的输出光为经外调制后的宽带光源脉冲光进入待测光缆；

所述调制器还用于调制快速跳频激光光源的输出光为经外调制后的快速跳频激光光源脉冲光进入待测光缆；

经外调制后的宽带光源的带宽包括MHz量级带宽和THz量级带宽；

经外调制后的快速跳频激光光源光的光频在一个脉冲时间间隔内在多个频率成分之间变换，频率范围包括数十个皮米。

一种测温系统的应用方法，基于上述测温系统，经外调制后的快速跳频激光光源发出的脉冲光用于数据采集的触发源，经外调制后的快速跳频激光光源发出的脉冲光光频在一个脉冲时间间隔内在多个频率成分之间变换。

实施例1：

如图2所示，包括宽带光源、脉冲调制单元、耦合器、测试光缆、滤波器、分光器、探测器和控制与信号处理单元。采用宽带激光光源经脉冲调制单元后产生脉冲光,脉冲光带宽可达MHz到THz量级,对于一定的光纤长度而言，在一定范围内，受激拉曼散射的阈值随光源脉冲宽度增大而增大。此实施例中入纤光功率成分以193414.5GHz为中心，且入纤光功率成分可以193414.5GHz为中心在500GHz邻近频域内变化；

总的入纤光功率相比窄线宽脉冲光源的入纤光功率要大，因此整个测温光纤中光信号较之以一般的窄线宽脉冲光源作为系统光源的基于拉曼散射的分布式测温系统的光纤中的光信号要更加强一些，这样对于光信号的检测、解调及提高测温距离和测温精度都有很大改善。此外，相比于光源过窄容易引起相干和偏振，本方法中由于光源带宽较宽，可以抑制相干和偏振引起的光功率波动，提升系统信噪比，改善测温系统性能，提升测温精度和测温距离。

上述较强的脉冲光信号经过耦合器后进入测试光缆，在测试光缆中发生散射。测温光缆中后向拉曼散射光中返回至分光器，分成两路，分别进入滤波器，滤除杂散频率成分后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，进入光电探测器中，两路光信号被光电探测器探测到并转换为电信号。两路电信号通过控制与信号处理单元解调后得到光缆中各个位置的温度信息。

首先，前述脉冲光带宽较宽，相比于光源过窄容易引起相干和偏振，通过增大带宽的方式可以很好的抑制相干和偏振，进而抑制相干和偏振引起的光功率波动，抑制系统噪声，提高系统信噪比，改善系统测温性能。

其次，前述脉冲光总功率较大，但同一时刻入纤光具有较多光频率成分，因此对于某一种光频率成分而言，该频率成分的入纤光功率较低。背向拉曼散射信号的强度与入射光强度有关，入射光强度越大，拉曼散射强度则越大，因此当注入较大脉冲光功率，在测温光纤中返回的背向拉曼散射光功率随之增大，而由于同时存在多种光功率成分，因此对于系统来说，既保持了较大光功率，又不会因为超过阈值光功率从而发生非线性效应导致温敏效应急剧降低，因此此处注入光功率较大；

进一步的，返回的信号光功率增大，提升整个测温系统的信噪比，进而提升测温系统的温度分辨率；

此外，随着传感光纤的增长，会使光信号产生更多的衰减，光纤衰减限制了信号所能传输的最大距离，如果注入系统的光功率本身就比较小，经过衰减，在比较短的光纤长度范围内就无法探测到背向拉曼散射光，即无法探测温度信息。

但是由于本系统注入光功率较高，在较长的光纤距离范围也可以探测到光信号，从而解调得到温度信号，因此这种方式也可以提升拉曼测温系统的测温距离。

实施例2：

如图3所示，包括快速跳频光源、脉冲调制单元、耦合器、测试光缆、滤波器、分光器、探测器和控制与信号处理单元。

快速跳频光源经脉冲调制单元发出如图1所示的脉冲光。整个脉冲光功率较之一般以窄线宽光源作为系统光源的测温系统所注入的光功率要大，脉冲光中包含多种频率成分，在不同时刻注入的脉冲所包含的光频率成分不必一样，因此虽然总的光功率较大，但是对于某一种频率成分而，其分担的光功率较小，也就是说其光功率成分并不会超过受激拉曼散射的阈值，因此不会发生受激拉曼散射从而大大影响温敏效应。

上述脉冲光经过耦合器后进入测试光缆，在测试光缆中发生散射。测温光缆中后向拉曼散射光中返回至分光器，分成两路，分别进入滤波器，滤除杂散频率成分后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，进入光电探测中，两路光信号被光电探测器探测到并转换为电信号。两路电信号通过控制与信号处理单元解调后得到光缆中各个位置的温度信息。

前述脉冲光总功率较大，且其中包含多种光频率成分，因此对于某一种光频率成分而言，该频率成分的入纤光功率较低。

因此对于这个测温系统而言，入纤光功率增大，返回的光功率也较大，即可以探测到的背向拉曼散射强度随之增大，更加利于温度信息解调。由于同时存在多种光功率成分，因此对于系统要探测的光频率成分来说，既保持了较大光功率，又不会因为超过阈值光功率从而发生受激拉曼导致温敏效应急剧降低，信号光功率较大可以提升整个测温系统的信噪比，从而提升测温系统的温度分辨率；

此外，由于随着传感光纤的增长，会使光信号产生更多的衰减，也就是说光纤衰减限制了信号所能传输的最大距离，如果注入系统的光功率本身就比较小，经过衰减，在比较短的光纤长度范围内就无法探测到背向拉曼散射光，即无法探测温度信息。但是由于本系统注入光功率较高，在较长的光纤距离范围里也可以探测到光信号，从而解调得到温度信号，因此这种方式也可以提升拉曼测温系统的测温距离。

实施例3：

如图4所示：基于拉曼散射提高测温系统可以包括宽带光源、调制器、耦合器、分光器、滤波器、探测器、数据采集卡和计算机。该系统工作流程如下：开启高功率宽带光源，光源带宽为0.9nm，经调制器后发出脉冲光，脉冲光宽度为10ns，脉冲重复频率为8kHz。该脉冲光同时作为触发源，触发采集速率为100MHz、支持双通道采集的数据采集卡进行数据采集。经过耦合器后进入待测光缆，在待测光缆中发生散射。测温光缆中后向拉曼散射光中返回至分光器，分成两路，分别进入滤波器，滤除杂散频率成分后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，进入光电探测中，两路光信号被光电探测器探测到并转换为电信号，两路电信号分别被采集到数据采集卡的通道1和通道2，数据采集卡中的AD转换器将两路模拟信号转为数字信号，然后进行100次累加处理以降低系统噪声。将累加后的数字信号发送至上位机进行解调处理，得到温度信号，并实时显示出传感光纤沿线的温度信息。

实施例4：

如图5所示：基于拉曼散射提高测温系统还可以包括快速跳频光源、调制器、耦合器、分光器、滤波器、探测器、数据采集卡和计算机。系统工作流程如下：开启高功率快速跳频光源，经调制器后发出脉冲光，脉冲宽度为10ns，脉冲重复频率为8kHz。该跳频光源光频可快速跳变，在一个脉冲时间间隔内光频率在包含1550nm在内的多个频率成分之间快速变换。同时，前述脉冲光作为触发源触发采集速率为100MHz、支持双通道采集的数据采集卡进行数据采集。脉冲光经过耦合器后进入待测光缆，在待测光缆中发生散射。测温光缆中的后向拉曼散射光中返回至分光器，分成两路，分别进入滤波器，滤除杂散频率成分后得到斯托克斯光和反斯托克斯光，进入光电探测器中，两路光信号被光电探测器探测到并转换为电信号，两路电信号分别被采集到数据采集卡的通道1和通道2，数据采集卡中的AD转换器将两路模拟信号转为数字信号，然后进行100次累加处理以降低系统噪声，将累加后的数字信号发送至上位机进行解调处理，通过双路解调得到温度信号，并实时显示出传感光纤沿线的温度信息。上述系统可满足12Km左右的测温距离，而且保证返回的信号光信噪比较高。

如图6、7所示，所示为分别使用窄线宽脉冲光源和宽带脉冲光源在23.8度温度环境下测试所得结果，图中最上方曲线即为温度显示，其中温度使用双路解调算法通过两路光的比值运算得出。明显观察到，使用窄线宽脉冲光源计算所得温度波动也较大，温度分辨率>1℃，这是因为光源过窄容易引发相干或者偏振效应进而导致光功率波动，因此解调所得温度波动也较大，而使用宽带脉冲光源两路光较为平坦，比值运算结果波动微小，因此在图7中最上方的温度曲线可以看到解调所得温度波动非常小，非常接近真值，在真值附近有微小的波动，温度分辨率<0.5℃，大大提高了温度分辨率和测温精度。

如图8-11所示，所示为分别使用窄线宽脉冲光源和快速跳频光源在室温环境下测试所得结果，均使用10公里多模光纤，如图8所示为使用普通窄线宽光源，调节光源功率，发现当光源功率为1.89mW，两路背向拉曼散射光测试曲线以已经畸变，已经发生受激拉曼散射效应，这是因为入纤总功率较高，达到非线性效应阈值导致发生受激拉曼散射等非线性效应，如图9所示，最上方曲线即为测试所得比值曲线，发现反斯托克斯光与斯托克斯光的比值严重畸变，此时温度测量精度将严重劣化，可以认为已经无法正常测量温度。如图10和11所示，为使用快速跳频光源测试，同样的，调节光源功率为1.89mW，如图10所示，此时两路背向拉曼散射光测试曲线并未畸变，系统中没有发生非线性效应，这是因为尽管脉冲光总功率较大，但其中包含多种光频率成分，因此对于某一种光频率成分而言，该频率成分的入纤光功率较低，降低了非线性效应阈值，并不会发生非线性效应，如图11所示最上方曲线即为测试所得比值曲线，发现曲线略有波动，但是并未发生严重畸变，可以实现长距离下的温度测量。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (9)

1.一种提高测温系统性能的方法，其特征在于：

包括分布式测温系统，分布式测温系统包括控制与信号处理单元；

在分布式测温系统的光源中，增加光源中入纤光频率成分或增加光源带宽；

所述分布式测温系统的光源经外调制后产生脉冲光，所述脉冲光进入光纤后经散射返回到分布式测温系统中的控制与信号处理单元，返回的脉冲光经过控制与信号处理单元解调后得到测试光缆上的温度信息。

2.根据权利要求1所述的一种提高测温系统性能的方法，其特征在于：

所述增加光源中入纤光频率成分包括通过采用经外调制后的快速跳频激光光源的方式，所述经外调制后的快速跳频激光光源产生脉冲光；

快速跳频激光光源脉冲光进入光纤后经散射返回到分布式测温系统中的控制与信号处理单元，返回的快速跳频激光光源脉冲光经过控制与信号处理单元解调后得到测试光缆上的温度信息。

3.根据权利要求2所述的一种提高测温系统性能的方法，其特征在于：

所述快速跳频激光光源光频快速跳变，包括所述快速跳频激光光源光频在一个脉冲时间间隔内在多个频率成分之间变换，频率范围包括数十个皮米。

4.根据权利要求1-3任意一条所述的一种提高测温系统性能的方法，其特征在于，基于上述方法得到光纤温度信息的详细步骤为：

分布式测温系统包括光源、调制器、耦合器、分光器、滤波器、探测器、数据采集卡和计算机；

S1：开启光源，光源经调制器后发出脉冲光，所述脉冲光作为数据采集的触发源，所述触发源用于被双通道采集的数据采集卡进行数据采集；

S2：所述脉冲光经过耦合器后进入待测光缆，并在待测光缆中发生散射，所述脉冲光散射生成包括后向拉曼散射光；

S3：待测光缆中，后向拉曼散射光返回至分光器并分成两路，两路后向拉曼散射光分别进入两个滤波器；

S4：两个滤波器滤除两路后向拉曼散射光中的杂散频率成分后得到斯托克斯光和反斯托克斯光；

S5：斯托克斯光和反斯托克斯光被探测器探测到并转换为电信号，所述探测器为光电探测器，两路电信号分别被采集到数据采集卡的通道1和通道2；

S6：数据采集卡的通道1和通道2利用数据采集卡的AD转换器将两路电信号转为数字信号，两路电信号为两路模拟信号，然后对数字信号进行累加处理用于降低系统噪声；

将累加处理后的数字信号发送至计算机进行解调处理，得到温度信号，并实时显示出传感光纤沿线的温度信息。

5.一种测温系统，其特征在于，所述测温系统为分布式测温系统；

分布式测温系统包括光源、光电模块、计算机和数据采集卡；

所述光源连入数据采集卡和光电模块用于数据传输，所述数据采集卡和光电模块连接用于数据传输；

所述光电模块用于采集待测光缆中的光信号，所述光源发出的光路经过所述光电模块进入待测光缆，所述光电模块接收从待测光缆中返回的散射光，所述光电模块输出返回的散射光分光后的电信号；

所述数据采集卡用于接收电信号，所述数据采集卡得电信号转换的数字信号；

所述计算机与数据采集卡连通，所述计算机对应数字信号中的温度信息并显示。

6.根据权利要求5所述的一种测温系统，其特征在于，所述光电模块包括耦合器、分光器、滤波器和探测器；

所述耦合器位于待测光缆和光源之间，所述耦合器用于隔离光源发出的脉冲光和从待测光缆中返回的散射光；

所述分光器为无源光分路器件，所述分光器接收返回的散射光并向后输出分路后的散射光，所述分光器位于耦合器与滤波器之间；

所述滤波器的个数对应分光器的分路光路数目，所述滤波器用于滤除散射光中的杂散频率成分并输出至探测器；

所述探测器位于滤波器与数据采集卡之间，所述探测器用于采集滤波后的散射光并转换为散射光电信号，所述探测器的数目对应滤波器的数目，且多套滤波器和探测器组合互相隔离，所有探测器的输出端接入数据采集卡，一套滤波器和探测器构成一路数据采集支路；

所述数据采集卡以光源发出的脉冲光作为数据采集的触发源，所述数据采集卡用于转所有换探测器输出的散射光电信号为数字信号，多路数据采集支路输出到数据采集卡，数据采集卡还包括对数字信号进行累加处理后输出到计算机解调得到温度信息。

7.根据权利要求6所述的一种测温系统，其特征在于，多条所述数据采集支路包括一条传输斯托克斯光信号的支路和一条传输反斯托克斯光信号的支路。

8.根据权利要求6所述的一种测温系统，其特征在于，所述光源包括宽带光源和调制器或快速跳频激光光源和调制器；

所述调制器用于调制宽带光源的输出光为经外调制后的宽带光源脉冲光进入待测光缆；

所述调制器还用于调制快速跳频激光光源的输出光为经外调制后的快速跳频激光光源脉冲光进入待测光缆；

经外调制后的宽带光源的带宽包括MHz量级带宽和THz量级带宽；

经外调制后的快速跳频激光光源光的光频在一个脉冲时间间隔内在多个频率成分之间变换，频率范围包括数十个皮米。

9.一种测温系统的应用方法，其特征在于，将快速跳频激光光源应用于基于权利要求5-8任意一条所述的一种测温系统中，经外调制后的快速跳频激光光源发出的脉冲光用于数据采集的触发源，经外调制后的快速跳频激光光源发出的脉冲光光频在一个脉冲时间间隔内在多个频率成分之间变换。

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