CN113008407B - 多参数分布式光纤信号解调仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光信号解调技术领域，具体涉及一种多参数分布式光纤信号解调仪，包括：预处理单元，用于按照预设的温度变化范围，采用循环升温与降温的方式对多参数分布式光纤的传感区域进行处理；采集单元，用于采集斯托克斯信号与反斯托克斯信号；转换单元，用于将斯托克斯信号转换为第一电流信号，并将反斯托克斯信号转换为第二电流信号；调试单元，用于对第一电流信号及第二电流信号进行调试；计算单元，用于根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量以及第二电流信号的光通量计算温度值。本发明能够使残余应力得以释放，以减小多参数分布式光纤传感区域的残余应力，解决了温度波动会造成测量误差的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及光信号解调技术领域，具体涉及一种多参数分布式光纤信号解调仪。
背景技术
目前，普遍基于拉曼散射原理利用光的拉曼散射效应来测量光纤内的温度值，也就是说，温度测量仪器发射激光信号在光纤中传播，会反向反射回温度测量仪器，通过反射回的信号中的斯托克斯信号及反斯托克斯信号可以确定光纤的温度值。然而，现有的基于拉曼散射效应的温度测量仪器，未考虑斯托克斯信号以及反斯托克斯信号自身的差异对温度值的影响。
对此，中国专利CN109900382A公开了一种光纤温度信号解调装置，包括：获取模块，用于获取拉曼散射光子信号，其中，拉曼散射光子信号包括斯托克斯信号与反斯托克斯信号；转换模块，用于将斯托克斯信号转换为第一电流信号，以及将反斯托克斯信号转换为第二电流信号；调试模块，用于对第一电流信号及第二电流信号进行调试，以使第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预定时间区间内的重合程度达到预设重合阈值；计算模块，用于根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值。
在上述技术方案中，通过调试斯托克斯信号及反斯托克斯信号的电流波形，消除了斯托克斯信号及反斯托克斯信号的差异对温度值的影响，提高了温度值计算精度。但是就光纤而言，在制造和使用过程中光纤的传感区域不可避免的会产生残余应力，使得光纤的传感区域会产生大量的应力双折射，导致被测物理信号随时间产生漂移。当温度发生变化时，内应力在传感区域的分布也随温度发生变化，从而温度的波动会造成严重的测量误差。
发明内容
本发明提供一种多参数分布式光纤信号解调仪，解决了温度波动会造成测量误差的技术问题。
本发明提供的基础方案为：多参数分布式光纤信号解调仪，包括：
预处理单元，用于按照预设的温度变化范围，采用循环升温与降温的方式对多参数分布式光纤的传感区域进行处理；
采集单元，用于采集多参数分布式光纤的斯托克斯信号与反斯托克斯信号；
转换单元，用于将斯托克斯信号转换为第一电流信号，并将反斯托克斯信号转换为第二电流信号；
调试单元，用于对第一电流信号及第二电流信号进行调试，以使第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预设时间区间内的重合程度达到预设重合阈值；
计算单元，用于根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量以及第二电流信号的光通量计算温度值。
本发明的工作原理及优点在于：在采集多参数分布式光纤的斯托克斯信号与反斯托克斯信号之前，通过循环升温与降温处理光纤传感器的传感区域，温度的变化使得多参数分布式光纤的传感区域的几何形状发生微变形，利用这种不断变化的几何微变形使得残余应力逐渐得以释放，从而减小多参数分布式光纤传感区域的残余应力，降低多参数分布式光纤在测量被测物理量时测量信号受温度变化的干扰。
本发明能够使残余应力得以释放，以减小多参数分布式光纤传感区域的残余应力，解决了温度波动会造成测量误差的技术问题。
进一步，预设的温度变化范围为-10～420℃。
有益效果在于：由于聚合物涂覆层和光纤石英包层的热膨胀系数存在差异，将循环升温和降温的最高温度升高至聚合物涂覆层的玻璃化转变温度以上，可以通过聚合物内部分子链段在橡胶态的显著运动来释放涂覆层与光纤石英包层之间以及涂覆层内部的残余应力，降低多参数分布式光纤受温度波动的影响。
进一步，预处理单元还用于采用封装的方式消除多参数分布式光纤所受到的外界应力：将多参数分布式光纤穿入第一毛细管中，在第一毛细管的外壁上涂上密封胶，在第二毛细管内注入密封胶，将第一毛细管穿入第二毛细管中；将第一毛细管抽出，在多参数分布式光纤的两端施加预应力，直至密封胶固化为止。
有益效果在于：封装后的多参数分布式光纤能够避免因为受外界应力影响而导致测温不准，有利于降低实际测温时存在的误差，以提高测温精度。
进一步，根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值包括：在重合程度达到预设重合阈值部分波形中预先设定参考位置；根据参考位置的温度值、参考位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量以及待测位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量计算待测位置的温度值。
有益效果在于：通过这样的方式，在参考位置处进行计算，可以提高计算的精度。
进一步，根据激光的发射时间以及反射信号的达到时间确定待测位置。
有益效果在于：通过这样的方式确定待测位置，相较于人为进行指定，更加准确。
进一步，根据激光的发射时间以及反射信号的达到时间确定待测位置包括：根据激光的发射时间以及反射信号的达到时间确定激光信号在光纤中的传播距离；根据激光的发射位置以及传播距离确定待测位置。
有益效果在于：通过这样的方式确定待测位置，简单易行、可操作性强。
进一步，采集多参数分布式光纤的斯托克斯信号与反斯托克斯信号之后，根据预先建立的噪声模型对采集的斯托克斯信号与反斯托克斯信号进行去噪。
有益效果在于：通过这样的方式，预先进行去噪，可降低后续计算的误差。
附图说明
图1为本发明多参数分布式光纤信号解调仪实施例的系统结构框图。
图2为本发明多参数分布式光纤信号解调仪实施例3的保温盒的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
说明书附图中的标记包括：壳体1、弹簧2、隔板3、加热层4、光纤5。
实施例1
实施例基本如附图1所示，包括：
预处理单元，用于按照预设的温度变化范围，采用循环升温与降温的方式对多参数分布式光纤的传感区域进行处理；
采集单元，用于采集多参数分布式光纤的斯托克斯信号与反斯托克斯信号；
转换单元，用于将斯托克斯信号转换为第一电流信号，并将反斯托克斯信号转换为第二电流信号；
调试单元，用于对第一电流信号及第二电流信号进行调试，以使第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预设时间区间内的重合程度达到预设重合阈值；
计算单元，用于根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量以及第二电流信号的光通量计算温度值。
在本实施例中，预处理单元采用硬件+软件/程序/代码实现其功能，采集单元、转换单元、调试单元和计算单元软件/程序/代码实现其功能，涉及到的安装、连接均可参照现有技术进行。
具体实施过程如下：
首先，预处理单元按照预设的温度变化范围，采用循环升温与降温的方式对多参数分布式光纤的传感区域进行处理。考虑到聚合物涂覆层和光纤石英包层的热膨胀系数存在差异，将循环升温和降温的最高温度升高至聚合物涂覆层的玻璃化转变温度以上，可以通过聚合物内部分子链段在橡胶态的显著运动来释放涂覆层与光纤石英包层之间以及涂覆层内部的残余应力，以降低多参数分布式光纤受温度波动的影响，故而在本实施例中将预设的温度变化范围设置为-10～420℃。具体而言，从室温以设定的速度升到设定的温度后再降温至室温，比如说15℃/min，以实现升温与降温处理。
然后，采集单元采集多参数分布式光纤的斯托克斯信号与反斯托克斯信号。在本实施例中，在测量光纤的温度值时，需要发射激光信号至待测温度的光纤中，使得激光信号在光纤中传播。由于光纤结构在微观层面不均匀，光纤中会出现瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，其中，拉曼散射光子中的斯托克斯光子和非斯托克斯光子是影响光纤温度的主要因素，故而只需要采集斯托克斯信号与反斯托克斯信号即可。采集完毕以后，根据预先建立的噪声模型对采集的斯托克斯信号与反斯托克斯信号进行去噪，以降低后续计算的误差。
接着，转换单元将斯托克斯信号转换为第一电流信号，并将反斯托克斯信号转换为第二电流信号。在本实施例中，对于前者而言，通过光电转换方式将斯托克斯信号能量传递给电子，使其运动形成第一电流信号；对于后者而言，将反斯托克斯信号能量传递给电子，使其运动形成第二电流信号。
再接着，调试单元对第一电流信号及第二电流信号进行调试，以使第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预设时间区间内的重合程度达到预设重合阈值。由于，第一电流信号、第二电流信号中均同时包括对温度敏感的频率成分以及对温度不敏感的频率成分，同时，斯托克斯信号和反斯托克斯信号均为拉曼信号中的不同成分，故而第一电流信号中对温度敏感的频率成分对应的时间区间和第二电流信号中对温度敏感的频率成分对应的时间区间一致，比如说Δt。在本实施例中，在时间区间Δt内，判断第一电流信号的波形与第二电流信号的波形的重合程度是否达到预设重合阈值：如果重合程度没有达到预设重合阈值，不断调节第一电流信号及第二电流信号的光电参数，比如说偏置电压、增益等，以使该第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在Δt内的重合程度达到预设重合阈值。
计算单元，用于根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量以及第二电流信号的光通量计算温度值。具体来说，包括以下步骤：在重合程度达到预设重合阈值部分波形中预先设定参考位置；根据参考位置的温度值、参考位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量以及待测位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量计算待测位置的温度值，具体计算公式可参照现有技术。其中，根据激光的发射时间以及反射信号的达到时间确定待测位置，也即，根据激光的发射时间以及反射信号的达到时间确定激光信号在光纤中的传播距离，根据激光的发射位置以及传播距离确定待测位置。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，预处理单元还用于采用封装的方式消除多参数分布式光纤所受到的外界应力。在本实施例中，首先，准备好第一毛细管、第二毛细管和密封胶；然后，将多参数分布式光纤穿入第一毛细管中，在第一毛细管的外壁上涂上密封胶，在第二毛细管内注入密封胶，将第一毛细管穿入第二毛细管中；最后，将第一毛细管抽出，在多参数分布式光纤的两端施加预应力，直至密封胶固化为止。
实施例3
与实施例2不同之处仅在于，在本实施例中光纤5应用在东北的冬季，每天的昼夜温差可在20～30℃以上，温度变化速率可达4～6℃/h；光纤5一部分埋没在土壤里，另一部暴露在空气中。土壤温度会随着地表附近气温的变化而呈现季节性起伏和昼夜变化；同时，由于太阳辐射周期性日变化和年变化的影响，土壤温度也会有相应的变化，使得土壤温度的年变化表现为正弦函数，温度的变化幅度随着土壤深度的增加而减小，到了某一个深度，可以认为振幅近似为零。另外，由于土壤和空气的热传导系数不同，在冬季的时候土壤的温度通常高于空气的温度，这是由于空气的温度受到热对流的作用使得散热较快，土壤中却不存在对流换热，故而散热较慢。故而，光纤5暴露在空气中的部分与埋没在土壤中的部分存在温差，或者说温度不均匀。
在本实施例中，光纤5的工作温度通常在-10℃～50℃之间，需要采取措施确保光纤5能够处于恒温的状态。具体来说：
对于光纤5暴露在空气中的部分保持恒温，需要采用温度传感器、控制器、加热器和风力发电机。比如说，东北某地的环境温度在3h内从-5℃下降到-15℃，温度传感器会实时检测环境温度，并将环境温度发送到控制器。控制器接收到环境温度以后，先判断环境温度是否低于光纤5的工作温度的最低值，也即-15℃低于-10℃；然后，计算温度变化速率为-5℃/h；最后，发送控制指令到加热器，使其以“逆反抗”的方式对光纤5熔接处进行加热，也即以+5℃/h的温度变化速度进行升温，直到其温度处于光纤5的工作温度以内。与此同时，由于东北地区刮风较多、风力也大，风力发电机能够将风能转换为电能，电能再转换为热能以提高光纤5的温度。
对于光纤5埋没在土壤中的部分保持恒温，需要采用保温盒，如附图2所示，保温盒由壳体1、弹簧2、隔板3和加热层4组成；弹簧2共有两根，分别位于壳体1内部空间的左右两侧，弹簧2的上端焊接在壳体1的上表面；隔板3由导热良好的金属材料制成，比如铝，隔板3位于弹簧2的下面，弹簧2的下端焊接在隔板3的上表面，隔板3左右两端分别与壳体1的左侧壁面、右侧壁面接触并可上下滑动；加热层4由氯化钙也即生石灰制成，加热层4通过黏胶与隔板3的下表面固定连接。隔板3与壳体1的左侧壁面、右侧壁面以及下侧壁面形成密闭空间，密闭空间内放置有一定量的纯净水，以及填充有一定量的惰性气体，比如氮气。壳体1的左侧壁面、右侧壁面均开设有通孔，通孔位于隔板3的上方，光纤5分别贯穿通孔。
在本实施例中，保温盒埋在土壤里，空气的温度处于300K时，弹簧2均处于压缩状态，氮气的压力、隔板3以及加热层4的重力、弹簧2的压力三者处于平衡。当空气的温度骤然下降时，土壤的温度也会逐渐下降，使得氮气的温度下降，从而氮气的压力降低；在弹簧2的作用下，加热层4向下运动并与纯净水接触，从而产生热量；这些热量经过隔板3传入隔板3与壳体1的左侧壁面、右侧壁面以及上侧壁面形成密闭空间内的空气中，提高空气的温度，从而空气以热传导的形式对光纤5进行加热保温。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (7)
1.多参数分布式光纤信号解调仪，其特征在于，包括：
预处理单元，用于按照预设的温度变化范围，采用循环升温与降温的方式对多参数分布式光纤的传感区域进行处理；
采集单元，用于采集多参数分布式光纤的斯托克斯信号与反斯托克斯信号；
转换单元，用于将斯托克斯信号转换为第一电流信号，并将反斯托克斯信号转换为第二电流信号；
调试单元，用于对第一电流信号及第二电流信号进行调试，以使第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预设时间区间内的重合程度达到预设重合阈值；
计算单元，用于根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量以及第二电流信号的光通量计算温度值；
对于光纤暴露在空气中的部分保持恒温，还包括温度传感器、控制器、加热器和风力发电机，其中，风力发电机将风能转换为电能，温度传感器实时检测环境温度，并将环境温度发送到控制器，控制器接收到环境温度以后，先判断环境温度是否低于光纤的工作温度的最低值，计算温度变化速率，发送控制指令到加热器，使其以逆反抗对光纤熔接处进行加热，直到其温度处于光纤的工作温度以内；
对于光纤埋没在土壤中的部分保持恒温，采用保温盒，保温盒由壳体、弹簧、隔板和加热层组成；弹簧共有两根，分别位于壳体内部空间的左右两侧，弹簧的上端焊接在壳体的上表面；隔板由金属材料制成，隔板位于弹簧的下面，弹簧的下端焊接在隔板的上表面，隔板左右两端分别与壳体的左侧壁面、右侧壁面接触并可上下滑动；加热层由氯化钙制成，加热层通过黏胶与隔板的下表面固定连接；隔板与壳体的左侧壁面、右侧壁面以及下侧壁面形成密闭空间，密闭空间内放置有纯净水，以及填充有惰性气体；壳体的左侧壁面、右侧壁面均开设有通孔，通孔位于隔板的上方，光纤分别贯穿通孔；
保温盒埋在土壤里，空气的温度处于300K时，弹簧均处于压缩状态，惰性气体的压力、隔板以及加热层的重力、弹簧的压力三者处于平衡；当空气的温度骤然下降时，惰性气体的温度下降，惰性气体的压力降低；在弹簧的作用下，加热层向下运动并与纯净水接触，产生热量；热量经过隔板传入隔板与壳体的左侧壁面、右侧壁面以及上侧壁面形成密闭空间内的空气中，提高空气的温度，空气以热传导的形式对光纤进行加热保温。
2.如权利要求1所述的多参数分布式光纤信号解调仪，其特征在于，预设的温度变化范围为-10~420℃。
3.如权利要求2所述的多参数分布式光纤信号解调仪，其特征在于，预处理单元还用于采用封装的方式消除多参数分布式光纤所受到的外界应力：将多参数分布式光纤穿入第一毛细管中，在第一毛细管的外壁上涂上密封胶，在第二毛细管内注入密封胶，将第一毛细管穿入第二毛细管中；将第一毛细管抽出，在多参数分布式光纤的两端施加预应力，直至密封胶固化为止。
4.如权利要求3所述的多参数分布式光纤信号解调仪，其特征在于，根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值包括：在重合程度达到预设重合阈值部分波形中预先设定参考位置；根据参考位置的温度值、参考位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量以及待测位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量计算待测位置的温度值。
5.如权利要求4所述的多参数分布式光纤信号解调仪，其特征在于，根据激光的发射时间以及反射信号的达到时间确定待测位置。
6.如权利要求5所述的多参数分布式光纤信号解调仪，其特征在于，根据激光的发射时间以及反射信号的达到时间确定待测位置包括：根据激光的发射时间以及反射信号的达到时间确定激光信号在光纤中的传播距离；根据激光的发射位置以及传播距离确定待测位置。
7.如权利要求6所述的多参数分布式光纤信号解调仪，其特征在于，采集多参数分布式光纤的斯托克斯信号与反斯托克斯信号之后，根据预先建立的噪声模型对采集的斯托克斯信号与反斯托克斯信号进行去噪。
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