CN112033572A - 一种光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法 - Google Patents
一种光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112033572A CN112033572A CN202010910637.XA CN202010910637A CN112033572A CN 112033572 A CN112033572 A CN 112033572A CN 202010910637 A CN202010910637 A CN 202010910637A CN 112033572 A CN112033572 A CN 112033572A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stokes light
- light
- distance
- attenuation
- light intensity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000005452 bending Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 38
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- 230000035772 mutation Effects 0.000 claims description 4
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 abstract description 10
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
本发明为一种光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法。本方法提供了一种在拉曼光时域反射计中，补偿因为弯折扭曲造成的光信号损耗，以及因斯托克斯光与反斯托克斯光波长不同而衰减系数不同的随距离变化的衰减，解决了随着距离增长，温度测量结果逐渐变大的问题，提高测量结果的准确性与稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别是光频域反射计中因光纤弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光在光纤中衰减系数不同造成测温结果不准确的补偿办法。
背景技术
光纤传感技术是伴随着光导纤维与光纤通信技术的发展而出现的一种新的传感技术，而ROTDR(拉曼光时域反射计)是拉曼(Raman)散射效应和光时域反射计(OTDR)相结合进行温度测量的新技术。
拉曼散射也称拉曼效应，是指入射光与介质发生相互作用而引起光频率变化的现象。拉曼散射应用于光纤传感的原理为激光入射到光纤后，激光将与光纤介质的分子或原子发生非弹性散射，入射光子可以放出或吸收与介质分子或原子振动相关的高频声子，前者称为斯托克斯(Stokes)光子，后者称为反斯托克斯(Anti.Stokes)光子。在ROTDR中，反斯托克斯光对温度变化更敏感，可利用反斯托克斯光与斯托克斯光的比值进行温度解调，由于反斯托克斯光与斯托克斯光的比值是与温度相关的，而双通道的方式可以很大程度上消除光源和光纤变动而产生的影响，提高系统的准确性和稳定性。
光纤的弯曲损耗指光纤发生弯曲后，光束射到光纤弯曲部分的边界处所形成的传播角大于临界值，造成在弯曲的光纤中不能满足全内反射条件，部分光从涂层溢出，即光纤弯曲后会产生的光功率的损耗。在解调温度时，弯曲损耗会影响结果的准确性，因此需要对该损耗进行补偿。
另外斯托克斯光与反斯托克斯光的波长不同，造成这两路光在光纤中传播时衰减的系数不同，因此传统的ROTDR技术直接对这两路光求比值会产生误差，随着距离的增加，测量温度较真实情况逐渐变大。为了补偿两路光衰减不同造成测温误差的问题，需要在对斯托克斯光与反斯托克斯光求比值进行温度解调前对两路光进行补偿。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种在拉曼光时域反射计中，补偿因为弯折扭曲造成的光信号损耗及因斯托克斯光与反斯托克斯光的波长不同造成的衰减差，解决随着距离增长，温度测量结果逐渐变大的情况，提高测量结果的准确性与稳定性。
技术方案：本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法，所述光时域反射计包括脉冲激光器、波分复用器、光电探测器及采集卡，激光器发出脉冲激光通过波分复用器进入光纤产生后向散射，后向散射光再进入波分复用器被分离为斯托克斯光与反斯托克斯光并分别传递给光电探测器，最终被采集卡采集。所述的补偿办法包括以下步骤：
步骤一：同步采集斯托克斯光与反斯托克斯光的距离-光强度信号；
步骤二：对两路信号进行突变检测，确定弯曲损耗；
步骤三：计算弯曲损耗处前后各N个点平均数的比值，对突变后的信号进行补偿；
步骤四：分别对弯曲补偿后的双路信号进行二次多项式拟合，得到与距离相关的拟合表达式；
步骤五：根据得到的拟合式对双路信号进行与距离相关的衰减补偿，得到两路平直的距离-光强度信号波形；
步骤六：利用补偿后平直的双路光强信号进行解调，得到光纤沿线温度。
优选地，所述步骤二的检测的过程包括：分别对采集到的斯托克斯光与反斯托克斯光的光强信号进行滑动窗方差检测，如窗的长度为10，则计算窗范围内这10个点的光强信号的平均值及方差，依据方差大小确定突变，认为当某点方差大于设定的阈值1时，该处信号存在突变。对比斯托克斯光与反斯托克斯光距离-光强信号这两条曲线上的突变位置及大小，如果某处方差变大至大于设定的阈值1的情况仅发生在反斯托克斯光这路信号中或者双路信号在这一位置都出现了方差变大的情况但是双路的方差差值过大，超出设置的阈值2，则认为该突变由温度变化导致，如果两条曲线中某位置都发生了方差变大且两路方差差值在某一阈值内，则认为是由弯曲损耗造成的。
优选地，所述步骤三的补偿过程为：确定某处突变是弯曲损耗造成的之后，通过提取突变点前后两端各N个点的光强信号数值，分别计算其平均值，对突变点前端的点与后端点的平均值进行求比，将突变处之后所有的数据都乘以这个比例数。
优选地，步骤四中得到二次多项拟合式I＝aL2+bL+c,其中L为某一点到光纤前端，即与波分复用器相连的那一端的距离，a、b、c为系数，I为该点的光强，斯托克斯光与反斯托克斯光的光强与距离负相关，在步骤五中对此进行补偿，得到近乎平直的光强信号曲线。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下显著进步：
(1)避免了因光纤布设时或布设后发生弯曲、扭曲使得测量到光强数据减小，解调温度不准确的情况发生。
(2)补偿了光纤中非线性衰减，使得温度解调结果不会随着距离的增加而准确度降低。
附图说明
图1为ROTDR的结构图；
图2为本发明的光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法的流程图；
图3为采集到的斯托克斯光与反斯托克斯光原始数据；
图4为进行弯曲补偿后斯托克斯光与反斯托克斯光数据；
图5为非线性衰减补偿后的斯托克斯光与反斯托克斯光；
图6为经过补偿与不经补偿数据解调得到的最终结果对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
ROTDR系统是基于拉曼散射效应和光时域反射原理的分布式光纤温度监测系统，包括激光器、波分复用器、采集卡、光电转换器等光电器件。工作原理为激光器发出脉冲光，在光纤中传播时会发生拉曼散射，产生斯托克斯光与反斯托克斯光，利用波分复用器将斯托克斯光与反斯托克斯光分离并通过光电转换器及采集卡采集数据，解调双路距离-光强信号即可得到光纤沿线温度。解调公式为：
其中，T表示温度，kB、h为玻尔兹曼常数和普朗克常量，Δν＝1.32*1013Hz，I(T)为反斯托克斯光与斯托克斯光的光强度比，νas与νs表示反斯托克斯光与斯托克斯光的频率。但是，光在光纤中传播时，光强随着距离的增加指数衰减：I＝I0exp(-αL)，其中L为光纤上某点到光纤前端，即与波分复用器相连的那一端的距离，I0为入射光强度，α为损耗系数，与光纤本身的性质及光的波长有关，I为该点的光强。
由于斯托克斯光与反斯托克斯光的波长不同，造成了两路光在光纤传播过程中的损耗不同。另外，光纤弯曲也会造成光信号的损耗，这是由于入射角小于临界角时，光纤内无法发生全反射造成的。这两种情况使得直接解调原始的光强度信号测温会产生较大的偏差，本发明就是为了解决这一问题。
在构建完ROTDR系统后，采集到的双路原始距离-光强数据如图3所示，分别对这双路距离-光强数据使用滑动窗方差检测，如将滑动窗长度设置为10，则计算这10个点光强度的平均数及方差，如果距离-光强数据发生了突变，那么滑动到发生突变的位置时，窗内的方差将变大，且方差的大小与突变幅度呈正相关。
比较双路数据的突变检测结果，如果两路距离-光强度信号在同一位置发生了方差变大至超过预先设置的阈值1的情况而且双路方差的差值在小于阈值2范围内，这两个阈值根据经验及具体光纤布设情况人为设置，则认为该位置处突变是由于光纤弯曲造成的，需要进行补偿，如图3中1050m处；如果某处方差变大仅发生在反斯托克斯光这路信号中或者双路信号在这一位置都出现了方差变大的情况但是双路的方差差值过大，超出设置的阈值2范围，则认为该位置处发生了温度变化，突变是由于反斯托克斯光及斯托克斯光对温度变化的敏感性造成的，不需要补偿，如图3中50m及2050m处。
在定位弯曲损耗后，提取弯曲位置点前后各N个点，如N＝15，则提取前后15个点的光强度信号数值，分别求其平均值并用弯曲位置之前15个点光强的平均值除以后端15个点光强的平均值得到一个比值，将弯曲位置后的光强度信号乘以该比值以补偿弯曲损耗，得到Iw，即弯曲补偿后的距离-光强信号，如图4。
分别对图4中弯曲补偿后的近似平滑的双路数据进行二次多项式拟合，得到拟合表达式I＝aL2+bL+c，其中，I为光强，L为光纤上某点到光纤前端的距离，a、b、c为系数，可以认为光纤最前端的光强度是没有衰减的，即与波分复用器相连的一端L＝0处的光强是未衰减的，该处I＝c，因此认为距离L处的衰减比例为：
利用该衰减比例对整段数据进行衰减补偿，其中，I1为衰减补偿后的距离-光强信号数据，Iw为弯曲补偿后衰减补偿前的距离-光强信号。
最终得到图5中所示的双路信号。对比图4与图5，可以从图4中看出随着距离的增加，光强信号发生了衰减，且斯托克斯光与反斯托克斯光的衰减系数不同。而如图5所示，由于补偿了双路光在光纤中传播时的衰减，斯托克斯光与反斯托克斯光都不受衰减的影响，这样双路光信号衰减系数不同的情况不会影响下一步解调。利用该数据进行解调，最终得到的温度结果与未经过弯曲及衰减补偿的结果对比如图6。
可以看出，如果不进行衰减补偿，在20℃恒温试验的情况下，在2000米左右的距离内，测量的结果逐渐上升，最后端测量结果较真实值约增加了2℃，经过衰减补偿后，温度测量结果变得更为准确，解决了随测温距离增加测量结果变大的问题，提高了测温系统的准确性与稳定度。
Claims (5)
1.一种光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法，所述光时域反射计包括脉冲激光器、波分复用器、光电探测器及采集卡，激光器发出脉冲激光通过波分复用器进入光纤产生后向散射，后向散射光再进入波分复用器被分离为斯托克斯光与反斯托克斯光并分别传递给光电探测器，最终被采集卡采集，所述的补偿办法包括以下步骤：
步骤一：同步采集斯托克斯光与反斯托克斯光的距离-光强度信号；
步骤二：对两路信号进行突变检测，确定弯曲损耗；
步骤三：计算弯曲损耗处前后各N个点光强度的平均数比值，对突变后的信号进行补偿得到Iw；
步骤四：分别对弯曲补偿后的双路信号进行二次多项式拟合，得到与距离相关的拟合表达式；
步骤五：根据得到的拟合式对双路信号进行与距离相关的衰减补偿，得到两路平直的距离-光强度信号波形；
步骤六：对补偿后平直的双路光强信号进行解调，得到光纤沿线温度。
2.根据权利要求1所述的光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法，其特征在于，步骤二中，分别对两路距离-光强信号使用滑动窗方差检测，如果窗内的光强度方差大于第一阈值时，确定出当前发生的突变位置；如果两路距离-光强度信号在同一位置都发生了方差大于第一阈值且这两个方差大小差值小于第二阈值，则认为该处突变是由于光纤弯曲造成的，需要进行补偿；如果这两路信号在某一位置只有反斯托克斯光的距离-光强信号方差大于第一阈值或者这两个方差的差值大于第二阈值，则认为该处发生了温度变化，不需要补偿。
3.根据权利要求1所述的光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法，其特征在于，步骤三中，计算弯曲损耗处前后各N个点光强度的平均数比值，对突变后的信号进行补偿方法如下：将弯曲位置后的光强度信号乘以该比值以补偿弯曲损耗得到Iw。
4.根据权利要求1所述的光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法，其特征在于，所述步骤四中对弯曲损耗补偿后的双路信号分别进行二次多项式拟合，得到表达式I＝aL2+bL+c，其中，I为光强，L为该点到光纤前端，即与波分复用器相连的那一端的距离，a、b、c为系数。
5.根据权利要求1所述的光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法，其特征在于，所述步骤五中补偿方法为：如果光纤中没有随着距离变化的衰减，那么每个距离上的光强度应该与光纤最前端，即与波分复用器相连的一端相同，即L＝0处，I＝c，则与距离L相关的衰减比例为αL＝aL2+bL+c/c，利用该衰减比例对整段数据进行衰减补偿，其中，I1为衰减补偿后的距离-光强信号，Iw为弯曲补偿后衰减补偿前的距离-光强信号：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010910637.XA CN112033572B (zh) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | 一种光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010910637.XA CN112033572B (zh) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | 一种光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112033572A true CN112033572A (zh) | 2020-12-04 |
| CN112033572B CN112033572B (zh) | 2022-03-08 |
Family
ID=73592272
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010910637.XA Active CN112033572B (zh) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | 一种光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112033572B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112964387A (zh) * | 2021-03-02 | 2021-06-15 | 南京大学 | 拉曼光时域反射计中光纤沿线温度的解调方法 |
| CN114577367A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-06-03 | 苏州光格科技股份有限公司 | 一种光纤温度传感器标定的方法、装置和计算机设备 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02306131A (ja) * | 1989-05-22 | 1990-12-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光ファイバ温度分布測定方法 |
| CN102375176A (zh) * | 2011-11-11 | 2012-03-14 | 江苏大学 | 一种低弯曲损耗光纤 |
| CN109799004A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-05-24 | 吉林大学 | 一种长距离光纤分布温度测量系统 |
| CN110441810A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-11-12 | 哈尔滨工程大学 | 一种带弯曲损耗补偿的光纤辐射探针 |
| CN110648481A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-01-03 | 深圳市矽赫科技有限公司 | 一种校准方法及周界告警装置 |
-
2020
- 2020-09-02 CN CN202010910637.XA patent/CN112033572B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02306131A (ja) * | 1989-05-22 | 1990-12-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光ファイバ温度分布測定方法 |
| CN102375176A (zh) * | 2011-11-11 | 2012-03-14 | 江苏大学 | 一种低弯曲损耗光纤 |
| CN109799004A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-05-24 | 吉林大学 | 一种长距离光纤分布温度测量系统 |
| CN110441810A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-11-12 | 哈尔滨工程大学 | 一种带弯曲损耗补偿的光纤辐射探针 |
| CN110648481A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-01-03 | 深圳市矽赫科技有限公司 | 一种校准方法及周界告警装置 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112964387A (zh) * | 2021-03-02 | 2021-06-15 | 南京大学 | 拉曼光时域反射计中光纤沿线温度的解调方法 |
| CN112964387B (zh) * | 2021-03-02 | 2022-03-15 | 南京大学 | 拉曼光时域反射计中光纤沿线温度的解调方法 |
| CN114577367A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-06-03 | 苏州光格科技股份有限公司 | 一种光纤温度传感器标定的方法、装置和计算机设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112033572B (zh) | 2022-03-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7585107B2 (en) | Corrected DTS measurements based on Raman-Stokes signals | |
| EP2587238B1 (en) | Optical fibre temperature distribution measurement apparatus | |
| CN107843357B (zh) | 基于拉曼散射的分布式光纤温度及应变检测方法 | |
| CN112033572B (zh) | 一种光时域反射计中补偿弯曲损耗及斯托克斯光与反斯托克斯光衰减的方法 | |
| CN105181152B (zh) | 分布式布里渊散射光谱频移的计算方法 | |
| KR101834308B1 (ko) | 2단계 평가를 포함하는 분포형 광 감지 장치 | |
| CN104864979A (zh) | 一种分布式拉曼光纤测温系统测量误差的修正方法 | |
| US20110149270A1 (en) | Enhanced OTDR Sensitivity by Utilizing Mode-Field Diameter Measurements | |
| CN100587426C (zh) | 一种分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法 | |
| JP2009500606A (ja) | 複合ｐｏｔｄｒトレースを用いるファイバｐｍｄ評価方法 | |
| CN104776871B (zh) | 光纤布里渊分布式测量光路、装置和方法 | |
| US11815421B2 (en) | Acoustic mode propagation speed measurement method and acoustic mode propagation speed measurement device | |
| JP6683973B2 (ja) | モード結合比率分布測定装置及びモード結合比率分布測定方法 | |
| JP3982714B2 (ja) | 歪み測定装置、方法、プログラムおよび記録媒体 | |
| CN113654580B (zh) | 一种同时测量温度与应变的光频域反射系统 | |
| CN114942087A (zh) | 拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测系统及方法 | |
| GB2441552A (en) | Measurement of attenuation in distributed optical fibre sensing | |
| CN112229501A (zh) | 一种基于ofdr的振动信号自动检测装置和方法 | |
| CN113091783B (zh) | 基于二级布里渊散射的高灵敏传感装置及方法 | |
| CN113091947B (zh) | Ase时域相关压缩的分布式光纤拉曼温度传感装置和方法 | |
| CN113091946B (zh) | 混沌分布式光纤拉曼温度传感装置及方法 | |
| US10466116B2 (en) | Distributed sensing considering two relations between measurement signals | |
| CN112697303B (zh) | 面向智能电网的分布式光纤传感系统和检测方法 | |
| CN115931168B (zh) | 一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法 | |
| JP4364780B2 (ja) | 光ファイバの特性評価方法および装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |