分布式光纤温度传感系统的温度曲线自动修正算法及系统

摘要

本发明公开了一种分布式光纤温度传感系统的温度曲线自动修正算法及系统，其中算法包括以下步骤：分别采样得到参考光纤温度、斯托克斯光强数据曲线和反斯托克斯光强数据曲线，计算得到未修正的温度数据反比曲线f(z)；从修正系数表中读取所有分段区间的修正参数，包括分段区间的范围和修正系数，该修正系数包括调平系数和校准系数，计算各分段区间的修正量，将这些分段修正量依次连接在一起得到与未修正的温度数据反比曲线对应的修正量数据曲线Δ(z)；计算修正后的温度数据曲线本发明可供生产调试过程和工程现场快速的自动修正温度曲线，加快安装调试进度，避免人工修正操作耗费大量时间去反复调整温度修正曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式光纤温度传感系统的温度曲线自动修正算法及系统。

背景技术

近年来，分布式光纤拉曼温度传感系统由于成本低、不受测温光纤应变的交叉干扰等优点，在石油管道、电力线路、发电厂等分布式温度监测领域得到广泛应用。

分布式光纤拉曼温度传感系统基于背向拉曼散射原理，当激光脉冲在光纤中传输时，所经过的光纤路径中会不断产生拉曼散射、瑞利散射和布里渊散射等散射光，其中拉曼散射光包括斯托克斯光和反斯托克斯光，这些拉曼散射光部分会反方向传输到光纤的激光脉冲注入端，分布式光纤拉曼温度传感系统就是采用背向拉曼散射中反斯托克斯光作为温度敏感信号的一种温度传感系统。

分布式光纤拉曼温度传感系统能够在线解调计算应用现场光纤沿线各点的温度数据，但是通常解调计算所得温度数据比实际温度偏低，而且距离光纤的激光脉冲注入端越远，温度数据偏差越大。当整段测温光纤处于同一室温下，实际测量所得的温度随距离变化的关系曲线由理想的水平温度曲线(光纤各位置点的温度均相同)变为向下倾斜。通常需要人工修正操作将该温度与距离的关系曲线变换为实际水平的温度曲线，但由于实际工程安装的测温光纤可能有多个焊点，部分位置可能扭曲，导致温度曲线波动较大，所以人工修正操作的工作量较大，需要反复调整才能近似逼近真实的温度曲线。本发明正是出于解决该技术缺陷而提出的一种温度曲线自动修正算法。

发明内容

本发明的目的在于提供分布式光纤拉曼温度传感系统的一种温度曲线自动修正算法，可供生产调试过程和工程现场快速的自动修正温度曲线，加快安装调试进度，避免人工修正操作耗费大量时间去反复调整温度修正曲线。

为达上述目的，本发明采用的技术方案是：

提供一种分布式光纤温度传感系统的度曲线自动修正算法，包括以下步骤：

分别采样得到参考光纤温度T(0)、斯托克斯光强数据曲线V_s(z)和反斯托克斯光强数据曲线V_as(z)，计算得到未修正的温度数据反比曲线 其中γ为与光纤材料相关的温度系数，z为采样数据点的序号；

从修正系数表中读取所有分段区间的修正参数，包括分段区间的范围和修正系数，该修正系数包括调平系数An和校准系数Bn，计算各分段区间的修正量Δ_n(z)＝A_n*z+B_n，其中n＝1、2、3……，z为测温光纤上各采样数据点的序号，z＝1、2、3……，将这些分段修正量依次连接在一起得到与未修正的温度数据反比曲线对应的修正量数据曲线Δ(z)；

计算修正后的温度数据曲线

本发明所述的分布式光纤温度传感系统的温度曲线自动修正算法中，修正系数表中的数据通过至少一次定标操作得到，该定标操作包括以下步骤：

打开定标开关，先计算γ系数；

根据实际采样得到的参考光纤温度T(0)、斯托克斯光强数据曲线Vs(z)和反斯托克斯光强数据曲线Vas(z)，计算得到未修正的温度数据反比曲线f(z)；

计算未修正的温度数据反比曲线f(z)的二阶倒数曲线该曲线在数值0上下波动，曲线上的凸点和凹点对应光纤焊点和扭曲位置；

逐点判断二阶倒数曲线上的数据，提取并记录各个大于经验阈值的数据点位置，根据这些数据点位置自动计算出各个分段区间的范围，并计算分段校准温度值Tn和各分段区间的修正系数，重建修正系数表。

本发明所述的分布式光纤温度传感系统的温度曲线自动修正算法中，各分段区间的修正系数的计算过程以下步骤：

读取修正系数表中将要执行定标操作的分段区间的范围[PT_s，PT_e]、数据点数Nn和校准温度值Tn；

使用最小二乘法计算f(z)曲线在分段区间[PT_s，PT_e]内的斜率值k_n和偏移量b_n：

$k_n=\frac{N_n*\Sigma (z*f\left(z\right))-\mathrm{\Sigma z}*\mathrm{\Sigma f}\left(z\right)}{N_n*\Sigma z^2-{\left(\mathrm{\Sigma z}\right)}^2},$

$b_n=\frac{1}{N}(\mathrm{\Sigma f}\left(z\right)-k_n*\mathrm{\Sigma z});$

计算分段区间[PT_s，PT_e]对应的调平系数A_n＝k_n，校准系数B_n＝b_n-T_n，并将其存入修正系数表中该分段区间对应的修正系数值；

同理计算所有分段区间对应的修正系数。

本发明所述的分布式光纤温度传感系统的温度曲线自动修正算法中，在根据修正系数表修正温度数据曲线时，关闭定标开关。

本发明还提供一种分布式光纤温度传感系统的温度曲线自动修正系统，包括：

未修正的温度数据反比曲线计算模块，用于根据采样得到的参考光纤温度T(0)、斯托克斯光强数据曲线V_s(z)和反斯托克斯光强数据曲线V_as(z)，计算未修正的温度数据反比曲线

修正系数表读取模块，用于从修正系数表中读取所有分段区间的修正参数，包括分段区间的范围和修正系数，该修正系数包括调平系数An和校准系数Bn；

修正量计算模块，用于根据读取的修正系数表中的数据计算各分段区间的修正量Δ_n(z)＝Δα*(z-z₀)＝A_n*z+B_n(n＝1、2、3......)，将这些分段修正量依次连接在一起得到与未修正的温度数据反比曲线对应的修正量数据曲线Δ_n(z)；

修正后的温度数据曲线计算模块，用于计算修正后的温度数据曲线 $T\left(z\right)=\frac{1}{f\left(z\right)-\Delta \left(z\right)}.$

本发明所述的分布式光纤温度传感系统的度曲线自动修正系统中，该系统还包括定标模块，用于修正系数表中的数据，该定标模块具体包括：

开关模块，用于打开或者关闭定标开关；

γ系数计算模块，用于计算γ系数；

曲线计算模块，用于根据实际采样得到的参考光纤温度T(0)、斯托克斯光强数据曲线Vs(z)和反斯托克斯光强数据曲线Vas(z)，计算得到未修正的温度数据反比曲线f(z)；并计算未修正的温度数据反比曲线f(z)的二阶倒数曲线该曲线在数值0上下波动，曲线上的凸点和凹点对应光纤焊点和扭曲位置；

提取分段区间模块，用于逐点判断二阶倒数曲线上的数据，提取并记录各个大于经验阈值的数据点位置，根据这些数据点位置自动计算出各个分段区间的范围；

分段计算模块，用于计算分段校准温度值Tn和各分段区间的修正系数，重建修正系数表。

本发明产生的有益效果是：本发明通过对温度解调计算关系式进行改写后，将温度解调计算曲线T(z)分解为未修正的温度数据反比曲线f(z)和修正量数据曲线Δ(z)，通过采样数据得到f(z)，通过从修正系数表中读取所有分段区间的修正参数得到修正量数据曲线Δ(z)，从而得到最终自动修正后的温 度数据曲线本发明可供生产调试过程和工程现场快速的自动修正温度曲线，加快安装调试进度，避免人工修正操作耗费大量时间去反复调整温度修正曲线。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例分布式拉曼温度传感系统的温度解调计算和修正算法的推导过程；

图2为本发明实施例自适应分段的计算方法流程图；

图3为本发明实施例分段区间的修正系数的计算方法流程图；

图4为本发明实施例温度曲线的自动修正计算方法流程图；

图5为分布式光纤温度传感系统的温度曲线自动修正系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明以分布式光纤拉曼温度传感系统为例，其温度曲线自动修正算法包括自适应分段计算、分段修正计算、修正系数表的自动计算等算法。本发明自动修正中包括一个算法所需的修正系数表，该修正系数表的每一行对应一个分段区间的一组修正系数：分段区间范围、分段调平系数、分段校准系数和分段校准温度。在执行温度曲线自动修正操作之前至少需要先执行一次修正系数表的定标操作。

修正系数表的定标方法包括分段区间的自适应计算和修正系数表的自动计算，本发明所述各种算法集成在一起实现一种完整的温度曲线自动修正算法。

分段区间的自适应计算要求先根据采样斯托克斯和反斯托克斯的光强数据计算得到未修正之前的温度曲线，然后计算该曲线对应的二阶倒数曲线， 再根据该二阶倒数曲线的数值变化特点，自动计算各分段区间的范围，记录并存入修正系数表中。

修正系数表的自动计算用来计算各分段区间的分段调平系数和分段校准系数，调平系数的作用是将该分段区间的曲线调整为水平，校准系数的作用是将该分段区间调平后的曲线调整到实际温度值。分段调平系数是通过采用最小二乘法计算该分段区间的斜率值得到，分段校准系数则是通过计算用户设置的该分段区间的分段校准温度值与分段区间调平后的温度计算值之间的差值得到。

分段修正计算方法是在每次计算得到未修正温度曲线之后执行，具体方法为：先判断当前数据点的位置所处的分段区间，然后从修正系数表中获取该分段区间的分段调平系数和分段校准系数，再计算该数据点的修正量，最后将修正量与该数据点的数值相加得到修正后的温度值，逐点计算未修正温度曲线上各数据点就可得到修正后的温度解调计算曲线。

本发明公开了分布式光纤拉曼温度传感系统的一种温度曲线自动修正算法，所述的自动修正算法定标操作简单，对未修正的温度曲线的自适应分段操作和修正系数表的计算操作均为自动完成，不需人工干预，所以可显著提高分布式光纤拉曼温度传感系统的生产调试和工程安装效率。这种算法不仅适用于时域拉曼温度传感系统，也适用于频域拉曼温度传感系统。

如图1所示，本发明实施例的温度曲线自动修正算法是从基于光时域反射原理和参考光纤法的原始温度解调计算公式推导并简化而来。

步骤S11中可以实际测量出来的参数值为：参考光纤温度T(0)、斯托克斯光的光强的电压采样值曲线V_s(z)和反斯托克斯光的光强的电压采样值曲线V_as(z)，需要根据实际使用的测温光纤定标才能确定的参数值为：γ和Δα，其中γ系数为与光纤材料相关的温度计算系数，其为表征温度解调计算曲线T(z)与斯托克斯和反斯托克斯光的光强比值变化量的比例系数，其中h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数。Δα为与光纤类型相关的常数，其为表征温度解调计算曲线T(z)与斯托克斯和反斯托克斯光在测温光纤中不同位置 的传输损耗差异的比例系数。

步骤S12中将S11中的温度解调计算关系式改写后，将温度解调计算曲线T(z)分解为由未修正的温度数据反比曲线f(z)和修正量数据曲线Δ(z)构成，修正量数据曲线Δ(z)的作用是在未修正的温度数据反比曲线f(z)上逐点修正温度数据，使得最终得到的温度解调计算曲线T(z)与真实温度数据相符。其中未修正的温度数据反比曲线f(z)仅与γ有关，修正量数据曲线Δ(z)仅与Δα有关，这种变换处理方法可分别独立地定标计算出γ和Δα。

步骤S13是在安装测温光纤时因焊接和扭曲引起未修正的温度数据反比曲线f(z)出现较大起伏而提出使用分段修正方式解决，分段区间的计算是通过判断未修正的温度数据反比曲线f(z)的二阶倒数变化来实现。

步骤S14是在未修正的温度数据反比曲线f(z)的每个分段区间采用线性拟合方式计算各自对应的修正量数据曲线Δ_n(z)，其中调平系数A_n的作用是使得该分段曲线调整为水平(温度相同)，校准系数B_n的作用是使得该分段曲线的值调整到实际温度值。

步骤S15则是完成自动分段和各分段修正系数的定标计算之后，在正常进行温度解调计算工作时执行自动修正计算的算法公式。

如图2所示，本发明所述的自适应分段计算的算法是通过判断未修正的温度数据反比曲线f(z)的倒数曲线的变化趋势实现自动分段。在进行步骤S21之前需要打开定标开关，并先定标计算γ系数；然后根据实际采样得到的参考光纤温度T(0)、斯托克斯光强数据曲线V_s(z)和反斯托克斯光强数据曲线V_as(z)，可计算得到未修正的温度数据反比曲线f(z)。步骤S22为计算未修正的温度数据反比曲线f(z)的二阶倒数曲线，该曲线在数值0上下波动。步骤S23在步骤S22所得二阶倒数曲线上提取并记录各个大于经验阈值的数据点位置，步骤S24则根据这些数据点位置自动计算出各个分段区间的范围，重建 修正系数表。

如图3所示，本发明所述的修正系数表的分段自动定标算法是基于最小二乘法实现。该算法紧随自适应分段算法之后执行，故步骤S31与S21相同，均是先计算未修正之前的温度数据反比曲线；步骤S32则从修正系数表中读取某个分段区间的范围[PT_s，PT_e]和校准温度值T_n，并根据分段区间范围计算包含数据点数N_n＝PT_e-PT_s；步骤S33使用最小二乘法计算未修正之前的温度数据反比曲线f(z)在该分段区间内的线性拟合趋势线，可得到该趋势线的斜率k_n和b_n，$k_n=\frac{N_n*\Sigma (z*f\left(z\right))-\mathrm{\Sigma z}*\mathrm{\Sigma f}\left(z\right)}{N_n*\Sigma z^2-{\left(\mathrm{\Sigma z}\right)}^2},$$b_n=\frac{1}{N}(\mathrm{\Sigma f}\left(z\right)-k_n*\mathrm{\Sigma z});$步骤S34是根据计算公式分别计算该分段区间的调平系数A_n＝k_n和校准系数B_n＝b_n-T_n；步骤S35重复执行分段区间的修正系数的定标计算操作，获取完整的修正系数表。

如图4所示，本发明所述的温度曲线的自动修正算法的执行流程。首先判断定标开关是否打开，若是，则执行步骤S21～S24和步骤S31～S35，重新计算修正系数表，否则执行步骤S41读取修正系数表获取各分段区间的范围、分段调平系数和分段校准系数，然后执行步骤S42计算各分段区间的修正量数据Δ_n(z)＝Δα*(z-z₀)＝A_n*z+B_n(n＝1、2、3......)，其中z₀表示参考光纤的数据点序号，z为测温光纤上各采样数据点的序号，z＝1、2、3……，这些分段修正量数据连接起来构成修正量数据曲线Δ(z)，步骤S43计算未修正之前的温度数据反比曲线最后在步骤S44中根据温度曲线修正计算公式计算修正后的温度解调计算曲线

本发明还提供了一种分布式光纤温度传感系统的度曲线自动修正系统，基于上述修正算法，如图5所示，包括：

未修正的温度数据反比曲线计算模块，用于根据采样得到的参考光纤温度T(0)、斯托克斯光强数据曲线V_s(z)和反斯托克斯光强数据曲线V_as(z)，计算未修正的温度数据反比曲线

修正系数表读取模块，用于从修正系数表中读取所有分段区间的修正参数，包括分段区间的范围和修正系数，该修正系数包括调平系数An和校准系数Bn；

修正量计算模块，用于根据读取的修正系数表中的数据计算各分段区间的修正量Δ_n(z)＝Δα*(z-z₀)＝A_n*z+B_n(n＝1、2、3......)，将这些分段修正量依次连接在一起得到与未修正的温度数据反比曲线对应的修正量数据曲线Δ_n(z)；

修正后的温度数据曲线计算模块，用于计算修正后的温度数据曲线 $T\left(z\right)=\frac{1}{f\left(z\right)-\Delta \left(z\right)}.$

本发明的一个实施例中，该系统还包括定标模块，用于修正系数表中的数据，该定标模块具体包括：

开关模块，用于打开或者关闭定标开关；

γ系数计算模块，用于计算γ系数；

曲线计算模块，用于根据实际采样得到的参考光纤温度T(0)、斯托克斯光强数据曲线Vs(z)和反斯托克斯光强数据曲线Vas(z)，计算得到未修正的温度数据反比曲线f(z)；并计算未修正的温度数据反比曲线f(z)的二阶倒数曲线该曲线在数值0上下波动，曲线上的凸点和凹点对应光纤焊点和扭曲位置；

提取分段区间模块，用于逐点判断二阶倒数曲线上的数据，提取并记录各个大于经验阈值的数据点位置，根据这些数据点位置自动计算出各个分段 区间的范围；

分段计算模块，用于计算分段校准温度值Tn和各分段区间的修正系数，重建修正系数表。

以上内容是对本发明所做的进一步详细说明，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的计算公式和执行步骤是为了帮助读者理解本发明的原理，不能认定本发明具体只局限于上述这些说明。在不脱离本发明实质的其他各种简单变换、替换和组合，都应当视为属于本发明的保护范围。