CN113029386B - 多种光纤模式复合分布式光纤测温系统及自适应测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多种光纤模式复合分布式光纤测温系统及自适应测温方法，提出测温主机与外部感温光纤的发射和返回信号通过空间光耦合方式完成，使得光纤测温主机内部可以采用通用的光学系统，而无需为不同模式的光学匹配相应的光学器件及温度解算软件。此外测温主机通过自适应算法，对接收的拉曼散射信号强弱的阈值的判断，自动调整累加时间和测量周期，使光纤测温主机可以自动根据连接外部感温光缆的模式类型，从而实现同一款主机适配不同光纤。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，特别涉及适用于单模及多模光纤的拉曼散射温度测量系统，具体为一种多种光纤模式复合分布式光纤测温系统及自适应测温方法。
背景技术
分布式光纤拉曼温度传感系统是利用光纤中拉曼散射现象进行温度测量。具体来说入射的光脉冲会产生1450nm的反斯托克斯拉曼散射光和1660nm的斯托克斯拉曼散射光，反斯托克斯光对周围的温度变化较为敏感，可以用于探测周围的环境温度变化。
完整的分布式光纤拉曼温度传感系统主要由三部分组成，即用于温度感知的光纤、发射光波和探测后向散射信号的光纤测温主机和信号解析和温度解调软件。但由于感温光纤存在不同的模式，包括单模光纤(芯径9微米)和多模光纤，其中多模光纤又分为芯径50和62.5微米两种，这就导致分布式光纤拉曼传感系统内部需要不同模式的光器件，并且单模和多模传感系统的信号解析和温度解调软件方法不同。因此在生产、安装和实施中，需要根据不同的光纤去生产和选择相应不同的光纤测温主机，以及配置相应不同的软件，这就增加了对实际安装人员的专业知识和技能的要求。
如公开号CN110375880A的中国专利于2019年10月25日公开的分布式光纤测温系统及温度动态测量方法中所记载的，其测温系统包括分布式测温主机、测温光纤和终端设备，测温主机包括激光脉冲器、波分复用器、APD探测器、数据采集卡、主控板和温度监测模块；激光脉冲器发射激光脉冲；波分复用器接收激光脉冲后向测温光纤发送激光脉冲信号；测温光纤向波分复用器提供拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；波分复用器将散射光发送至APD探测器；APD探测器将光信号转换为模拟电信号发送至数据采集卡；数据采集卡将模拟电信号转换为电信号通过SPI总线发送给主控板；主控板接收到数字信号和和温度检测模块发送的实时温度后，计算得到待测物体的温度。该专利申请的创新点在于降低采集卡成本和提升温度测量精度，未考虑不同光纤与不同光纤测温主机之间的匹配问题。
公开号CN107990998A的中国专利于2020年1月10日公开了一种多通道分布式光纤测温装置及方法，其测温装置由硬件电路、激光器、探测器、波分复用器、激励光投送光纤、光纤耦合器和感温光纤组成。与传统分布式测温装置相比，该装置由激励光投送光纤和光纤耦合器代替了动作型光开关，主要解决了动作型光开关切换寿命短、切换速度慢的问题，其未解决光开关后面与光纤的连接问题，亦未考虑不同类型光纤与测温主机及温度解调软件之间的适配问题。
现有技术中暂未发现利用一个光纤测温主机适配不同类型光纤的相关文献公开。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种多种光纤模式复合分布式光纤测温系统及自适应测温方法，其可以一种光纤测温主机适配不同类型光纤，并可以根据散射信号进行自适应测温调整。
根据本发明说明书的一方面，提供了一种多种光纤模式复合分布式光纤测温系统，包括测温主机和感温光纤，所述测温主机包括脉冲激光器、波分复用器、光探测器、信号采集卡、信号处理板卡、温度参考光纤、光开关和空间光耦合器；其中，所述脉冲激光器分别与波分复用器和信号采集卡连接，所述波分复用器还分别与温度参考光纤和光探测器连接，所述信号采集卡还分别与光探测器和信号处理板卡连接，所述温度参考光纤经光开关通过空间光耦合器与感温光纤连接。
上述技术方案中，所述脉冲激光器产生激光脉冲，所述波分复用器接收激光脉冲后，向所述温度参考光纤发送激光脉冲，所述温度参考光纤通过空间光耦合方式将激光脉冲信号耦合至感温光纤；所述感温光纤接收到激光脉冲信号后，返回拉曼散射光信号，所述拉曼散射光信号通过空间光耦合方式耦合经光开关至温度参考光纤，由所述温度参考光纤发送至波分复用器；所述波分复用器将拉曼散射光信号发送至光探测器，所述光探测器将拉曼散射光信号发送至信号采集卡；所述信号采集卡将信号发送至信号处理板卡，所述信号处理板卡根据信号的强度将测量周期参数传输至信号采集卡，所述信号采集卡根据该测量周期参数控制脉冲激光器的重复率和脉宽等参数。
作为进一步的技术方案，所述感温光纤包括单模光纤和多模光纤。单模光纤芯径9微米，多模光纤包括芯径50微米和芯径62.5微米。不同模式的光纤的拉曼散射信号强度不同，一般说来，不同模式光纤的散射信号强弱顺序为：多模62.5微米>多模50微米>单模9微米。
作为进一步的技术方案，所述信号处理板卡中内置有温度解调程序，所述温度解调程序用于根据不同模式光纤拉曼散射信号强度的不同，自适应调整信号的累加时间和测量周期。因为对于不同模式的光纤，其信号解析和温度解调软件不同，因此，本申请提供一种自适应信号处理方法，能够根据不同模式光纤的信号强度不同，自适应调整累加时间和测量周期，在不改变测温主机及温度解调软件的情况下，自适应完成多种模式光纤的温度测量。
作为进一步的技术方案，多模光纤的累加时间为秒级，单模光纤的累加时间为分钟级。
作为进一步的技术方案，所述信号采集卡用于控制脉冲激光器的重复率和脉宽，其中，多模光纤的脉宽较短且重复率较高，单模光纤的脉宽较宽且重复率较低。信号采集卡首先采集光探测器的信号，并将采集的信号输入信号处理板卡进行处理，信号处理板卡根据信号的强度将测量周期参数传输至信号采集卡，由信号采集卡控制脉冲激光器的重复率和脉宽等参数。
根据本发明说明书的另一方面，提供了一种多种光纤模式复合分布式光纤测温系统的自适应测温方法，采用所述的系统实现，所述方法包括：
接收感温光纤返回的散射信号并对信号强度进行判断；
若信号强度达到阈值，则固化累加时间和测量周期参数，进行温度解算；
若信号强度达不到阈值，则增加累加时间，延长测量周期，并返回再次进行信号强度判断。
上述技术方案中，光探测器探测返回的拉曼散射光信号，信号采集卡采集光探测器的信号并将该信号输入至信号处理板卡，信号处理板卡将接收的信号强度与预设的阈值进行比较判断；当接收的信号强度达到阈值时，则固化累加时间和测量周期参数，并依据当前的信号强度进行温度解算，得到所测温度；当接收的信号强度达不到阈值时，则信号处理板卡自动调整累加时间和测量周期，并将调整后的测量周期输送给信号采集卡，由信号采集卡根据该测量周期参数控制脉冲激光器的脉宽和重复率；信号处理板卡对经调整后接收到的信号再次进行信号强度判断，直到信号强度达到阈值，能够解算出所测温度为止。信号处理板卡对信号进行实时强度判断，在此期间，通过对接收的拉曼散射光信号强弱的阈值的判断，自动调整累加时间和测量周期，使光纤测温主机可以自动根据连接外部感温光缆的模式类型，进行自适应调整，从而实现同一款主机适配不同光纤，同时不需要安装人员进行参数设置，降低工程实施难度。
作为进一步的技术方案，对于多模感温光纤，所述累加时间为秒级，同时脉宽较短且重复率较高；对于单模感温光纤，所述累加时间为分钟级，同时脉宽较宽且重复率较低。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的测温系统中，所述脉冲激光器产生激光脉冲，所述波分复用器接收激光脉冲后，向所述温度参考光纤发送激光脉冲，所述温度参考光纤通过空间光耦合方式将激光脉冲信号耦合至感温光纤；所述感温光纤接收到激光脉冲信号后，返回拉曼散射光信号，所述拉曼散射光信号通过空间光耦合方式经光开关耦合至温度参考光纤，由所述温度参考光纤发送至波分复用器；所述波分复用器将拉曼散射光信号发送至光探测器，所述光探测器将拉曼散射光信号发送至信号采集卡；所述信号采集卡将信号发送至信号处理板卡，所述信号处理板卡根据信号的强度将测量周期参数传输至信号采集卡，所述信号采集卡根据该测量周期参数控制脉冲激光器的重复率和脉宽等参数；该测温系统与当前光纤测温主机内部通过光纤接插件与外部感温光纤连接不同，其采用空间光耦合方案，即测温主机与外部感温光纤的发射和返回信号通过空间光耦合方式，这样光纤测温主机内部可以采用通用的光学系统，而无需关心外部连接感温光纤的模式。
本发明提供的测温方法，通过对接收的拉曼散射信号强弱的阈值的判断，自动调整累加时间和测量周期，使光纤测温主机可以自动根据连接外部感温光缆的模式类型，进行自适应调整，从而实现同一款主机适配不同光纤，同时不需要安装人员进行参数设置，降低工程实施难度。
附图说明
图1为根据本发明实施例的多种光纤模式复合分布式光纤测温系统的示意图；
图2为根据本发明实施例的多种光纤模式复合分布式光纤测温系统的自适应测温方法的流程图。
图中：1、脉冲激光器，2、波分复用器，3、温度参考光纤，4、光开关、5、空间光耦合器，6、感温光纤，7、光探测器，8、信号采集卡，9、信号处理板卡。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例提供了一种多种光纤模式复合分布式光纤测温系统，包括测温主机和感温光纤，所述测温主机包括脉冲激光,1、波分复用器2、光探测器6、信号采集卡7、信号处理板卡8、温度参考光纤3、光开关4和空间光耦合器5；其中，所述脉冲激光器1分别与波分复用器2和信号采集卡7连接，所述波分复用器2还分别与温度参考光纤3、光开关和光探测器6连接，所述信号采集卡7还分别与光探测器6和信号处理板卡8连接，所述温度参考光纤3经光开关4通过空间光耦合器5与感温光纤6连接。
如图1所示，脉冲激光器1经过波分复用器2和温度参考光纤3，与现有光纤测温主机直接接入感温光纤6不同，本发明在光开关4和感温光纤6之间增加了5空间光耦合器。这样，无论外部光纤是何种模式，都可以接入到光纤测温主机。并通过波分复用2进入光探测器6，再经过信号采集卡7进行信号采集，在信号处理板卡8中进行温度解调。
但由于不同模式的光纤其拉曼散射信号强度不同，一般说来，散射信号强弱顺序为：多模62.5微米>多模50微米>单模9微米。由于信号强弱顺序不同，信号的累加时间和测量周期不同。因此，信号处理板卡8中信号的累加时间和测量周期就有所不同。本发明提出自适应调整算法，通过对接收的拉曼散射光信号强弱的阈值的判断，自动调整累加时间和测量周期，使光纤测温主机可以自动根据连接外部感温光缆的模式类型，进行自适应调整，从而实现同一款主机适配不同光纤，同时不需要安装人员进行参数设置，降低工程实施难度。
实施例2
本实施例提供一种多种光纤模式复合分布式光纤测温系统的自适应测温方法，采用所述的系统实现，如图2，所述方法包括：
光探测器6探测返回的拉曼散射光信号，信号采集卡7采集光探测器6的信号并将该信号输入至信号处理板卡8；
信号处理板卡8将接收的信号强度与预设的阈值进行比较判断；当接收的信号强度达到阈值时，则固化累加时间和测量周期参数，并依据当前的信号强度进行温度解算，得到所测温度；当接收的信号强度达不到阈值时，则信号处理板卡8自动调整累加时间和测量周期，并将调整后的测量周期输送给信号采集卡7，由信号采集卡7根据该测量周期参数控制脉冲激光器1的脉宽和重复率；
信号处理板卡8对经调整后接收到的信号再次进行信号强度判断，直到信号强度达到阈值，能够解算出所测温度为止。
在此期间，通过对接收的拉曼散射光信号强弱的阈值的判断，自动调整累加时间和测量周期，使光纤测温主机可以自动根据连接外部感温光缆的模式类型，进行自适应调整，从而实现同一款主机适配不同光纤，同时不需要安装人员进行参数设置，降低工程实施难度。
通常为取得较好的温度测量精度，多模测温光纤的累加时间为秒级，同时脉宽较短且重复率较高；而单模光纤的累加时间为分钟级，脉宽较宽且重复率较低。本发明的自适应调整流程，可以不需要安装人员对设备原理、光纤模式类型等了解和培训，降低工程实施难度。
最后应说明的是：以上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实施例技术方案。
Claims (6)
1.多种光纤模式复合分布式光纤测温系统，其特征在于，包括测温主机和感温光纤，所述测温主机包括脉冲激光器、波分复用器、光探测器、信号采集卡、信号处理板卡、温度参考光纤、光开关和空间光耦合器；其中，所述脉冲激光器分别与波分复用器和信号采集卡连接，所述波分复用器还分别与温度参考光纤和光探测器连接，所述信号采集卡还分别与光探测器和信号处理板卡连接，所述温度参考光纤经光开关通过空间光耦合器与感温光纤连接；所述信号处理板卡中内置有温度解调程序，所述温度解调程序用于根据不同模式光纤拉曼散射信号强度的不同，自适应调整信号的累加时间和测量周期。
2.根据权利要求1所述的多种光纤模式复合分布式光纤测温系统，其特征在于，所述感温光纤包括单模光纤和多模光纤。
3.根据权利要求1所述的多种光纤模式复合分布式光纤测温系统，其特征在于，多模光纤的累加时间为秒级，单模光纤的累加时间为分钟级。
4.根据权利要求1所述的多种光纤模式复合分布式光纤测温系统，其特征在于，所述信号采集卡用于控制脉冲激光器的重复率和脉宽，其中，多模光纤的脉宽较短且重复率较高，单模光纤的脉宽较宽且重复率较低。
5.多种光纤模式复合分布式光纤测温系统的自适应测温方法，采用如权利要求1-4中任一项所述的系统实现，其特征在于，所述方法包括：
接收感温光纤返回的散射信号并对信号强度进行判断；
若信号强度达到阈值，则固化累加时间和测量周期参数，进行温度解算；
若信号强度达不到阈值，则增加累加时间，延长测量周期，并返回再次进行信号强度判断。
6.根据权利要求5所述的多种光纤模式复合分布式光纤测温系统的自适应测温方法，其特征在于，对于多模感温光纤，所述累加时间为秒级，同时脉宽较短且重复率较高；对于单模感温光纤，所述累加时间为分钟级，同时脉宽较宽且重复率较低。
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Inventor after: Xu Jindong Inventor after: Xie Hui Inventor after: Chen Zhiqiang Inventor after: Wang Duochao Inventor after: Peng Guofan Inventor after: Liao Xin Inventor before: Xu Jindong Inventor before: Shan Xinyun Inventor before: Xie Hui Inventor before: OuYang Bao Inventor before: Chen Zhiqiang Inventor before: Wang Duochao Inventor before: Peng Guofan Inventor before: Liao Xin |
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| GR01 | Patent grant | ||
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