CN115931168A

CN115931168A - 一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法

Info

Publication number: CN115931168A
Application number: CN202310235292.6A
Authority: CN
Inventors: 介瑞敏; 刘波; 刘旭; 肖春
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2023-03-13
Filing date: 2023-03-13
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2043-03-13
Also published as: CN115931168B

Abstract

本发明公开一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，该方法考虑了两种拉曼散射光分量的衰减差随温度的变化导致的温度测量误差，在拉曼散射光功率比表达式中的衰减系数项中加入温度相关的补偿因子，并给出补偿后的待测温度表达式以及获取温度补偿因子的表达式的方法，从而消除温度相关的两拉曼散射光分量的衰减差导致的测量误差，使解调出的温度曲线与实际情况更加相符，提高了分布式光纤温度传感系统的测温精度和可靠性。

Description

一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法。

背景技术

光纤传感器有固有体积小、重量轻、抗电磁干扰、传感距离长等特性，因此成为一些复杂应用环境中不可替代的温度传感解决方案。其中，分布式光纤温度传感系统能够提供连续的时空温度分布信息，被广泛应用于大型基础设施结构安全监测，油气开采和火灾探测等诸多领域，是当前最广泛应用的光纤温度传感技术之一。

分布式光纤温度传感系统的探测原理主要基于光纤中后向散射光的探测，包括瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射三种，温度的变化导致散射光特性的改变，由此得到测量环境的温度分布。其中，拉曼散射过程只对温度变化敏感，因此基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术（RDTS）是其中最知名和成熟的技术。

RDTS的工作原理一般采用高能激光脉冲耦合进光纤，随着激光脉冲在光纤中传输，同时产生了前向和后向的散射光。拉曼的散射光中包含高频分量Anti-Stokes光和低频分量Stokes光。两个拉曼散射光分量对温度的敏感性不同，通过收集后向的这两种散射光可以判断光纤沿线的温度，利用对温度变化敏感的Anti-Stokes光和相对稳定的Stokes光或瑞利散射光信号强度的比值进行温度解调，可以消除光纤损耗、耦合效率等的影响，是一种自校准的方式，具有较好的长期稳定性。

分布式光纤温度传感系统主要的性能参数包括传感距离、空间分辨率、温度分辨率、温度精度和测量时间几个方面。其中温度精度用于表征系统测量的温度与实际温度之间的误差。可以通过温度解调过程的优化提升系统温度精度。实际应用中温度解调需要通过温度校准明确信号强度与温度的对应关系。在拉曼散射过程中，介质局部的Stokes和Anti-Stokes光的散射系数正比于微分散射截面：

；

其中 λ _S和 λ _A分别为Stokes和Anti-Stokes光波长， h为普朗克常量， K为玻尔兹曼常数，Δ ν为拉曼频移， T( z)为传感光纤位置 z处的温度。由上述两式对比可知Anti-Stokes光相比Stokes光对温度变化的响应更加敏感。除散射系数外，介质中 z位置处返回到入射端的散射光功率还与入射光功率以及光纤衰减系数等有关，具体可表示为：

其中， P ₀为入射光功率， K _A和 K _S分别为与Anti-Stokes和Stokes散射有关的系数， α ₀为泵浦光的衰减系数， α _S和 α _A分别为Stokes和Anti-Stokes散射光在光纤中的衰减系数。

传统的温度解调过程通过上述两拉曼散射光功率比值求解得到。两拉曼散射光功率比值为：

；

典型应用中，通常通过设定参考温度来消除上式中的未知参数，实现温度解调。将传感光纤置于已知的参考温度 T ₀下，此时两拉曼散射光分量的功率比值为：

；

由上述两式的比值可求得待测温度 T：

；

实际应用中，由于光源功率或探测器响应的波动，滤波器的隔离度不够导致的信号串扰，传感光纤的局部损耗以及两种拉曼散射光分量由于波长不同导致的传输损耗差等，都会影响解调结果的准确性。因此研究学者们针对这些问题提出了一系列方案以实现温度解调过程的优化。然而，针对拉曼散射光衰减系数随温度变化导致的测量误差的研究较少。2019年，太原理工大学的Li等人（LI J, ZHANG Q, XU Y, et al. High accuracydistributed temperature measurement using differencesensitive-temperaturecompensation for raman-based optical fiber sensing: 25[J]. Optics Express,2019, 27(25):36183）发现传感光纤的温度敏感性是随传感距离变化的，进而提出在拉曼散射光功率比表达式的指数温度相关项exp(-hΔv/KT)中加入距离相关的补偿因子，以提高测量温度精度的方法，而实质上导致这种测量误差的物理本质是拉曼散射光的衰减系数随温度的变化沿传感光纤的累积导致的。在大温度范围内，两个拉曼散射光分量在不同温度下衰减的速度不一样，而传统的温度解调方式并未考虑此点因素，因此会影响解调结果的温度精度。因此，研发一种能消除系统衰减差在不同温度下的变化导致的温度测量误差的方法对于提升分布式光纤温度传感系统性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，该方法考虑了两种拉曼散射光分量的衰减差随温度的变化导致的温度测量误差，在拉曼散射光功率比表达式中的衰减系数项中加入温度相关的补偿因子，并给出补偿后的待测温度表达式以及获取温度补偿因子的表达式的方法，从而消除温度相关的两拉曼散射光的衰减差导致的测量误差，使解调出来的温度曲线与实际情况相符，提高了分布式光纤温度传感系统的测温精度和可靠性。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，该方法包括：

S1：在分布式光纤温度传感系统连接的传感光纤上确定两特定位置 L _s和 L _c， L _c位于 L _s位置后远离DTS设备的一段光纤上；

S2：将整个所述传感光纤置于预校准温度 T ₀下，获得Anti-Stokes光和Stokes光沿传感光纤的信号强度，计算两者比值 R( L, T ₀)；取 L _c位置的拉曼散射光信号强度比 R( L _c, T ₀)和 L _s位置处的拉曼散射光信号强度比 R( L _s, T ₀)，计算比值 R( L _c, T ₀)/ R( L _s, T ₀)的数值；并根据Anti-Stokes和Stokes光沿传感光纤的信号强度的衰减，求得衰减系数的值；

S3：将 L _s前的光纤仍置于预校准温度 T ₀下， L _s后的光纤先后置于多个不同温度 T _c下，由测量得到的Stokes光和Anti-Stokes光信号强度计算得到 L _c位置处的拉曼散射光信号强度比 R _c (L _c, T _c )，而后计算得到 T _c温度下的温度补偿因子 C( T _c)的值：

S4：对不同 T _c温度下的温度补偿因子 C( T _c)的值进行拟合，得到温度补偿因子 C( T)的表达式；

S5：将整个所述传感光纤置于待测温度T下，获得待测温度T下的Anti-Stokes光和Stokes光的信号强度，求得两者比值 R(L,T)；将S4得到的温度补偿因子 C( T)的表达式加入拉曼散射光功率比表达式的指数衰减差项中，获得拉曼散射光功率比的新数学模型，使用新数学模型求解得到衰减差补偿后的待测温度。

进一步地，所述S3中 T _c温度下的温度补偿因子 C( T _c) 的数值求解表达式为：

；

其中， h为普朗克常量， K为玻尔兹曼常数；Δ ν为拉曼频移。

进一步地，所述S3中，改变 L _c的位置，获得同一温度下不同位置处的拉曼散射光信号强度比，代入 C( T _c)的数值求解表达式，得到同一温度下不同位置处的 C( T _c)的值，并求均值，并将均值作为该温度下的 C( T _c)的值。

进一步地，所述S4中，拟合得到温度补偿因子 C( T)的表达式时，选取多项式进行拟合。

进一步地，选取二阶多项式拟合得到温度补偿因子的表达式： C(T)=aT ² +bT+c；其中，a、b、c均为拟合得到的多项式系数。

进一步地，所述S5中，将传感光纤从DTS设备输出端到待测温度点L分为n个温区：0~L₁、L₁~L₂、···L_n-1~L，L为待测温度点到DTS设备输出端的距离。

进一步地，将温度补偿因子C(T)加入拉曼散射光功率比R(L ,T)表达式的指数衰减差项中，获得的拉曼散射光功率比的新数学模型如下：

其中， K _A和 K _S分别为与Anti-Stokes和Stokes光散射有关的系数， λ _S和 λ _A分别为Stokes和Anti-Stokes光波长；z为沿光纤的位置，α_A(z)和α_S(z)分别为位置z处Anti-Stokes和Stoke光的衰减系数；T₁、T₂···T_n分别为第一温区到第n温区的温度。

进一步地，由拉曼散射光功率比的新数学模型求得的衰减差补偿后的待测温度的计算公式如下：

将S4得到的温度补偿因子 C( T)的表达式代入该式，整理求得关于待测温度T的一元多次方程，结合实际应用场景，选取温度的唯一解作为测量温度的最终结果。

进一步地，求得的关于待测温度T的一元多次方程如下：

其中， A _n、 B _n、 C _n、 D _n均为多项式的系数；L₀=0；求解关于待测温度T的一元多次方程，得到位于传感光纤第n个温区的待测温度的最终结果。

进一步地，计算位于第n温区的待测温度时，需先依次求解第1个温区到第n-1个温区的温度。

本发明的有益效果如下：

本发明的一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法可以实现分布式光纤温度传感系统更精确的校准结果，消除系统的在不同温度下的两拉曼散射光分量的衰减差变化导致的温度测量误差，提升系统测量的温度精度。

附图说明

图1为拉曼分布式光纤温度传感系统的典型结构示意图。

图2为根据其中一个实施例分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法的流程图。

图3为本发明对分布式光纤温度传感系统进行衰减差补偿的实施例的实验装置图，其中，图3中的（a）为步骤S2中温度预校准过程使用的实验装置图，图3中的（b）为S3中温度补偿因子求解过程的实验装置图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为拉曼分布式光纤温度传感系统的典型结构，系统由脉冲激光源1，双向耦合器2，传感光纤3，滤波器4，雪崩光电探测器（APD）5和6以及信号采集和处理部分7组成。光源1发射的脉冲光经过双向耦合器2进入传感光纤3中，产生的拉曼后向散射光被双向耦合器2耦合至下端的信号检测光路，其中Anti-Stokes和Stokes光被滤波器4分离开来分别通过APD 5和6探测，最后将探测到的信号通过数据采集和后续的处理过程7实现温度解调。

在这样的分布式光纤温度传感系统中，原始的Anti-Stokes和Stokes光功率的比值表达式为：

（1）

其中， K _A和 K _S分别为与Anti-Stokes和Stokes散射有关的系数， λ _S和 λ _A分别为Stokes和Anti-Stokes光波长， h为普朗克常量， K为玻尔兹曼常数；Δ ν为拉曼频移， T为待求解的温度； L为待测温度点在传感光纤上的位置；z为沿光纤的位置，α_A(z)和α_S(z)分别位置z处Stokes和Anti-Stokes光的衰减系数。

本发明将两拉曼散射光Stokes光和Anti-Stokes光功率比 R的表达式中的指数衰减差项中加入温度补偿因子 C( T)，假设实际测量情况下，传感光纤从DTS设备输出端到待测温度点分为n个温区：0~L₁、L₁~L₂、···L_n-1~L，其中L为待测温度点到DTS设备输出端的距离；那么，建立补偿后的拉曼散射光功率比的数学模型如下：

（2）

其中，T₁、T₂···T_n分别为第一温区到第n温区的温度。 C( T)为两拉曼散射光分量的衰减差α_S(z)-α_A(z)的温度补偿因子，只与温度有关。

然后将光纤置于预校准温度 T ₀下，测量得到此时的拉曼散射光信号强度比 R( L, T ₀)：

（3）

将公式（2）与（3）作比值，得到：

（4）

即：

（5）

进而得到待测温度T的表达式：

（6）

其中， R( L, T ₀)和 R( L, T)分别由预校准过程和测量过程获得。

为了求得温度补偿因子 C( T)的表达式，考虑在传感光纤上确定一位置点 L _s，将 L _s位置前靠近DTS设备的光纤置于预校准温度 T ₀下， L _s位置后远离DTS设备的光纤均置于温度 T _c下。在 L _s位置后确定另一位置 L _c，此时 L _c位置处拉曼散射光信号强度比值 R _c为：

（7）

在预校准过程中， L _c处的拉曼散射光信号强度比为：

（8）

在预校准过程中， L _s处的拉曼散射光信号强度比为：

（9）

将式（7）与式（8）作比值得：

（10）

将预校准过程中得到的位置 L _c处的拉曼散射光信号强度比与 L _s处的信号强度比做比值，即将式（8）与式（9）做比值，得：

（11）

进一步得衰减差的值：

（12）

将式（12）代入式（10）中消除衰减差，得到：

（13）

进一步求得温度 T _c下的温度补偿因子 C( T _c)的数学表达式为：

（14）

基于上述的推导，如图2所示，本发明实施例的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，包括如下步骤：

S1：在分布式光纤温度传感系统连接的传感光纤上确定两特定位置 L _s和 L _c， L _c位于 L _s位置后远离DTS设备的一段光纤上；如图3所示。

S2：进行测前温度预校准：

将整个所述传感光纤置于预校准温度 T ₀下，如图3中的（a）所示，获得Stokes光和Anti-Stokes光沿传感光纤的光信号强度，计算两者比值 R( L, T ₀)；取 L _c位置的拉曼散射光信号强度比 R( L _c, T ₀)和 L _s位置处的拉曼散射光信号强度比 R( L _s, T ₀)，计算比值 R( L _c, T ₀)/ R( L _s, T ₀)的数值；并根据Anti-Stokes和Stokes光沿传感光纤的光信号强度的衰减，求得衰减系数的值；

S3：将 L _s前的光纤仍置于预校准温度 T ₀下， L _s后的光纤先后置于多个不同温度 T _c下，如图3中的（b）所示，由测量得到的Stokes光和Anti-Stokes光信号强度计算得到 L _c位置处的拉曼散射光信号强度比 R _c (L _c, T _c )，而后计算得到 T _c温度下的温度补偿因子 C( T _c)的值。

优选地，改变 L _c的位置，获得同一温度下不同位置处的拉曼散射光信号强度比，代入 C( T _c)的数值求解表达式，得到同一温度下不同位置处的 C( T _c)的值，并求均值，并将均值作为该温度下的 C( T _c)的最终值。

S4：对不同 T _c温度下的温度补偿因子 C( T _c)的值进行拟合，得到温度补偿因子 C( T)的表达式。

以二阶多项式拟合为例， C( T)的拟合表达式为：

C(T)=aT ² +bT+c （15）

其中，a、b、c均为拟合得到的多项式系数。

S5：将整个传感光纤置于待测温度T下，获得待测温度T下的Anti-Stokes光和Stokes光的光信号强度，求得两者比值 R(L,T)；将S4得到的温度补偿因子 C( T)的表达式加入拉曼散射光功率比表达式的指数衰减差项中，获得拉曼散射光功率比的新数学模型，见公式（2），使用新数学模型求解得到衰减差补偿后的待测温度。

最后，作为其中一种实施方式，将二阶多项式拟合的 C(T)=aT ² +bT+c代入待测温度的表达式（6），得关于待测温度 T的一元三次方程，具体为：

（16）

其中， A _n、 B _n、 C _n、 D _n均为多项式的系数。

其中，在第一温区，即位置 L ₁前，有：

（17）

整理得关于第一温区内待测温度T的一元三次方程：

（18）

其中，A₁,B₁,C₁,D₁的值为：

（19）

式（17）中 R( L, T)的值由实验测量获得， R( L, T ₀)的值由预校准过程获得。

由S2测得的光信号强度沿传感光纤的衰减计算得到位置z处Anti-Stokess和Stoke光的衰减系数 α _A (z)和α _S (z)的值，代入式（19）中，获得一元三次方程（18）的系数的值，进而求解式（18），得到第一温区的温度值，结合实际应用场景，从一元三次方程的解中选取一个合理的温度值。

而后求解第二温区的温度值。在位置 L ₂前，有：

（20）

整理得关于第二温区内待测温度T的一元三次方程：

（21）

其中，A₂,B₂,C₂,D₂的值为：

（22）

式（22）中， C(T ₁ )的值根据第一温区的温度求得。求解（21）式，获得第二温区的温度值。

求解其他温区的温度值的过程与上述过程类似，对于第n温区（n≥3），有：

（23）

（24）

求解方程（23）获得第n温区的温度值。

由其他高阶线性拟合方法获得 C( T)拟合表达式进而求解测量温度的方法与上述求解过程类似，需根据实际应用场景选取一元多次方程的唯一解。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，该方法包括：

S1：在分布式光纤温度传感系统连接的传感光纤上确定两特定位置L _s和L _c，L _c位于L _s位置后远离DTS设备的一段光纤上；

S2：将整个所述传感光纤置于预校准温度T ₀下，获得Anti-Stokes光和Stokes光沿传感光纤的信号强度，计算两者比值R(L,T ₀)；取L _c位置的拉曼散射光信号强度比R(L _c,T ₀)和L _s位置处的拉曼散射光信号强度比R(L _s,T ₀)，计算比值R(L _c,T ₀)/R(L _s,T ₀)的数值；并根据Anti-Stokes和Stokes光沿传感光纤的信号强度的衰减，求得衰减系数的值；

S3：将L _s前的光纤仍置于预校准温度T ₀下，L _s后的光纤先后置于多个不同温度T _c下，由测量得到的Stokes光和Anti-Stokes光信号强度计算得到L _c位置处的拉曼散射光信号强度比R _c (L _c,T _c )，而后计算得到T _c温度下的温度补偿因子C(T _c)的值；

S4：对不同T _c温度下的温度补偿因子C(T _c)的值进行拟合，得到温度补偿因子C(T)的表达式；

S5：将整个所述传感光纤置于待测温度T下，获得待测温度T下的Anti-Stokes光和Stokes光的信号强度，求得两者比值

R(L,T)；将S4得到的温度补偿因子C(T)的表达式加入拉曼散射光功率比表达式的指数衰减差项中，获得拉曼散射光功率比的新数学模型，使用新数学模型求解得到衰减差补偿后的待测温度。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，所述S3中T _c温度下的温度补偿因子C(T _c) 的数值求解表达式为

；

其中， h为普朗克常量，K为玻尔兹曼常数；Δν为拉曼频移。

3.根据权利要求2所述的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，所述S3中，改变L _c的位置，获得同一温度下不同位置处的拉曼散射光信号强度比，代入C(T _c)的数值求解表达式，得到同一温度下不同位置处的C(T _c)的值，并求均值，并将均值作为该温度下的C(T _c)的值。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，所述S4中，拟合得到温度补偿因子C(T)的表达式时，选取多项式进行拟合。

5.根据权利要求4所述的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，选取二阶多项式拟合得到温度补偿因子的表达式：C(T)=aT ² +bT+c；其中，a、b、c均为拟合得到的多项式系数。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，所述S5中，将传感光纤从DTS设备输出端到待测温度点L分为n个温区：0~L₁、L₁~L₂、···L_n-1~L，L为待测温度点到DTS设备输出端的距离。

7.根据权利要求6所述的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，将温度补偿因子C(T)加入拉曼散射光功率比R(L ,T)表达式的指数衰减差项中，获得的拉曼散射光功率比的新数学模型如下：

；

其中，K _A和K _S分别为与Anti-Stokes和Stokes光散射有关的系数，λ _S和λ _A分别为Stokes和Anti-Stokes光波长；z为沿光纤的位置，α_A(z)和α_S(z)分别为位置z处Anti-Stokes和Stoke光的衰减系数；T₁、T₂···T_n分别为第一温区到第n温区的温度。

8.根据权利要求7所述的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，由拉曼散射光功率比的新数学模型求得的衰减差补偿后的待测温度的计算公式如下：

；

将S4得到的温度补偿因子C(T)的表达式代入该式，整理求得关于待测温度T的一元多次方程，结合实际应用场景，选取温度的唯一解作为测量温度的最终结果。

9.根据权利要求8所述的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，求得的关于待测温度T的一元多次方程如下：

；

其中，A _n、B _n、C _n、D _n均为多项式的系数；L₀=0；求解关于待测温度T的一元多次方程，得到位于传感光纤第n个温区的待测温度的最终结果。

10.根据权利要求9所述的分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，其特征在于，计算位于第n温区的待测温度时，需先依次求解第1个温区到第n-1个温区的温度。