CN215811326U - 一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其包括：拉曼测温仪和待测光纤，待测光纤包括依次连接的前段、参考光纤环段和后段，前段的前端与拉曼测温仪连接，参考光纤环段位于预设温度的高精度恒温槽中，后段的后端刻蚀有光纤布拉格光栅；拉曼测温仪用于在接收到发射信号时发射脉冲激光，光纤用于传输脉冲激光，并在传输过程中生成脉冲激光的前向散射光和后向散射光，且前向散射光和后向散射光均包括Stokes光和anti‑Stokes光；光纤布拉格光栅用于反射前向散射光使得前向散射光反射回拉曼测温仪处；拉曼测温仪还用于对待测光纤进行温度解调得到光线沿线温度曲线。
Description
技术领域
本实用新型涉及面向管道泄漏监测技术领域，尤其涉及一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统。
背景技术
管道运输在生产生活中占有及其重要的地位，一旦发生管道泄露事故，不仅造成水资源的严重浪费，还可能严重影响城市交通、居民生活、工业生产等方面。因此，保障管道运输系统稳定高效运行对日常生产生活的顺利进行有着十分重大的意义。因此对管道系统的运行状态的实时监测，保障管道运输系统的稳定可靠，有着十分重要的意义。
分布式光纤传感技术凭借着其长距离、高精度等优势已经在面向管道泄漏监测领域成为国内外研究人员研究的热点。在分布式光纤拉曼测温系统中，目前常用的温度解调方法有：①利用anti-Stokes光自身作为参考通道和信号通道的单路解调算法；②Stokes后向散射光作为参考通道，利用anti-Stokes后向散射光作为信号通道，然后利用这两种后向散射光的光强比值来解调光纤沿线的温度信息。③Rayleigh后向散射光作为参考通道，利用anti-Stokes后向散射光作为信号通道，然后利用这两种后向散射光的光强比值来解调光纤沿线的温度信息。
然而实践表明，现有温度解调方法由于自身原理所限，存在如下问题：⑴由于光纤中瑞利散射光强度比拉曼光强度大30dB，而通常用于拉曼温度传感系统的WDM隔离度为35～40dB，通过计算我们知道由于WDM隔离度不高导致采集到的Stokes光和anti-Stokes光中会有瑞利光的串扰，进而影响最后解调出来的温度精度。⑵实际工程中，传感光纤的铺设会导致光纤出现较大程度的弯曲或变形，而且同一位置不同时刻对应的外部物理扰动也会导致测温稳定性以及测温精度的恶化。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种可消除瑞利噪声的高精度分布式光纤传感系统，以解决现有分布式光纤传感系统中存在的瑞利光串扰、光纤突变损耗问题，提高系统测温精度及测温稳定性。
为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是：
一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其包括：拉曼测温仪和待测光纤，所述待测光纤包括依次连接的前段、参考光纤环段和后段，所述前段的前端与所述拉曼测温仪连接，所述参考光纤环段位于预设温度的高精度恒温槽中，所述后段的后端刻蚀有光纤布拉格光栅；
所述拉曼测温仪用于在接收到发射信号时发射脉冲激光，所述光纤用于传输所述脉冲激光，并在传输过程中生成所述脉冲激光的前向散射光和后向散射光，且所述前向散射光和所述后向散射光均包括Stokes光和anti-Stokes光；
所述光纤布拉格光栅用于反射所述前向散射光使得所述前向散射光反射回所述拉曼测温仪处；
所述拉曼测温仪还用于基于多束脉冲激光的前向散射光和后向散射光对所述待测光纤进行温度解调得到光线沿线温度曲线。
作为本实用新型的进一步改进，所述拉曼测温仪包括依次连接的脉冲激光器、波分复用器、信号传输机构、高速数据收集卡和计算机，且所述波分复用器与所述前段的前端连接，所述计算机与所述脉冲激光器连接；
所述脉冲激光器用于在接收到发射信号时发射脉冲激光；
所述波分复用器用于将所述脉冲激光进行输送至所述待测光纤，以及接收所述前向散射光和后向散射光，并通过所述信号传输机构发送至所述高速数据收集卡；
所述高速数据收集卡用于基于所述脉冲激光的前向散射光和后向散射光得到前向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线，以及后向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线；
所述计算机用于基于多束所述脉冲激光的前向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线，以及后向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线对所述待测光纤进行温度解调得到光线沿线温度曲线。
作为本实用新型的进一步改进，所述信号传输机构包括：第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管；
其中，所述第一带通滤波器分别与所述波分复用器和所述第一雪崩光电二极管连接，所述第二带通滤波器与所述波分复用器和所述第二雪崩光电二极管连接，所述第一雪崩光电二极管和所述第二雪崩光电二极管均与所述高速数据收集卡连接。
作为本实用新型的进一步改进，所述高精度恒温槽上设置有与所述计算机连接的温度传感器。
作为本实用新型的进一步改进，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，所述光纤布拉格光栅反射中心波长为1550nm±10nm。
作为本实用新型的进一步改进，所述光纤布拉格光栅设置2个，一个所述光纤布拉格光栅反射波长为1450nm，另一个所述光纤布拉格光栅反射波长为1650nm。
作为本实用新型的进一步改进，所述高速数据收集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为10GHz。
作为本实用新型的进一步改进，所述待测光纤为普通多模光纤。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
较之于传统分布式光纤传感系统，本实用新型提供的面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统具有如下优点：
其一，通过在待测光纤后端刻蚀有光纤布拉格光栅反射前向散射光，使得拉曼测温仪能够基于前向散射光和后向散射光来进行温度解调，消除了前向散射斯托克斯光和反斯托克斯光中存在的瑞利光，提高测温精度；
其二，拉曼测温仪基于多组脉冲激光的前向散射光和后向散射光对所述待测光纤进行温度解调得到光线沿线温度曲线，其可消除因外部物理扰动导致的测温稳定性差的问题；适用于高精度，远距离温度监测领域。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本实用新型提供的一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统的结构示意图。
其中：100-拉曼测温仪，200-待测光纤，1-半导体脉冲激光器，2-波分复用器，3-第一带通滤波器，4-第二带通滤波器，5-第一雪崩光电二极管，6-第二雪崩光电二极管，7-高速数据采集卡，8-计算机，9-高精度恒温槽，10-温度传感器，11-信号传输机构，12-光纤布拉格光栅。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对实用新型进行清楚、完整的描述，需要理解的是，术语“中心”、“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
本实用新型实施例提供了一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其包括：拉曼测温仪100和待测光纤200，待测光纤200包括依次连接的前段、参考光纤环段和后段，前段的前端与拉曼测温仪100连接，参考光纤环段位于预设温度的高精度恒温槽9中，后段的后端刻蚀有光纤布拉格光栅12；
拉曼测温仪100用于在接收到发射信号时发射脉冲激光，例如，每当接收到发射信号后隔0.3ms发射脉冲激光；
待测光纤200用于传输脉冲激光，并在传输过程中生成脉冲激光的前向散射光和后向散射光，且前向散射光和后向散射光均包括Stokes光和anti-Stokes光；
光纤布拉格光栅12用于反射前向散射光使得前向散射光反射回拉曼测温仪100处；
拉曼测温仪100还用于基于多束脉冲激光的前向散射光和后向散射光对待测光纤200进行温度解调得到光线沿线温度曲线。
本实用新型实施例提供的分布式光纤传感系统，适用于需要对待测光纤200进行温度解调的场景。在使用时，可先设置高精度恒温槽9为预设温度T0℃，然后开启分布式光纤测温仪(拉曼测温仪100)，使其发射脉冲激光，脉冲激光经过位于高精度恒温槽9内的参考光纤环段后，向后传输至光纤布拉格光栅12处。
在传输过程中，脉冲激光会在待测光纤200沿线每一点产生前向散射光和后向散射光，后向散射光会返回至拉曼测温仪100中，前向散射光向远端移动至光纤布拉格光栅12时被反射也返回至拉曼测温仪100中，进而拉曼测温仪100可以依据后向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线、以及前向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线进行温度解调得到一条光线沿线温度曲线。
上述解调过程可以基于计算机程序内的软件执行，检测人员预先在计算机程序中输入解调方程式，以及方程式中的某些变量参数的参数值，计算机根据该方程式、输入的参数值、以及获得到的后向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线、以及前向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线中每个点对应的时间(可通过时间乘以传播速度得到光传播距离值)和光强值来得到光线沿线温度曲线。后续将针对该解调过程进行详细说明。
进一步地，考虑到同一位置不同时刻对应的外部物理扰动也会影响测温稳定性和测温精度的情况，本实施例中，拉曼测温仪100还通过发送多束脉冲激光，重复多次上述过程来得到多条光线沿线温度曲线，通过多次测量的结果进行平均得到最终的光线沿线温度曲线。
其中，上述拉曼测温仪100可以设置为每隔预设时长发射信号，其发射的脉冲激光呈周期性，或者，拉曼测温仪100在确定上一次发射的脉冲激光到达待测光纤200的尾部后再发射信号，使得其发射的脉冲激光呈随机性，例如：拉曼测试仪在接收到前向散射光时，即确定上一次发射的脉冲激光到达待测光纤200的尾部，从而发送下一次的信号，从而提高整个系统的检测精度。另外，拉曼测温仪100发出脉冲信号之后每隔0.3ms发射激光脉冲。
较之于传统分布式光纤传感系统，本实用新型提供的面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统具有如下优点：其一，通过在待测光纤200后端刻蚀有光纤布拉格光栅12反射前向散射光，使得拉曼测温仪100能够基于前向散射光和后向散射光来进行温度解调，消除了前向散射斯托克斯光和反斯托克斯光中存在的瑞利光，提高测温精度；其二，拉曼测温仪100基于多组脉冲激光的前向散射光和后向散射光对待测光纤200进行温度解调得到光线沿线温度曲线，其可消除因外部物理扰动导致的测温稳定性差的问题；适用于高精度，远距离温度监测领域。
以下，对拉曼测温仪100的结构进行具体说明。
如图1所示，拉曼测温仪100包括依次连接的脉冲激光器1、波分复用器2、信号传输机构11、高速数据收集卡7和计算机8，且波分复用器2与前段的前端连接，计算机8与脉冲激光器1连接。当然，为了提高拉曼测温仪100能够实时获取高精度恒温槽9的温度，高精度恒温槽9上设置有与计算机8连接温度传感器。
脉冲激光器1用于在接收到发射信号时发射脉冲激光；波分复用器2用于将脉冲激光进行输送至待测光纤200，以及接收前向散射光和后向散射光，并通过信号传输机构11发送至高速数据收集卡7。
其中，信号传输机构11包括：第一带通滤波器3、第二带通滤波器4、第一雪崩光电二极管5、第二雪崩光电二极管6、以及高速数据收集卡7；第一带通滤波器3分别与波分复用器2和第一雪崩光电二极管5连接，第二带通滤波器4与波分复用器2和第二雪崩光电二极管6连接，第一雪崩光电二极管5和第二雪崩光电二极管6均与高速数据收集卡7连接，高速数据收集卡7与计算机8连接。
因此，Stokes光依次经波分复用器2、第一带通滤波器3、第一雪崩光电二极管5入射到数据采集卡，数据采集卡对Stokes光进行模数转换，由此得到脉冲激光的前向散射光的Stokes光光强曲线和后向散射光的Stokes光光强曲线。相应地，anti-Stokes光依次经波分复用器2、第二带通滤波器4、第二雪崩光电二极管6、入射到数据采集卡7，数据采集卡对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到脉冲激光的前向散射光的anti-Stokes光光强曲线和后向散射光的anti-Stokes光光强曲线。高速数据收集卡7的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为10GHz。
计算机8则用于基于多束脉冲激光对应的前向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线，以及后向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线对待测光纤200进行温度解调得到光线沿线温度曲线。
另外，本实用新型实施例对拉曼测温仪100和光纤布拉格光栅12的参数不作具体限定，示例性地，待测光纤200为普通多模光纤，脉冲激光器1的中心波长为1550nm，脉宽为10ns、重复频率为1KHz。波分复用器2的工作波长为1550nm/1450nm/1350nm。APD的带宽为10GHz、光谱响应范围为900～1700nm。
相应地，光纤布拉格光栅12反射中心波长为1550nm±10nm，可以将光纤布拉格光栅12设置2个，一个反射波长为1450nm，另一个反射波长为1650nm，在传输过程中，由于拉曼散射产生的anti-stoke与stoke光会发生对称频偏，stoke光的频率变低，anti-stoke光的频率变高，因此波长也会相应变化，反射波长为1450nm的光纤布拉格光栅12反射stoke光，反射波长为1650nm的光纤布拉格光栅12反射anti-stoke光。
以下，将针对前述计算机解调得到一条光线沿线温度曲线的解调过程进行详细说明，其可采用下述通过公式来得到，也可采用其他的方式，本实用新型实施例对此不作具体限定：
设光纤总长度为L，光纤沿线任意一点Z处背向斯托克斯光和反斯托克斯光的光通量为：
式中，Ks，Ka分别为和光纤的Stokes散射截面，Anti-Stokes散射截面有关的系数，Va，Vs分别为Stokes散射光子和Anti-Stokes散射光子的频率。a0，aa，as分别为在光纤中入射光Anti-Stokes光和Stokes光的平均传播损耗(由曲线各点的纵坐标与标准值得到)。RS(T),Ra(T)为与光纤分子低能级和高能级上的分布有关的系数，是Stokes和Anti-Stokes光的温度调制函数：
式中，h为普朗克常数，Δν是拉曼散射谱上下能级差，即光纤分子的声子频率为13.2THZ，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度。
将上述方程式1、2做比值得到下面方程式3：
当前向散射光经过尾端布拉格光栅反射后到采集卡，传播的距离为2L-Z，由此得到光纤沿线任意一点Z出的前向斯托克斯光和反斯托克斯光的光通量为：
将上述方程式4、5做比值得到下面方程式6：
根据方程式3、6得到RBack(T,Z)、RFor(T,Z)，然后将求出两数的几何平均值，如下方程式所示：
从方程式7可以看出衰减系数项为
式中衰减项已经和位置Z无关，光纤沿线任意位置的衰减都可以看作是整条光纤上的衰减，由此消除了外部物理扰动对测温精度的影响。
同理可以求得在参考光线L0处的R(T0,L0)如下方程式所示：
根据上述方程式7、8，将两式求比值使得拉曼散射光强仅受对应温度的调制，得到如下温度计算公式：
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其特征在于，其包括：拉曼测温仪（100）和待测光纤（200），所述待测光纤（200）包括依次连接的前段、参考光纤环段和后段，所述前段的前端与所述拉曼测温仪（100）连接，所述参考光纤环段位于预设温度的高精度恒温槽（9）中，所述后段的后端刻蚀有光纤布拉格光栅（12）；
所述拉曼测温仪（100）用于在接收到发射信号时发射脉冲激光，所述光纤用于传输所述脉冲激光，并在传输过程中生成所述脉冲激光的前向散射光和后向散射光，且所述前向散射光和所述后向散射光均包括Stokes光和anti-Stokes光；
所述光纤布拉格光栅（12）用于反射所述前向散射光使得所述前向散射光反射回所述拉曼测温仪（100）处；
所述拉曼测温仪（100）还用于基于多束脉冲激光的前向散射光和后向散射光对所述待测光纤（200）进行温度解调得到光线沿线温度曲线。
2.根据权利要求1所述的面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述拉曼测温仪（100）包括依次连接的脉冲激光器（1）、波分复用器（2）、信号传输机构（11）、高速数据收集卡（7）和计算机（8），且所述波分复用器（2）与所述前段的前端连接，所述计算机（8）与所述脉冲激光器（1）连接；
所述脉冲激光器（1）用于在接收到发射信号时发射脉冲激光；
所述波分复用器（2）用于将所述脉冲激光进行输送至所述待测光纤（200），以及接收所述前向散射光和后向散射光，并通过所述信号传输机构（11）发送至所述高速数据收集卡（7）；
所述高速数据收集卡（7）用于基于所述脉冲激光的前向散射光和后向散射光得到前向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线，以及后向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线；
所述计算机（8）用于基于多束所述脉冲激光的前向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线，以及后向散射光的Stokes光光强曲线和anti-Stokes光光强曲线对所述待测光纤（200）进行温度解调得到光线沿线温度曲线。
3.根据权利要求2所述的面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其特征在于，信号传输机构（11）包括：第一带通滤波器（3）、第二带通滤波器（4）、第一雪崩光电二极管（5）和第二雪崩光电二极管（6）；
其中，所述第一带通滤波器（3）分别与所述波分复用器（2）和所述第一雪崩光电二极管（5）连接，所述第二带通滤波器（4）与所述波分复用器（2）和所述第二雪崩光电二极管（6）连接，所述第一雪崩光电二极管（5）和所述第二雪崩光电二极管（6）均与所述高速数据收集卡（7）连接。
4.根据权利要求2所述的面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述高精度恒温槽（9）上设置有与所述计算机（8）连接的温度传感器。
5.根据权利要求2所述的面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述脉冲激光器（1）的中心波长为1550nm，所述光纤布拉格光栅（12）反射中心波长为1550nm±10nm。
6.根据权利要求5所述的面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅（12）设置2个，一个所述光纤布拉格光栅（12）反射波长为1450nm，另一个所述光纤布拉格光栅（12）反射波长为1650nm。
7.根据权利要求3所述的面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述高速数据收集卡（7）的通道数为4、采样率为100 M/s、带宽为10GHz。
8.根据权利要求1所述的面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统，其特征在于，所述待测光纤（200）为普通多模光纤。
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|---|---|---|---|
| CN202122192478.7U CN215811326U (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统 |
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| CN202122192478.7U CN215811326U (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统 |
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| CN202122192478.7U Active CN215811326U (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 一种面向管道渗漏监测的分布式光纤传感系统 |
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| CN (1) | CN215811326U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117309180A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-12-29 | 苏州光格科技股份有限公司 | 光纤测温系统、方法、装置、计算机设备 |
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2021
- 2021-09-10 CN CN202122192478.7U patent/CN215811326U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117309180A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-12-29 | 苏州光格科技股份有限公司 | 光纤测温系统、方法、装置、计算机设备 |
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