用于分布式光纤温度传感系统中数据校准的方法及装置

摘要

本发明涉及一种用于分布式光纤温度传感系统中数据校准的方法，该方法用以解决DTS的数据校准问题，该方法包括如下步骤：第一步、DTS中接收来自光纤中的原始数据，该原始数据中包含有S和AS信号，每个信号数据中均含有一个脉冲；第二步、以初始设定来分别计算S和AS信号中对应脉冲在光纤中所处的位置；第三步、重新标定初始值，直至该两个脉冲对齐，完成DTS的数据校准；用于DTS中数据校准的装置，探测光纤首端和尾端均连接至光学组件，并传输至DTS中。本发明的基于原始数据上标记的方法可以提供更精确的校准及配置结果，从而提高DTS系统的定位精度及空间分辨率，并且提高系统的整体性能。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤温度传感系统，特别是对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的方法和装置。

背景技术

在工业及日常生活中，经常会有许多场合需要探测长距离沿线每点的温度，比如长距离的电缆温度监控或油气管道监控等。在类似的应用下，基于光纤喇曼散射的分布式温度传感系统(Distributed TemperatureSensor，简称DTS)是最佳的选择。

在DTS中，一个或一系列激光脉冲入射进光纤内，此激光脉冲在光纤内传播过过程中，在光纤沿线的每一点都会产生喇曼散射现象。产生的喇曼散射光中，有一部分沿激光脉冲前进的方向传播，被称为前向散射光；有一部分被光纤重新捕获并沿激光传播相反的方向返回，此部分喇曼散射光被称为背向散射光。在散射光中，光波长大于入射激光脉冲波长的成分被称为斯托克斯光(Stokes，S)；波长小于入射激光脉冲波长的成分被称为反斯托克斯光(Anti-Stokes，AS)。这两种信号即喇曼斯托克斯和喇曼反斯托克斯是对当前散射产生点的温度敏感的。因此可以通过探测这两个信号的大小计算出当前点的温度数据，并且通过计算背向散射信号与入射光脉冲之间的时间差，就可以通过背向散射信号在光纤中传播的速度推算出此温度数据是对应于光纤中的哪一点。

由于石英光纤中光波的折射率随波长的变化而变化，从而引起不同波长光波的相速度不同。斯托克斯S光波的波长比反斯托克斯AS光波的波长较大，其折射率较小，从而其相速度比AS较大。如果没有对两种信号相速度的差异进行补偿或者成为校准的话，同一个位置的AS信号返回探测器的时间要较S信号晚，随着光纤长度的增加，S和AS信号的不一致现象会更加严重，这样会造成系统定位精度的降低。

通常对于这种现象是通过对时域上采样点间隔设定为不同采样长度进行补偿或者校准的。在这种校准的机制或者系统中，一般是通过光纤尾端光信号的跳变衰减进行S信号和AS信号的对齐从而实现这两个信号相速度不一致的补偿。

但在实际的应用中，经常会有一些现象导致上述机制无法有效正常工作。其中一种现象就是光线尾端的反射，在光纤尾端如果没有特殊处理或者处理不好会导致比较大的反射脉冲峰，通常这样一个脉冲会比较宽以至于无法分辨光纤真正的尾端位置，从而对影响S和AS信号的对齐。另外，如果探测的距离小于光纤本身的长度的话，光纤尾端是不可见的，在这种情况下也无法通过上述方法进行原始信号数据的校准。如果实际光纤比较长的话，由于光信号在光纤中的衰减，在光纤尾端的信号比较小，甚至于同光纤外部没有散射信号的情况相比都没有比较明显的差别，在这种情况下，无法判断真正的尾端位置，也无法对S和AS信号进行对齐校准。

在一些场合需要DTS的双端测量，双端测量同传统单端测量的不同是他将探测光纤的两端都连接到DTS上，从探测光纤的两端都获取分布式温度数据，然后通过特定的算法，将在两端获得的温度数据集成为一条分布式温度数据。在双端测量的时候长度校准也是非常必要的，如果缺少了精确的长度校准，分布式温度数据会在位置定位及温度数据两个维度都存在误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中方法的不足，提供一种对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的方法和装置，其用于自动和/或精确对齐和校准DTS系统原始数据的方法和设备。本发明的基于原始数据上标记的方法和装置可以提供更精确的校准及配置结果，可以提高DTS系统的定位精度及空间分辨率，并且提高系统的整体性能。

为了达到上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种用于分布式光纤测温系统原始数据校准的方法，其特征在于，该方法利用DTS自身或附加的激光器所来产生一种校准用光脉冲，此校准用光脉冲被分布式光纤测温系统接收后，在其原始数据上叠加一种可以用于DTS精确定位的定位脉冲，通过对原始数据中斯托克斯和反斯托克斯信号上的定位脉冲进行对齐操作，以对DTS原始数据进行长度校准。

在本发明中，所述的校准用光脉冲为DTS自身或另一附加的激光器产生的激光脉冲和/或在光纤中产生的喇曼散射成分。

在本发明中，所述的对齐操作包括有：判断原始数据中的斯托克斯和反斯托克斯成分上叠加的定位脉冲各自所在的位置；根据两个脉冲位置的差异来对原始数据中两种信号进行长度的重新标定使两种信号定位脉冲在位置上对齐。

上述用于分布式光纤测温系统原始数据校准的方法具体包括如下步骤：

第一步、DTS中同时接收来自光纤中的原始数据，该原始数据中包含有斯托克斯信号和反斯托克斯信号，每个信号数据中均含有一个定位脉冲；

第二步、以DTS中设定的初始值来分别计算斯托克斯信号和反斯托克斯信号中对应脉冲在光纤中所处的位置；

第三步、对原始数据的两种信号进行长度的重新标定，直至该两个脉冲对齐，完成分布式光纤温度传感系统的数据校准。

所述第一步中的光纤为应用分布式光纤温度传感系统进行温度测量的那根光纤，校准分布式光纤温度传感系统的采样长度数据以应用于该根光纤的温度分布式测量。

作为一种实现上述方法的方案，该装置包括有发射器、接收器的分布式光纤温度传感器主机、光学组件以及探测光纤，所述的发射器连接光学组件以发射激光脉冲，所述的探测光纤首端和尾端均直接或通过附加光纤连接至所述的光学组件。

作为另一种设计方案，该用于分布式光纤温度传感系统中数据校准的装置包括有发射器、接收器的分布式光纤温度传感器主机、光学组件以及探测光纤，所述的发射器连接光学组件以发射激光脉冲，所述探测光纤的首端连接至所述的光学组件，一台附加激光器用与待测光纤相同的光纤连接至光学组件以发射激光脉冲，该附加激光器与分布式光纤温度传感器主机的发射器具有同步机制。

上述的附加激光器和光学组件之间设有衰减器。

上述的光学组件为一个光开关或者耦合器。

基于上述技术方案，本发明具有如下技术效果：

本发明的基于原始数据上标记的方法可以提供更精确的校准及配置结果，从而提高DTS系统的定位精度及空间分辨率，并且提高系统的整体性能。

附图说明

图1是本发明对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的方法的流程示意图。

图2是本发明对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的装置的结构示意图。

图3是本发明对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的装置中实施例1的结构示意图。

图4是本发明对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的装置中实施例2的结构示意图。

图5是本发明对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的装置中实施例3的结构示意图。

图6是本发明对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的装置中原始数据在示波器上显示的视图。

图7是本发明对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的装置中双端测量时原始数据在示波器上显示的视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的复合光纤的高压电力电缆做进一步的详细描述，但不能因此而限制本发明的保护范围。

本发明用于分布式光纤测温系统原始数据校准的方法是利用DTS自身或附加的激光器所来产生一种校准用光脉冲，此校准用光脉冲被分布式光纤测温系统接收后，在其原始数据上叠加一种可以用于DTS精确定位的定位脉冲，通过对原始数据中斯托克斯和反斯托克斯信号上的定位脉冲进行对齐操作，以对DTS原始数据中的数据校准，一般我们用这种方法来对DTS中的采样长度进行校准。

在本发明中，所述的校准用光脉冲为DTS自身或另一附加的激光器产生的激光脉冲和/或在光纤中产生的喇曼散射成分。

在本发明中，所述的对齐操作包括有：判断原始数据中的斯托克斯和反斯托克斯信号成分上叠加的定位脉冲各自所在的位置；根据两个脉冲位置的差异来重新对原始数据中两种信号进行采样长度的重新标定使两种信号定位脉冲在位置上对齐。

图1是本发明对分布式光纤温度传感系统中的数据进行校准的方法的流程示意图。由图可知，我们以对DTS中的采样长度的重新标定以对该系统进行校准采用来说明本发明的方法，本发明用于分布式光纤温度传感系统中数据校准的方法包括如下步骤：

第一步、DTS中同时接收来自光纤中含有校准用脉冲的原始数据，该原始数据中包含有斯托克斯信号和反斯托克斯信号，每个信号数据中均含有一个定位脉冲，其中的光纤为应用分布式光纤温度传感系统进行温度测量的那根光纤，校准分布式光纤温度传感系统的采样长度数据以应用于该光纤的温度分布式测量，在分布式光纤温度传感系统DTS接收的原始数据中就包括有前向散射信号和背向散射信号，前向散射信号中包括有斯托克斯信号和反斯托克斯信号，背向散射信号中也包括有斯托克斯信号和反斯托克斯信号；

第二步、以DTS中设定的初始值来分别计算斯托克斯信号和反斯托克斯信号中对应脉冲在光纤中所处的位置，该初始值一般为采样长度的初始值；

第三步、对原始数据的两种信号进行长度的重新标定，直至该两个脉冲对齐，完成分布式光纤温度传感系统的采样长度数据的校准。

第一步中的含有校准用脉冲的原始数据是利用DTS自身或附加的激光器所来产生校准用光脉冲，此校准用光脉冲被分布式光纤测温系统接收后，在其原始数据上叠加一种可以用于DTS精确定位的定位脉冲，

以下为采用了上述方法的校准装置的几个结构实施例，下面详细阐述：

本发明用于分布式光纤温度传感系统中数据校准的装置，该装置设有包括有发射器、接收器的分布式光纤温度传感器主机、光学组件以及探测光纤，所述的发射器连接光学组件以发射激光脉冲，所述的探测光纤首端和尾端均连接至所述的光学组件。

上述包含有发射器、接收器的DTS主机1发射激光脉冲并入射到光学组件2中，从端口出射的激光脉冲沿光纤3传播，在光纤3传播的过程中，激光脉冲所产生的背向散射信号经由光学组件2返回到DTS主机1，并被DTS主机1内部的接收器所接收探测，经过数据处理后成为DTS系统的原始数据。激光脉冲在光纤3传播的同时也产生前向的散射信号，前向散射信号及激光脉冲本身通过光纤3的远端4入射到光学组件2中。

激光脉冲在光纤3中传播的时候产生的背向散射信号包含有S、AS及瑞利散射信号，同样产生的前向散射信号也包含S、AS及瑞利散射信号，两两对应的背向及前向散射光波波长相同并且在光纤中传播的速度相同。由于背向散射信号所产生的原始数据最远端为激光脉冲传输到光纤远端所产生的背向散射光信号返回DTS1内部，所经过的光学路程为两倍的光纤长度；而对应的激光脉冲及前向散射信号经由光纤3的远端4和光学组件2被DTS1接收探测，并在DTS系统的原始数据上显示为一个脉冲，其经过的光学路程为光纤3的长度，正好为原始数据长度的一半，所以前向传输信号形成的脉冲在DTS原始数据的中点位置。

根据实际应用的不同需求，本DTS系统中的光纤可以采用单模光纤或者多模光纤或其他非标准特殊光纤。

实施例1

在某些实际的应用场合中，无法把探测光纤的远端通过光学组件重新连接到DTS上，这样我们可以通过一个附加的脉冲激光器来实现同样的功能。图2就是对应此种情况的一个实施例。探测光纤的远端9由于现场情况无法连接回光学组件10上，因此我们引入了一个附加的激光器7，此附加激光器7同光纤8一起可以产生同样作用的前向传输脉冲。在实施例中，附加激光器7同DTS 5必须要通过同步机制6进行同步以产生同时的激光脉冲；光纤8必须是同探测光纤3同类型的光纤并且长度要足够长以使得前向传输的脉冲附加在原始数据上；附加脉冲激光器在连接到光学组件10之间可以附加衰减器以防止DTS接受的数据饱和。

实施例2

图3为本发明的另一实施例，由于DTS本身的原始光学信号即背向喇曼散射信号较小，因此如果直接将前向传输的激光脉冲入射到光学组件内，可能会造成DTS原始数据的饱和，为了防止DTS数据的饱和，可以在前向传输脉冲入射到光学组件之前通过一个衰减器将其强度衰减，达到同背向散射光信号同等量级的水平，从而防止DTS原始信号的饱和。

实施例3

附图4为本发明使用光开关作为光学组件的一个实施例。在DTS的实际应用中，经常会用到光开关起到多通道扩展的作用。同时具有多通道的光开关可以作为本发明中的光学组件使用。如图4，光开关的出射激光脉冲入射到探测光纤内，产生背向散射信号作为DTS的原始信号，同时前向传输的激光脉冲及前向散射信号通过光纤又入射到光开关的另一个通道内，由于光开关本身有一定的通道隔离度，因此前向传输的信号在DTS的原始数据上产生一个脉冲标记。本实施例也可以在前向传输信号入射到光开关之间附加衰减器以保证DTS信号不被饱和。

图5为本发明的DTS原始数据的图示。DTS的原始数据包括斯托克斯信号11和反斯托克斯信号12两种，他们分别对应探测光纤不同位置的散射。前向传输的信号在他们上面分别产生的脉冲标记为13、14。如果是探测光纤远端通过某种光学组件接回DTS情况，此脉冲标记会出现在DTS原始数据的中点位置。我们可以通过幅度的大小确定脉冲的位置并从而重新标记或者校准两种原始数据以使得他们进行匹配，达到获取精确温度数据及定位数据的目的。

图6为本发明在双端测量中应用的原始数据图示。在双端测量的情况下，原始数据从探测光纤的两端获取，同样也可以通过脉冲标记的方法对原始数据进行标记或校准。原始数据12为探测光纤一端的数据，13为从另一端获取到的原始数据。在通常情况下，探测光纤的精确长度是未知的。我们可以用同样的方法对脉冲标记进行手动或者自动对齐来实现原始数据的精确校准。