CN113155309B - 一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，具体公开了一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，直接通过采集到的采样点总数，计算斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号的折射率之比，再计算两路光信号同一数据点对应的实际距离差，根据距离差使用插值法来校准两路信号光，接着对两路信号光进行重采样，得到匹配的斯托克斯信号光和反斯托克斯信号光的数据点，最后进行解调，从而实现对光纤色散的补偿，避免了测量前繁琐的定标操作，实现温度的精确测量，能满足能源开采中温度监测的需求。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法。
背景技术
近些年随着国家经济水平的持续提高，不仅加大了对能源的需求，也更关注能源开采的安全监测，而监测温度石油管道电力设备上的温度场变化是其中关键一环。目前主要采用的是分布式光纤拉曼测温系统，利用背向拉曼散射信号具有的温度效应，可以测得分布式光纤传感系统中光纤上温度的相关信息，而后利用光时域反射原理对光纤上的各处进行定位，得到一整段光纤上的温度分布场。
由于光纤的色散效应，斯托克斯信号与反斯托克斯信号的波长不同时，其在光纤中的传播速度也不同，因此同一位置散射回来的两种后向散射信号到达光电探测器的时间不同，导致A/D变换模块采集到的两路信号并非来自同一位置。该信号错位现象会引入测量误差，且传感距离越长测量误差越大，最终导致测温结果产生误差。
传统方法通常是在斯托克斯散射光信号传输通道中加入补偿光纤，使同一个位置散射回来的斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号信号同时被采集卡采集并处理，但是这种方法只能针对特定长度的传感光纤，一旦测温距离发生改变，这种方法便不能准确对色散进行补偿，而且补偿光纤的长度很难确定，传统的定标方法灵活度太差，为了更好地降低光纤色散对测温精度的影响，需要一种新的色散修正算法克服光纤色散带来的测温精度误差的问题。
发明内容
本发明主要提供一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，能够避免了测量前繁琐的定标操作，克服光纤色散带来的测温精度误差的问题，实现温度的精确测量。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，所述方法包括以下内容：
根据采样点数获得斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号的折射率关系；
计算斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号中采样点对应的实际距离差；
根据所述实际距离差使用插值法来校准斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号；
对校准之后的斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号进行重采样并进行温度解调。
优选地，斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号的折射率关系为：
其中，nas为反斯托克斯散射光的折射率，na为反斯托克斯散射光的采样点数，Nas为斯托克斯散射光的折射率，Na为斯托克斯散射光的采样点数。
优选地，计算斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号中采样点对应的实际距离差包括：
计算斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号中同一采样点对应的实际距离差以及相邻采样点对应的实际距离ΔL。
优选地，所述校准包括：以斯托克斯光信号为基准，校准反斯托克斯光信号；在nΔL处插入新采样点，新采样点的值为第n个数据点及第n+1个数据点连线的中点值。
优选地，所述重采样包括：
上采样，在斯托克斯光信号的采样点中插入至少一个点，得到一组数据点xas[n]，在反斯托克斯光信号的采样点中插入至少一个点，得到一组数据点xa[m]，使得两路光信号变为点数相同的光信号。
卷积，将xas[n]和低通滤波器h[n]作卷积，将xa[m]和低通滤波h[m]作卷积，即计算信号通过低通滤波器的结果；
下采样，对卷积后的xas[n]和xa[m]进行等间距取点。
优选地，在每两个相邻采样点之间插入一个点，插入点的值为相邻采样点连线的中点值；
该插值过程重复M次(M≥2)，第M次插值后：
其中，ΔS为插值前同一采样点对应的距离差，ΔSM为插值M次后同一采样点对应的距离差。
优选地，对卷积后的xas[n]和xa[m]进行等间距取点包括：对卷积后的xas[n]每隔R个采样点抽取一个点，得到一组数据点Yas[n]，对卷积后的xa[m]每隔R个采样点抽取一个点，得到一组数据点Ya[n]，需保证抽取后，两组数据点数相等；
其中，
其中，
代表向下取整，NM代表M次插值后信号总点数，N代表插值前信号总采样点数。
优选地，所述方法还包括：使用APD将斯托克斯散射光信号和反斯托克斯散射光的光信号转换成电信号，使用数据采集卡读取两路光的电信号，得到采样点数。
优选地，根据采样率计算实际距离ΔL的计算公式为：
其中c为光速，n为光纤折射率，fs为数据采集卡采样率。
优选地，斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号中同一采样点对应的实际距离差为：
ΔS＝|Sas-Ss|，其中，Sas、Ss分别代表同一时间内，斯托克斯散射光信号和反斯托克斯散射光信号在光纤中传输的距离。
对应的用折射率表示的计算公式为：
其中，nas为反斯托克斯散射光的折射率，ns为反斯托克斯散射光的折射率，c为光速，t为光传输时间；
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果如下：不需要在实际测量前进行定标操作，直接在测量中对采集到的实际数据上直接使用新算法对光纤的色散进行补偿，通过采集到采样点总数，计算两路光信号的折射率之比，再计算两路光信号同一采样点对应的实际距离差，根据距离差ΔS使用插值法来校准两路信号光，最后对两路信号光进行重采样，得到匹配的斯托克斯信号光和反斯托克斯信号光的数据点，最后进行解调，从而实现对光纤色散的补偿，避免了测量前繁琐的定标操作，实现了温度的精确测量，能满足能源开采中温度监测的需求。
附图说明
图1是本发明一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚和完整，以下实施例结合附图对本发明作进一步地阐述。
实施例1
在一示例性实施例中，本发明提供一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)：使用APD将斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光信号转换成电信号，所述APD为光电探测模块，使用APD分别对斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光信号进行处理，然后使用数据采集卡读取两路光的电信号，采样点数的比值近似等于斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光在两条光纤上传输的折射率之比。
步骤(2)：两路光信号的采样数据点数均为N，对两束光进行采样的时间间隔相同，折射率的不同导致两束光的传播速度不同，因此相邻两次采样时两束光传输的实际距离不同，计算同一采样点对应的实际距离差ΔS＝|Sas-Ss|。Sas表示反斯托克斯散射光信号传输的距离，Ss表示斯托克斯散射光信号传输的距离。采样点数与数据采集卡的采样率有关。
步骤(3)：根据采集卡的采样率fs计算相邻数据点对应的实际距离ΔL，以斯托克斯光信号为基准，校准反斯托克斯光信号；根据所述实际距离差ΔL使用插值法来校准斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号。
步骤(4)：校准之后的两路信号光的数据点数不匹配，需要对两路信号光进行重采样，得到数据点匹配的两组信号光数据。
步骤(5)：使用重采样后的两组信号光数据进行温度解调，得到最终的温度数据。
本发明通过采集到采样点总数，计算两路光信号的折射率之比，再计算两路光信号同一采样点对应的实际距离差，根据距离差ΔS使用插值法来校准两路信号光，最后对两路信号光进行重采样，得到匹配的斯托克斯信号光和反斯托克斯信号光的数据点，最后进行解调，从而实现对光纤色散的补偿，避免了测量前繁琐的定标操作，实现了温度的精确测量。
实施例2
在该实施例中，计算斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号中同一采样点对应的实际距离差ΔS，计算公式为：
其中，nas为反斯托克斯散射光的折射率，ns为反斯托克斯散射光的折射率，c为光速，t为光传输时间。
所述插值法具体为：在nΔL处插入数据点，新数据点的值为第n个数据点及n+1个数据点连线的中点值。
进一步地，斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号的折射率关系为：
其中，nas为反斯托克斯散射光的折射率，na为反斯托克斯散射光的采样点数，Nas为斯托克斯散射光的折射率，Na为斯托克斯散射光的采样点数。
进一步地，第n个数据点及n+1个数据点连线的中点值为：
进一步地，所述重采样包括：
上采样，在斯托克斯光信号的采样点中插入至少一个点，得到一组数据点xas[n]，在反斯托克斯光信号的采样点中插入至少一个点，得到一组数据点xa[m]，使得两路光信号变为点数相同的光信号。
卷积，将xas[n]和低通滤波器h[n]作卷积，将xa[m]和低通滤波h[m]作卷积，即计算信号通过低通滤波器的结果；
下采样，对卷积后的xas[n]和xa[m]进行等间距取点。
具体地，在每两个相邻点之间插入一个点，即第n个点和第n+1个点之间插入一个值，第n+1个点和第n+2个点之间插入一个值，以此类推，插入点的值为相邻采样点连线的中点值。
该插值过程重复M次(M≥2)，插值次数可以大幅降低两路光同一采样点对应的距离差，第M次插值后：
其中，ΔS为插值前同一采样点对应的距离差，ΔSM为插值M次后同一采样点对应的距离差。
具体地，对卷积后的xas[n]和xa[m]进行等间距取点包括：对卷积后的xas[n]每隔R个采样点抽取一个点，得到一组数据点Yas[n]，对卷积后的xa[m]每隔R个采样点抽取一个点，得到一组数据点Ya[n]，需保证抽取后，两组数据点数相等；
其中，
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代表向下取整，NM代表M次插值后信号总点数，N代表插值前信号总采样点数。/>
Claims (7)
1.一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，其特征在于：包括以下内容：
根据斯托克斯散射光信号的采样点数与反斯托克斯散射光信号的采样点数得到两路散射光信号的折射率关系；所述斯托克斯散射光信号和反斯托克斯散射光信号为光纤传输中两路后向散射光信号；
斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号的折射率关系为：
其中，nas为反斯托克斯散射光的折射率，na为反斯托克斯散射光的采样点数，Nas为斯托克斯散射光的折射率，Na为斯托克斯散射光的采样点数；
计算斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号中采样点对应的实际距离差；计算斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号中采样点对应的实际距离差包括：
计算斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号中同一采样点对应的实际距离差ΔS，计算公式为：
其中，nas为反斯托克斯散射光的折射率，ns为反斯托克斯散射光的折射率，c为光速，t为光传输时间；
计算相邻采样点对应的实际距离ΔL，该距离与数据采集卡的采样速率相关；
根据所述实际距离差使用插值法来校准斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号；
对校准之后的斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号进行重采样并进行温度解调；
所述重采样包括：
上采样，在斯托克斯光信号的采样点中插入至少一个点，得到一组数据点xas[n]，在反斯托克斯光信号的采样点中插入至少一个点，得到一组数据点xa[m]，使得两路光信号变为点数相同的光信号,
卷积，将xas[n]和低通滤波器h[n]作卷积，将xa[m]和低通滤波h[m]作卷积，即计算信号通过低通滤波器的结果；
下采样，对卷积后的xas[n]和xa[m]进行等间距取点。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，其特征在于：
所述校准包括：以斯托克斯光信号为基准，校准反斯托克斯光信号；在nΔL处插入新采样点，新采样点的值为第n个数据点及第n+1个数据点连线的中点值。
3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，其特征在于：
在每两个相邻采样点之间插入一个点，插入点的值为相邻采样点连线的中点值；
该插值过程重复M次(M≥2)，第M次插值后：
其中，ΔS为插值前同一采样点对应的距离差，ΔSM为插值M次后同一采样点对应的距离差。
4.根据权利要求3所述的一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，其特征在于：
对卷积后的xas[n]和xa[m]进行等间距取点包括：对卷积后的xas[n]每隔R个采样点抽取一个点，得到一组数据点Yas[n]，对卷积后的xa[m]每隔R个采样点抽取一个点，得到一组数据点Ya[n]，需保证抽取后，两组数据点数相等；
其中，
其中，
代表向下取整，NM代表M次插值后信号总点数，N代表插值前信号总采样点数。
5.根据权利要求1所述的一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，其特征在于：
还包括：使用APD将斯托克斯散射光信号和反斯托克斯散射光的光信号转换成电信号，使用数据采集卡读取两路光的电信号，得到采样点数。
6.根据权利要求1所述的一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，其特征在于：
根据采样率计算实际距离ΔL的计算公式为：
其中c为光速，n为光纤折射率，fs为数据采集卡采样率。
7.根据权利要求1所述的一种分布式光纤拉曼测温系统中光纤色散的补偿方法，其特征在于：
斯托克斯散射光信号与反斯托克斯散射光信号中同一采样点对应的实际距离差为：
ΔS＝|Sas-Ss|，其中，Sas、Ss分别代表同一时间内，斯托克斯散射光信号和反斯托克斯散射光信号在光纤中传输的距离。
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| GR01 | Patent grant | ||
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