CN112697303A - 面向智能电网的分布式光纤传感系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式拉曼光纤传感系统，公开了一种兼顾长传感距离与高空间分辨率的面向智能电网的分布式光纤拉曼传感系统和检测方法，系统包括脉冲激光器、波分复用器、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集系统，脉冲激光器输出的脉冲激光经波分复用器后入射至传感光纤，传感器中反射的斯托克斯光和反斯托克光经波分复用器后，被第一光电探测器和第二光电探测器探测后发送至数据采集系统，传感光纤的一部分设置在恒温槽中，恒温槽用于对位于其中的传感光纤进行恒温控制；数据采集系统用于进行数据采集和解调，得到传感光纤沿线的分布式温度场信息。本发明提高了系统的分辨率和测量精度，可以应用于智能电网检测领域。

Description

面向智能电网的分布式光纤传感系统和检测方法

技术领域

本发明属于分布式拉曼光纤传感系统，具体为一种兼顾长传感距离与高空间分辨率的面向智能电网的分布式光纤拉曼传感系统和检测方法。

背景技术

遍布全国的高压输电网络已经成为现代工业和国民经济的命脉。随着供电网络的日趋复杂化、精密化，对电网的安全监测问题也越来越紧迫。由于供电系统中存在许多环节容易受到多种因素的扰动，如果不能及时发现供电系统中存在的隐患与故障，极易发生重大的安全事故。然而，目前的单点、多探头、单参数传感器无法适应供电网络的大范围长距离检测需求。

分布式光纤拉曼传感系统可以连续测量传感光纤沿线的分布式温度特征信息。该系统通过采集脉冲光在光纤中传输时产生携带温度信息的背向拉曼散射光解调光纤沿线的温度变化，再根据光时域反射技术进行定位，从而实现对传感光纤沿线温度的分布式连续测量。在分布式光纤拉曼测温系统中，空间分辨率是指测温系统中能够分辨光纤温度变化的最小长度。目前，分布式光纤拉曼温度传感系统使用光时域反射(OTDR)技术进行定位，其最优空间分辨率可以达到1m。但是由于光源脉宽的限制，该方法中存在着空间分辨率及传感距离无法兼顾的矛盾。

由于电网中故障导致的温度发生变化有范围小、幅度大的特点，因此，通过分布式温度测量可以对电网中故障位置进行定位，但是现有技术中的分布式拉曼传感系统的空间分辨率较大时，电网故障导致的极小范围的温度变化系统难以准确测量，具体表现为测量温度变化幅度远远低于故障点实际温度，这种情况下容易导致系统漏报。基于此，需要对现有技术中的分布式光纤传感器系统进行改进，以适应智能电网的分布式检测需求。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提出一种兼顾长传感距离与高空间分辨率的面向智能电网的分布式光纤拉曼传感系统和检测方法，以解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率与传感距离无法兼顾的问题，使系统空间分辨率提高到1厘米。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，包括脉冲激光器、波分复用器、传感光纤、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集系统，所述脉冲激光器输出的脉冲激光经波分复用器后入射至传感光纤，所述传感器中反射的斯托克斯光和反斯托克光经波分复用器后，被第一光电探测器和第二光电探测器探测，所述传感光纤的一部分设置在恒温槽中，所述恒温槽用于对位于其中的传感光纤进行恒温控制；第一光电探测器和第二光电探测器探测的斯托克斯信号和反斯托克斯信号经数据采集系统进行采集和解调，得到传感光纤沿线的分布式温度场信息。

所述数据采集系统包括数据采集卡和计算单元。

所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，还包括第一放大器和第二放大器，第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号经放大器后被数据采集卡采集。

所述数据采集卡的采样率为10GS/s，带宽为10GHz。

所述脉冲激光器的波长为1550nm，脉宽为10ns，重复频率为6KHz；第一光电探测器和第二光电探测器的带宽为100MHz，光谱响应范围为900～1700nm；所述传感光纤为折射率渐变型多模光纤。

其温度解调公式为：

其中，T表示解调得到恒温槽外的传感光纤第n个测量区间所在位置处的温度，k为玻尔兹曼常数，Δν为拉曼频移，h为普朗克常量，T_c为测量阶段恒温槽的设定温度，T_c0为定标阶段恒温槽的设定温度，T₀为定标阶段传感光纤的环境温度，I_al0表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_aln表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_ac0表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_acn表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强；I_sl0表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_sln表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_sc0表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_scn表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，n为大于零的正整数。

I_aln、I_sln、I_acn、I_scn的计算公式分别为：

其中，X等于脉冲宽度与采样区间长度的比值；I_an’和I_a(n-1)’分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n-1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_al(n-X)表示定标阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_a0’表示定标阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的反斯托克斯光的光强；

I_sn’和I_s(n-1)’分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n-1个采样区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_sl(n-X)表示定标阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强；I_s0’表示定标阶段获得的恒温槽中的一个采样区间的斯托克斯光的光强；

I_an和I_a(n-1)分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n-1个和第n个采样区间的后向拉曼反斯托克斯光的光强，I_ac(n-X)表示测量阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间后向拉曼反斯托克斯光的光强，I_a0表示测量阶段获得的恒温槽中的一个采样区间的反斯托克斯光的光强；

I_sn和I_s(n-1)分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n-1个和第n个采样区间的后向拉曼斯托克斯光的光强，I_sc(n-X)表示测量阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间后向拉曼斯托克斯光的光强，I_s0表示测量阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的斯托克斯光的光强。

此外，本发明还提供了一种面向智能电网的分布式光纤传感检测方法，采用所述的一种系统实现，包括以下步骤：

S1、定标阶段：设置恒温槽的温度为T_c0，传感光纤的环境温度设置为T₀，设置数据采集系统的采样周期为单个脉冲宽度的1/X，利用数据采集系统采集传感光纤中反射的拉曼反斯托克斯光和斯托克斯光的光强，包括恒温槽中传感光纤的各个采样区间的后向拉曼反斯托克斯光的光强I_a0’和后向拉曼斯托克斯光的光强I_s0’，以及恒温槽外的传感光纤的各个采样区间获得的后向拉曼反斯托克斯光的光强I_an’和后向拉曼斯托克斯光的光强I_sn’；

S2、测量阶段：设置恒温槽的温度为T_c，设置同样的采样周期，利用数据采集系统采集传感光纤中的所有拉曼反斯托克斯光和反斯托克斯光的光强，包括恒温槽中传感光纤的各个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强I_a0和后向拉曼斯托克斯散射光的光强I_s0，以及恒温槽外的传感光纤的各个采样区间获得的后向拉曼反斯托克斯光的光强I_an和后向拉曼斯托克斯光的光强I_sn；

S3、对步骤S1和步骤S2测量得到数据进行计算解调，得到传感光纤(3)沿线的分布式温度场信息。

所述X的取值为100。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提出一种长距离厘米级分辨率的分布式光纤拉曼温度传感系统及解调方法，通过将采集到的拉曼散射产生的斯托克斯光信号与反斯托克斯光信号进行重构分层解析，突破传统分布式光纤拉曼测温系统光源脉冲宽度对空间分辨率的限制，在保证传感距离的同时，优化系统的空间分辨率，提高空间分辨率，在小范围温度变化中温度测量的更加准确，一方面防止漏报，监测的准确度；另一方面，温度测量更加准确，方便故障判断，可以应用于智能电网检测中。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种面向智能电网的分布式光纤拉曼传感系统的结构示意图；

图2为本发明的测量原理图；

图中：1-脉冲激光器、2-波分复用器、3-传感光纤、4-第一光电探测器1、5-第二光电探测器、6-第一放大器、7-第二放大器、8-数据采集卡、9-计算机、10-恒温槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；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劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种面向智能电网的分布式光纤拉曼传感系统，包括高功率脉冲激光器1，波分复用器2，传感光纤3，第一光电探测器4，第二光电探测器5，第一放大器6，第二放大器7，数据采集卡8，计算机9和恒温槽10。

所述脉冲激光器1的输出端与波分复用器的第一端口a连接，所述波分复用器2的第二端口b与传感光纤3的第一端口a连接，传感光纤3与波分复用器2的第二端口b的距离为5m的位置处，将长为1m的部分传感光纤3放置于恒温槽10中，波分复用器2的第三端口c与雪崩光电探测器4的输入端相连接，波分复用器2的第四端口d与雪崩光电探测器5的输入端相连接，雪崩光电探测器4的输出端与放大器6的输入端相连，雪崩光电探测器5的输出端与放大器7的输入端相连，放大器6与放大器7的输出端与高速数据采集卡8输入端相连，数据采集卡8的输出端与计算机9相连接。

所述脉冲激光器1输出的脉冲激光经波分复用器2后入射至传感光纤3，所述传感器3中反射的斯托克斯光和反斯托克光经波分复用器2后，被第一光电探测器4和第二光电探测器5探测，所述传感光纤3的一部分设置在恒温槽10中，所述恒温槽10用于对位于其中的传感光纤3进行恒温控制；第一光电探测器4和第二光电探测器探测的斯托克斯信号和反斯托克斯信号经分别第一放大器6和第二放大器7进行放大后，数据经数据采集卡采集后发送至计算机，计算机对采集数据进行采集和解调，得到传感光纤3沿线的分布式温度场信息。

进一步地，本实施例中，所述脉冲激光器1的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为6KHz，输出峰值功率为5W；第一光电探测器4与第二光电探测器5的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm。所述数据采集卡8为高速数据采集卡，其通道数为2、采样率为10GS/s、带宽为10GHz。所述传感光纤3为折射率渐变型多模光纤。

本发明还提供了一种面向智能电网的分布式光纤拉曼传感系统的检测方法，其主要包括以下步骤：

步骤一：搭建如图1所示的分布式光纤传感系统。

如图1所示，脉冲激光器1的输出端与波分复用器的第一端口a连接，所述波分复用器2的第二端口b与传感光纤3的第一端口a连接，传感光纤3与波分复用器2的第二端口b的距离为5m的位置处，将长为1m的部分传感光纤3放置于恒温槽10中，波分复用器2的第三端口c与雪崩光电探测器4的输入端相连接，波分复用器2的第四端口d与雪崩光电探测器5的输入端相连接，雪崩光电探测器4的输出端与放大器6的输入端相连，雪崩光电探测器5的输出端与放大器7的输入端相连，放大器6与放大器7的输出端与高速数据采集卡8输入端相连，高速数据采集卡8的输出端与计算机9相连接。所述计算机9用于根据采集的拉曼反斯托克斯信号进行解调，得到所述传感光纤3沿线的分布式温度场信息。

步骤二：拉曼斯克斯光与拉曼反斯托克斯信号光强处理。

在传统温度解调中，在传感光纤L位置处所激发的的拉曼斯托克斯光与反斯托克斯散射信号的光强为：

其中I_s(T,L)和I_a(T,L)分别为与温度及位置有关的经过电学放大器放大的拉曼斯托克斯散射光光强和拉曼反斯托克斯散射光光强，其中M_s、M_a分别为光放大系统对拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的放大倍数，K_s、K_a分别为拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的散射截面系数，ν_s、ν_a分别为拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的光频率，I₀为入射光强，α₀、α_s、α_a分别为入射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光在光纤中的衰减系数，L为光纤的位置，T为L位置处的温度。h为普朗克常量。Δν为拉曼频移，等于13.2THz，k为玻尔兹曼常数。

分布式光纤拉曼传感系统利用脉冲时间飞行法进行空间定位，传统的理论分析中往往会忽略脉冲宽度对系统定位的影响。由于脉冲本身存在宽度，高速数据采集卡在任意时刻采集到的信息并非光纤L位置处一点的光强信息，而是整个激光脉冲在光纤传感距离等于半个脉冲时间尺度内的拉曼反斯托克斯光强信息的叠加。例如，当探测信号脉冲宽度为10ns时，高速数据采集卡在对应光纤L位置处采集的后向拉曼反斯托克斯信号的光强实际10ns的脉冲在光纤传感距离等于半个脉冲时间尺度，即5ns中的叠加，对应传感光纤中的长度为1m，其具体表达式为：

式中，

表示数据采集卡在传感光纤L位置采集到的光强累加，当脉宽为10ns时，其累加长度为[L-1～L]，即5ns对应的光传播距离为采样区间。同理，后向拉曼斯托克斯光信号的光强实际为：

步骤三：定标阶段拉曼斯托克斯与反斯托克斯信号处理。

脉冲激光器1发出脉冲宽度为10ns的激光脉冲(1550nm)，激光脉冲经过波分复用器2入射到传感光纤3中。在传感光线中产生的后向拉曼散射反斯托克斯光(1450nm)的通过波分复用器2进入到第一光电探测器4与第二光电探测器5将光信号转变为电信号，电信号依次经过第一放大器6与第二放大器7、高速数据采集卡8完成放大以及模数转换，最终进入计算机9，由此得到拉曼斯托克斯光与反斯托克斯光的位置和光强信息。

将定标阶段整条传感光纤的环境温度设置为T₀，高速数据采集卡8采集到传感光纤3在L位置处的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强可以表示为：

拉曼斯托克斯光强可以表示为：

由于选择的高速数据采集卡8的采样率为10GS/s，其采样周期为脉冲宽度的1％(对应光纤长度为1cm)。因此，采集到的每个离散点的数据值与前一个数据点中表示的数据有99％的信息是表示光纤相同位置处的信息。由于恒温槽中温度恒定，脉冲激光在较短距离中(1m)的能量损耗忽略不计，则认为，恒温槽中各个位置的后向拉曼斯托克斯光与反斯托克斯散射光的光强是保持恒定的，可以表示为：

其中，T_c0为恒温槽温度，d为传感光纤L处采集光强所累加的对应光纤长度。

由于采集到的每个离散点的数据值与前一个数据点中表示的数据有99％的信息是表示光纤相同位置处的信息。因此，传感光纤位于恒温槽外的第一个测量区间(长度为采样区间的1％)的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强可以表示为：

I_al1(T₀,L)＝I_a1'-I_a0'+0.01I_a0'； (9)

其中，I_al1表示在第一个区间中获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_a0’表示测量到的最后一个所有温度信息均包含在恒温槽中的数据，其中，I_a0’＝100I_al0，I_a1’表示在恒温槽外的传感光纤中测量到的第一个拉曼反斯托克斯光强数据，以此类推，I_an’表示恒温槽外测量到的第n个拉曼反斯托克斯光强数据。由此可知，后面的测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强为：

在计算100次之后，I_a101’与I_a100’所包含的温度信息中已经没有位于恒温槽中的光纤信息了，所以从I_al101开始，应当减去对应的处理后的信息，即I_ac1。当脉冲宽度为该区间的长度的X倍时，表达式(9)和(10)可以写作：

式(11)最后可以表示为：

X的取值范围取决于信号采集设备的性能以及系统对噪声的抑制能力。I_aln表示定标阶段在第n个测量区间中获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，其中，I_an’和I_a(n-1)’分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n-1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光光强数据，I_al(n-X)表示定标阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，X等于脉冲宽度与采样区间长度的比值，I_a0’表示定标阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的数据，I_a0’＝X·I_al0。由上文公式可知，通过式(12)可以推导出各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强。

与前文同理，各个测量区间的后向拉曼斯托克斯光的强度可以表示为：

其中，I_sn’和I_s(n-1)’分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n-1个采样区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_sl(n-X)表示定标阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强；I_s0’表示定标阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的斯托克斯光的光强，其中，I_s0’＝X·I_sl0，I_sl0表示定标阶段恒温槽中测量得到的某采样区间的后向拉曼斯托克斯光的光强。

其中，如图2所示，普通的拉曼系统，利用光时域反射技术，每一时刻采集到的光强信息为光纤中对应一段长度的温度信号的叠加(即图2中的I_an或者Ia_(n-1))，因而导致空间分辨率受限制，本实施例通过提高采样率，将前后两个数据中重复的部分减去，最终获得的I_aln所包含的信息范围就会变小，I_aln对应的信息范围即为本申请的测量区间，I_an对应的信息范围即为本申请的采样区间，因此，本申请通过逐差的方法就可以将每个小区间的数据求出来，提高了传感系统的空间分辨率。对于斯托克斯光也是如此。

步骤四：测量阶段拉曼斯托克斯信号与拉曼反斯托克斯信号处理

脉冲激光器1发出脉冲宽度为10ns的激光脉冲，将传感光纤3沿线的温度和位置分别用T和L表示，高速数据采集卡8接收传感光纤3各个位置处的后向拉曼反斯托克斯散射光，其光强表示为：

高速数据采集卡8接收传感光纤3各个位置处的后向拉曼斯托克斯散射光，其光强表示为：

其中I_s(T,L)和I_a(T,L)分别为与温度及位置有关的经过电学放大器放大的后向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼反斯托克斯散射光光强，其中M_s、M_a分别为光放大系统对拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的放大倍数，K_s、K_a分别为拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的散射截面系数，ν_s、ν_a分别为拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的光频率，I₀为入射光强，α₀、α_s、α_a分别为入射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光在光纤中的衰减系数，l为光纤的位置，T为L位置的温度。h为普朗克常量。Δν为拉曼频移，等于13.2THz，k为玻尔兹曼常数。

测量阶段设定恒温槽温度为T_c，恒温槽中各个位置的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强相等，可以表示为：

恒温槽中各个位置的后向拉曼斯托克斯散射光的光强相等，可以表示为：

其中，T_c为恒温槽温度，d为传感光纤L处采集光强所累加的对应光纤长度。与定标阶段处理方法相同，传感光纤位于恒温槽外的第一个测量区间(长度为采样区间的1％)的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强可以表示为：

I_ac1(T,L)＝I_a1-I_a0+0.01I_a0； (18)

同步骤三的定标阶段，脉冲宽度为该区间的长度的X倍时，表达式可以写作：

其中，式(19)最后可以写成：

X的取值范围取决于信号采集设备的性能以及系统对噪声的抑制能力。其中，I_ac1表示在第一个区间中获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_a1表示测量到的第一个涉及到恒温槽外光纤的数据；I_an和I_a(n-1)分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n-1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光光强数据，I_ac(n-X)表示测量阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_a0表示测量阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的数据，I_a0＝X·I_ac0；其中，I_acn表示在第n个区间中获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强。由上文公式可知，通过式(20)可以推导出各个传感光纤的测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强。

与前文同理，斯托克斯光散射强度可以表示为：

I_sn和I_s(n-1)分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n-1个和第n个采样区间的后向拉曼斯托克斯光的光强，I_sc(n-X)表示测量阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间后向拉曼斯托克斯光的光强，I_s0表示测量阶段获得的恒温槽中的一个采样区间的斯托克斯光的光强，I_s0＝X·I_sc0。

步骤五：解调温度

测量阶段，传感光纤3沿线的各个测量区间的拉曼反斯托克斯光强和斯托克斯光强的计算公式分别为：

此外，定标阶段传感光纤3沿线的各个测量区间的拉曼反斯托克斯光强和拉曼斯托克斯光的计算公式为：

联立式(7)、(8)(16)、(17)、(22)、(23)(24)、(25)，可以得到：

解得：

公式(27)中T为光纤沿线的温度分布，T_c为测量时恒温槽10的温度值，T₀为定标阶段传感光纤的温度值，T_c0为定标时恒温槽10的温度值。I_al0表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_aln表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_ac0表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_acn表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强；I_sl0表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_sln表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_sc0表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_scn表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，n为大于零的正整数。

综上所述，本发明提供了一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统和方法，通过提高系统的采样率，将原有叠加在一起的信号进行重构分层解析，提高了系统的空间分辨率，可以将系统的空间分辨率优化至1cm。而且，通过在传感光纤前端设置恒温槽，可以消除光源输出和APD等设备中的随机噪声，并且通过两路光对传感信号进行解调，使得系统对温度的测量精度更高，对微小变化更加灵敏，因此，本发明不仅提高了系统的分辨率，而且提高了测量的精度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，包括脉冲激光器（1）、波分复用器（2）、传感光纤（3）、第一光电探测器（4）、第二光电探测器（5）和数据采集系统，所述脉冲激光器（1）输出的脉冲激光经波分复用器（2）后入射至传感光纤（3），所述传感器（3）中反射的斯托克斯光和反斯托克光经波分复用器（2）后，被第一光电探测器（4）和第二光电探测器（5）探测，所述传感光纤（3）的一部分设置在恒温槽（10）中，所述恒温槽（10）用于对位于其中的传感光纤（3）进行恒温控制；第一光电探测器（4）和第二光电探测器探测的斯托克斯信号和反斯托克斯信号经数据采集系统进行采集和解调，得到传感光纤（3）沿线的分布式温度场信息。

2.根据权利要求1所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述数据采集系统包括数据采集卡（8）和计算单元（9）。

3.根据权利要求2所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，还包括第一放大器（6）和第二放大器（7），第一光电探测器（4）和第二光电探测器（5）的输出信号经放大器（5）后被数据采集卡（6）采集。

4.根据权利要求2所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述数据采集卡（8）的采样率为10 GS/s，带宽为10 GHz。

5.根据权利要求1所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述脉冲激光器（1）的波长为1550 nm，脉宽为10 ns，重复频率为6KHz；第一光电探测器（4）和第二光电探测器（5）的带宽为100 MHz，光谱响应范围为900~1700 nm；所述传感光纤（3）为折射率渐变型多模光纤。

6.根据权利要求1所述的一种一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，其温度解调公式为：

；

其中，T表示解调得到恒温槽外的传感光纤第n个测量区间所在位置处的温度，k为玻尔兹曼常数，△ν为拉曼频移，h为普朗克常量，T _c为测量阶段恒温槽的设定温度，T_c0为定标阶段恒温槽的设定温度，T₀为定标阶段传感光纤的环境温度，I_al0表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_aln表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_ac0表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_acn表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强；I_sl0表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_sln表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_sc0表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_scn表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，n为大于零的正整数。

7.根据权利要求6所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感系统，其特征在于，I_aln、I_sln、I_acn、I_scn的计算公式为：

其中，X等于脉冲宽度与采样区间长度的比值；I _an ’和I _a（n-1）’分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n-1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_{al（n- X）}表示定标阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I _a0 ^’表示定标阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的反斯托克斯光的光强；

I _sn ’和I _s（n-1）’分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n-1个采样区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强，I_{sl（n- X）}表示定标阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间的后向拉曼斯托克斯散射光的光强；I _s0 ^’表示定标阶段获得的恒温槽中的一个采样区间的斯托克斯光的光强；

I _an 和I _a（n-1）分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n-1个和第n个采样区间的后向拉曼反斯托克斯光的光强，I_ac（n-X）表示测量阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间后向拉曼反斯托克斯光的光强，I _a0表示测量阶段获得的恒温槽中的一个采样区间的反斯托克斯光的光强；

I _sn 和I _s（n-1）分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n-1个和第n个采样区间的后向拉曼斯托克斯光的光强，I_sc（n-X）表示测量阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间后向拉曼斯托克斯光的光强，I _s0表示测量阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的斯托克斯光的光强。

8.一种面向智能电网的分布式光纤传感检测方法，其特征在于，采用权利要求1~7任意一项所述的一种系统实现，包括以下步骤：

S1、定标阶段：设置恒温槽的温度为T _c0 ，传感光纤的环境温度设置为T₀，设置数据采集系统的采样周期为单个脉冲宽度的1/X，利用数据采集系统采集传感光纤中反射的拉曼反斯托克斯光和斯托克斯光的光强，包括恒温槽中传感光纤的各个采样区间的后向拉曼反斯托克斯光的光强I_a0’和后向拉曼斯托克斯光的光强I_s0’，以及恒温槽外的传感光纤的各个采样区间获得的后向拉曼反斯托克斯光的光强I_an’和后向拉曼斯托克斯光的光强I_sn’；

S2、测量阶段：设置恒温槽的温度为T _c，设置同样的采样周期，利用数据采集系统采集传感光纤中的所有拉曼反斯托克斯光和反斯托克斯光的光强，包括恒温槽中传感光纤的各个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强I_a0和后向拉曼斯托克斯散射光的光强I_s0，以及恒温槽外的传感光纤的各个采样区间获得的后向拉曼反斯托克斯光的光强I_an和后向拉曼斯托克斯光的光强I_sn；

S3、对步骤S1和步骤S2测量得到数据进行计算解调，得到传感光纤（3）沿线的分布式温度场信息。

9.根据权利要求8所述的一种面向智能电网的分布式光纤传感检测方法，其特征在于，所述X的取值为100。

Images