CN113091946A - 混沌分布式光纤拉曼温度传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤传感领域，公开了一种混沌分布式光纤拉曼温度传感装置和方法，装置包括宽频混沌激光发生器，其发出激光经调制后变成脉冲信号，然后分为两束，其中一束作为参考光束被第二探测器探测；另一束作为探测光束经波分复用器后入射到传感光纤，产生的后向拉曼散射光经波分复用器、掺铒光纤放大器后，被第一探测器探测；数据采集卡采集两个光电探测器的探测信号后发送至计算机；计算机用于对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构，进行时域相关压缩运算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。本发明可以达到毫米量级的空间分辨率，提高了系统的信噪比，温度精度且无需定标过程。

Description

混沌分布式光纤拉曼温度传感装置及方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种基于时域相关压缩的分布式光纤拉曼传感装置和方法，其空间分辨率可达毫米量级。

背景技术

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。在分布式光纤拉曼传感系统中，传感光纤沿线的环境温度可以对光纤中的拉曼散射光进行强度调制，系统通过采集这些携带着温度信息的拉曼散射光，经过解调就可以得到传感光纤沿线的温度变化情况。分布式光纤拉曼传感系统具有环境适应能力强、抗电磁干扰、检测范围大、温度精度高等优点，因此被广泛应用于煤矿、油气管道、桥梁、建筑等温度安全监测领域。

在分布式光纤拉曼传感系统中，空间分辨率是一项主要的技术指标，可以反映测温系统中能够分辨光纤温度变化的最小长度。该系统所用探测信号为脉冲信号，定位原理为脉冲时间飞行法，这种方法采集得到的拉曼后向散射信号并非传感光纤L位置点的光强信息，而是大小为半个脉冲宽度的一段传感光纤上的光强信息叠加，这使得传统分布式拉曼传感系统空间分辨率受限于脉冲宽度。

基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率受限于OTDR原理，导致其难以突破1m的技术难题，以及系统解调温度前需要进行定标处理。

发明内容

为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率受限于OTDR原理，导致其难以突破1m的技术难题，以及系统解调温度前需要进行定标处理。本发明提出了一种基于时域相关压缩的分布式光纤拉曼传感装置和方法，该方法可以准确识别并解调出光纤沿线温度突变点信息且不需要定标过程，最终实现光纤沿线的毫米量级空间分辨率测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种混沌分布式光纤拉曼温度传感装置，包括半导体激光器，环形器，耦合器，偏振控制器，衰减器，隔离器，调制器，脉冲信号发生器，光纤耦合器，波分复用器，传感光纤，掺铒光纤放大器，第一光电探测器，第二光电探测器，数据采集卡和计算机；

所述半导体激光器发出的激光经环形器、耦合器后分为两路，一路光经偏振控制器、衰减器后形成混沌光，然后经环形器回到半导体激光器，使半导体激光器输出混沌光，混沌光经环形器、耦合器、隔离器后入射到声光调制器，经声光调制器之后变成脉冲信号，然后经光纤耦合器分为两束，其中一束作为参考光束被第二探测器探测；另一束作为探测光束经波分复用器后入射到传感光纤，在传感光纤中产生的后向拉曼散射光经波分复用器、掺铒光纤放大器后，被第一探测器探测；数据采集卡采集第一光电探测器，第二光电探测器的探测信号后发送至所述计算机；

所述计算机用于对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌拉曼后向散射信号，并通过将混沌脉冲参考信号和重构混沌拉曼后向散射信号进行时域相关压缩运算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。

半导体激光器的工作波长为1550nm。

光纤耦合器的分光比为1:99，其中参考光为1，探测光为99，耦合器的分光比为50:50。

本发明还提供了一种混沌分布式光纤拉曼温度传感方法，采用所述的一种混沌分布式光纤拉曼温度传感装置实现，包括以下步骤：

S1、搭建传感装置，并进行混沌脉冲参考信号I_ref和混沌拉曼后向散射信号I_as(L)的数据采集；I_as(L)表示传感光纤L位置处的混沌拉曼后向散射信号强度；

S2、对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构；

S3、根据混沌脉冲参考信号和时域差分信号重构混沌拉曼后向散射信号，进行短尺度时域相关压缩系数的运算；

S4、寻找短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值，分别对应的延时采样点个数a₀和a₁，并计算温度突变位置，温度突变区域长度和温度突变区域温度信息。

所述步骤S2中，对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构的表达式为：

其中，F_as(L,i)表示传感光纤L位置处的混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构后第i个数据点的时域差分信号，I_as(L)和

分别表示传感光纤L位置处和

位置处的后向拉曼反斯托克斯光的强度，其中，1≤i≤W·f_s。

所述步骤S3中，进行短尺度时域相关压缩系数的运算公式如下：

其中，C(a)表示延时a个采样点时的短尺度时域相关压缩系数；N表示重构混沌拉曼后向散射信号总采样点个数，F_as(n)表示进行时域差分信号重构后第n个采样点的时域差分信号；I_ref(n+a)表示延时a个采样点的混沌脉冲参考信号；N表示重构混沌拉曼后向散射信号总采样点个数。

温度突变位置和温度突变区域长度的计算公式分别为：

L₁＝a₀·c/(2n₀·f_s)；

ΔL＝(a₁-a₀)·c/(2n₀·f_s)；

其中，a₀和a₁分别表示短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值分别对应的延时采样点个数，c表示光速，n₀表示光纤中的折射率，f_s表示采样率，L₁和△L分别表示温度突变位置和温变区域长度。

温度突变区域温度信息的计算公式为：

其中，C_peak表示短尺度时域相关压缩系数的正峰值，W表示脉冲宽度，f_s表示采样率，P_i为混沌脉冲激光第i个数据点的功率，K_a表示与拉曼反斯托克斯背向散射截面有关的系数，λ_a是拉曼反斯托克斯散射信号的波长，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，T₀表示非温变区传感光纤温度，

表示温变位置L₁处附加损耗信息，

为传感光纤L₁处的衰减信息，表示为

α₀、α_as分别是入射光和反斯托克斯光在传感光纤中单位长度上的损耗系数，ΔA_p(m)表示温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数，其计算公式为：

其中，m表示温度突变区域的长度ΔL在时间尺度内的表示，m＝ΔL·2n₀/c，△L表示温变区域长度，c表示光速，n₀表示光纤中的折射率。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明将混沌拉曼后向散射信号进行时域差分重构，在光纤沿线温度突变区域得到与混沌探测信号时序特征一致的混沌拉曼反斯托克斯信号，随后将重构的混沌拉曼后向散射信号与混沌探测信号进行短尺度时域相关压缩处理，根据相关峰值定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。时域差分重构方法消除了脉冲宽度对空间分辨率的限制，使得系统可以达到毫米量级的空间分辨率；短尺度时域相关压缩方法提高了系统的信噪比，提升了温度精度且无需定标过程。

附图说明

图1为本发明实施例中的分布式光纤拉曼传感装置的结构示意图；

图中：1-半导体激光器，2-环形器，3-耦合器，4-偏振控制器，5-衰减器，6-隔离器，7-调制器，8-脉冲信号发生器，9-光纤耦合器，10-波分复用器，11为传感光纤，12为掺铒光纤放大器，13为第一光电探测器，14第二光电探测器，15-数据采集卡，16-计算机。

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。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种混沌分布式光纤拉曼温度传感装置，其通过将宽频混沌激光源输出的脉冲激光分为两束，一束作为探测光束入射至传感光纤，在传感光纤中产生的背向混沌拉曼散射光被第一探测器探测，另一束作为参考光束被第二探测器探测；通过数据采集卡采集两个探测器的探测信号。

具体地，如图1所示，本实施例的一种混沌分布式光纤拉曼温度传感装置包括半导体激光器1，环形器2，50：50耦合器3，偏振控制器4，衰减器5，隔离器6，调制器7，脉冲信号发生器8，光纤耦合器9，波分复用器10，传感光纤11，掺铒光纤放大器12，第一光电探测器13，第二光电探测器14，数据采集卡15和计算机16。

所述半导体激光器1的输出端与环形器2的a端连接；环形器2的b端与耦合器3的a端连接；耦合器3的c端与偏振控制器4连接，偏振控制器4与衰减器5连接；耦合器3的b端与波分复用器6连接，波分复用器6与调制器7的a端连接，调制器7的b、c端口分别与光纤耦合器9的a端及脉冲信号发生器8连接；光纤耦合器9的b端口、c端口分别与波分复用器10的a端及第二光电探测器14连接；波分复用器10的b、c端分别与传感光纤11以及掺铒光纤放大器12连接；掺铒光纤放大器12与第一光电探测器13连接；第一光电探测器13与数据采集卡15连接；第二光电探测器14与数据采集卡15连接；数据采集卡15与计算机16连接。

所述半导体激光器1发出的激光经环形器2、耦合器3后分为两路，一路光经偏振控制器4、衰减器5后形成混沌光，然后经环形器回到半导体激光器，于是半导体激光器1会有源源不断的混沌光输出，然后混沌光经环形器2、耦合器3、隔离器6后入射到声光调制器7，经声光调制器7之后，连续混沌光变成脉冲信号，然后经光纤耦合器9分为两束，其中一束作为参考光束被第二探测器14探测；另一束作为探测光束经波分复用器10后入射到传感光纤11，在传感光纤11中产生的背向拉曼散射光经波分复用器10、掺铒光纤放大器12，被第一探测器13探测；通过数据采集卡15采集第一光电探测器13，第二光电探测器14的探测信号并发送至所述计算机16。

进一步地，半导体激光器1的工作波长为1550nm，脉冲激光经过分支比为1：99的光纤耦合器9后，分为参考路和探测路；光纤耦合器9用于将脉冲激光分为功率比为1：99的参考光和探测光。探测路的混沌脉冲激光经波分复用器后进入传感光纤，在传感光纤中产生背向混沌拉曼散射光从波分复用器的1450nmc端口发出。所述调制器7可以为声光调制器。

所述计算机16用于对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌拉曼后向散射信号，并通过将混沌脉冲参考信号和重构混沌拉曼后向散射信号进行时域相关压缩运算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。

实施例二

本实施例提供了一种混沌分布式光纤拉曼温度传感方法，其基于实施例的一种装置实现，通过时域差分信号重构方法对后向拉曼散射信号进行重构，短尺度时域相关压缩方法定位和解调光纤沿线温度突变点温度信息，其具体包括以下步骤：

S1、搭建传感装置，并进行混沌脉冲参考信号I_ref和混沌拉曼后向散射信号I_as(L)的数据采集；I_as(L)表示传感光纤L位置处的混沌拉曼后向散射信号强度；

S2、对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构；

S3、根据混沌脉冲参考信号和时域差分信号重构混沌拉曼后向散射信号，进行短尺度时域相关压缩系数的运算；

S4、寻找短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值，分别对应的延时采样点个数a₀和a₁，并计算温度突变位置，温度突变区域长度和温度突变区域温度信息。

下面介绍本实施例的传感原理。

一、混沌脉冲参考信号、混沌拉曼后向散射信号光强处理

(1)混沌拉曼后向散射信号的采集与处理。

在温度解调中，设激光脉冲宽度为W，传感光纤L位置处的后向拉曼散射信号(anti-Stokes)强度为：

I_as(LL)＝K_a·λ_a ^-4·P·R_as(T)·exp[-(α₀+α_as)·L] (1)

式中P为脉冲激光的入射功率，K_a表示与拉曼反斯托克斯背向散射截面有关的系数，λ_a是拉曼反斯托克斯散射信号的波长，α₀、α_as分别是入射光和反斯托克斯光在传感光纤中单位长度上的损耗系数，L为传感光纤的位置，R_as(T)是反斯托克斯散射光的温度调制函数：

其中，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，T为传感光纤温度。

实际上，在分布式光纤拉曼传感系统中，由于光时域反射原理和时间飞行法定位原理，采集系统采集到传感光纤某一位置的拉曼反斯托克斯信号并不是传感光纤该点受温度调制的光强信息，而是脉宽尺度内传感光纤沿线所激发的拉曼散射光强信息累加。基于宽频混沌激光的分布式光纤拉曼传感系统，宽频混沌激光具有随机起伏特性。因此，将脉宽为W的混沌脉冲信号注入传感光纤，高速数据采集卡采集到传感光纤L位置处的混沌拉曼后向散射信号强度可以表示为：

其中，P_i为混沌脉冲激光第i个数据点的功率，f_s为采样率，W·f_s为混沌脉冲信号在f_s采样率下的单位脉冲数据点个数，W_i为i个数据点对应的脉冲宽度，W_i＝i/f_s，

为位置L-W_i·c/2n₀处的反斯托克斯散射光的温度调制函数值，表征了单位长度受温度调制的反斯托克斯光子后向散射因子，c为光在传感光纤中的传播速度，n₀为传感光纤的折射率。

(2)混沌脉冲参考信号的采集与处理。

半导体激光器1发出的脉冲混沌激光经过光纤耦合器9的c端口，由采集卡15收集得到参考信号为:

I_ref(i)＝P_i,1≤i≤W·f_s； (4)

(3)基于时域差分信号重构方法重新构建混沌拉曼后向散射信号。

采集得到的混沌拉曼后向散射信号，其每个采样点均为整个混沌脉冲序列的光强信息叠加且受传感光纤温度突变区域调制的混沌信号不断发生变化。基于此，将后向散射信号进行重构，时域差分重构方法表达式为：

其中，F_as(L，i)为重构混沌拉曼后向散射信号。

设温变区温度为T₁，非温变区的温度为T₀，位置为L₁，ΔL为温度突变区域的长度(空间尺度)，其长度大小在时间尺度内表示为m，其中m＝ΔL·2n₀/c，经时域差分重构处理后，得到非温度突变区域重构混沌拉曼后向散射信号为0，温度突变点位置的重构拉曼后向散射信号F_as(L₁,i)表示为：

其中，

是附加损耗信息，可以由公式(7)表示:

其中，

通过公式(3)可以看出，采集到的每个信号点实际为脉冲尺度长度的光纤叠加，本发明实施例中，通过公式(5)时域的差分操作，将公式(3)所示的反斯托克斯信号进行差分处理，时域差分之后的反斯托克斯信号如公式(6)所示，对比公式(3)和(6)可看出，经过时域差分处理后的反斯托克斯信号不再是信号累加，这样就消除了脉冲宽度限制的空间分辨率问题，提升了空间分辨率，然后再做自相关根据相关峰确定出温变区的位置和温度，因此，本发明的空间分辨率取决于相关峰的半高全宽。

二、利用短尺度时域相关压缩方法进行定位。

将混沌脉冲参考信号和重构混沌拉曼后向散射信号进行短尺度时域相关压缩运算，运算公式如下：

其中C(a)为短尺度时域相关压缩系数公式，N表示重构混沌拉曼后向散射信号总采样点个数，F_as(n)表示重构混沌拉曼后向散射信号的第n个采样点，I_ref(n+a)表示延时a个采样点的混沌脉冲参考信号。

当参考信号延时a₀个采样点到温度突变区域起始端点位置时相关系数呈现正峰值，因此可以确定温度突变区域位置为：

L₁＝a₀·c/(2n₀·f_s)。 (9)

当参考信号延时a₁个采样点到温度突变区域另一端点位置时相关系数呈现负峰值，根据两峰值延时差值即可确定温度突变区域长度，即温度突变区域长度的计算公式为：

ΔL＝(a₁-a₀)·c/(2n₀·f_s)。 (10)

三、利用短尺度时域相关压缩正峰值解调温度。

将参考信号与温度突变位置的重构混沌拉曼后向散射信号进行相关短尺度时域压缩，相关正峰值表达式为：

为了分析温度突变区域长度对相关峰值的影响，引入参考信号自相关函数A(m)，m≤W，m为温度突变区域的空间尺度长度大小在时间尺度内表示，其表达式为：

定义温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数ΔA_p(m)，表示为：

结合公式(4)(6)，对公式(11)进行展开，并结合式(13)，可以得到：

结合R_as(T)＝[exp(hΔν/kT)-1]^-1提取温度突变区域温度信息，其解调方程如公式(15)所示。

综上所述，本发明将混沌拉曼后向散射信号进行时域差分重构，在光纤沿线温度突变区域得到与混沌探测信号时序特征一致的混沌拉曼反斯托克斯信号，随后将重构的混沌拉曼后向散射信号与混沌探测信号进行短尺度时域相关压缩处理，根据相关峰值定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。时域差分重构方法消除了脉冲宽度对空间分辨率的限制，使得系统可以达到毫米量级的空间分辨率。本发明的空间分辨率主要受限于相关峰值的半高全宽，例如：6.0GHz带宽的混沌激光的相关峰值半高全宽为0.05ns，理论空间分辨率为0.5cm。因此，本发明通过短尺度时域相关压缩方法提高了系统的信噪比，提升了温度精度且无需定标过程。

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 (8)

1.一种混沌分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于，包括半导体激光器（1），环形器（2），耦合器（3），偏振控制器（4），衰减器（5），隔离器（6），调制器（7），脉冲信号发生器（8），光纤耦合器（9），波分复用器（10），传感光纤（11），掺铒光纤放大器（12），第一光电探测器（13），第二光电探测器（14），数据采集卡（15）和计算机（16）；

所述半导体激光器1发出的激光经环形器（2）、耦合器（3）后分为两路，一路光经偏振控制器（4）、衰减器（5）后形成混沌光，然后经环形器（2）回到半导体激光器（1），使半导体激光器（1）输出混沌光，混沌光经环形器（2）、耦合器（3）、隔离器6后入射到声光调制器（7），经声光调制器（7）之后变成脉冲信号，然后经光纤耦合器（9）分为两束，其中一束作为参考光束被第二探测器（14）探测；另一束作为探测光束经波分复用器（10）后入射到传感光纤（11），在传感光纤（11）中产生的后向拉曼散射光经波分复用器（10）、掺铒光纤放大器（12）后，被第一探测器（13）探测；数据采集卡（15）采集第一光电探测器（13），第二光电探测器（14）的探测信号后发送至所述计算机（16）；

所述计算机（16）用于对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构，得到短尺度下的混沌拉曼后向散射信号，并通过将混沌脉冲参考信号和重构混沌拉曼后向散射信号进行时域相关压缩运算，进而定位和解调光纤沿线的温度突变点信息。

2.根据权利要求1所述的一种混沌分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于，半导体激光器（1）的工作波长为1550nm。

3.根据权利要求1所述的一种混沌分布式光纤拉曼温度传感装置，其特征在于，光纤耦合器（9）的分光比为1:99，其中参考光为1，探测光为99，耦合器（3）的分光比为50:50。

4.一种混沌分布式光纤拉曼温度传感方法，采用权利要求1所述的一种混沌分布式光纤拉曼温度传感装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建传感装置，并进行混沌脉冲参考信号I_ref和混沌拉曼后向散射信号I_as（L）的数据采集；I_as（L）表示传感光纤L位置处的混沌拉曼后向散射信号强度；

S2、对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构；

S3、根据混沌脉冲参考信号和时域差分信号重构混沌拉曼后向散射信号，进行短尺度时域相关压缩系数的运算；

S4、寻找短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值，分别对应的延时采样点个数a₀和a₁，并计算温度突变位置，温度突变区域长度和温度突变区域温度信息。

5.根据权利要求4所述的一种混沌分布式光纤拉曼温度传感方法，其特征在于，所述步骤S2中，对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构的表达式为：

；

其中，F _as（L,i）表示传感光纤L位置处的混沌拉曼后向散射信号进行时域差分信号重构后第i个数据点的时域差分信号，

和

分别表示传感光纤L位置处和

位置处的后向拉曼反斯托克斯光的强度，其中，

。

6.根据权利要求4所述的一种混沌分布式光纤拉曼温度传感方法，其特征在于，所述步骤S3中，进行短尺度时域相关压缩系数的运算公式如下：

其中，C（a）表示延时a个采样点时的短尺度时域相关压缩系数；N表示重构混沌拉曼后向散射信号总采样点个数，F _as（n）表示进行时域差分信号重构后第n个采样点的时域差分信号；I _ref (n+a)表示延时a个采样点的混沌脉冲参考信号；N表示重构混沌拉曼后向散射信号总采样点个数。

7.根据权利要求4所述的一种混沌分布式光纤拉曼温度传感方法，其特征在于，温度突变位置和温度突变区域长度的计算公式分别为：

；

；

其中，a₀和a₁分别表示短尺度时域相关压缩系数的正峰值和负峰值分别对应的延时采样点个数，c表示光速，n₀表示光纤中的折射率，f _s表示采样率，L₁和△L分别表示温度突变位置和温变区域长度。

8.根据权利要求4所述的一种混沌分布式光纤拉曼温度传感方法，其特征在于，温度突变区域温度信息的计算公式为：

；

其中，C _peak 表示短尺度时域相关压缩系数的正峰值，W表示脉冲宽度，f _s表示采样率，P _i 为混沌脉冲激光第i个数据点的功率，K _a 表示与拉曼反斯托克斯背向散射截面有关的系数，λ _a 是拉曼反斯托克斯散射信号的波长，Δν为拉曼频移，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，T ₀ 表示非温变区传感光纤温度，Δφ(L ₁)表示温变位置L ₁处附加损耗信息，φ(L ₁)为传感光纤L ₁ 处的衰减信息，表示为

，α ₀ 、α _as 分别是入射光和反斯托克斯光在传感光纤中单位长度上的损耗系数，

表示温度突变区域长度对正相关峰值的影响函数，其计算公式为：

其中，m表示温度突变区域的长度ΔL在时间尺度内的表示，

，△L表示温变区域长度，c表示光速，n₀表示光纤中的折射率。

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