一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法

摘要

本发明公开一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法，包括下列步骤：自动定标：计算光纤长度及衰减函数；数据去噪：结合累加去噪、小波阈值去噪的优势提高信号信噪比；数据补偿：采用基于Linear插值计算的色散消除算法，同步双路信号，采用数据拟合的方法实现了衰减补偿算法；数据解调：将双路光信号进行比值、对数等数值计算进行温度数据解调。本发明的光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法具有响应速度快、精度高、性能优异的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法。

背景技术

在分布式测温系统领域，光学技术的应用在该领域起着重要的作用。经过数十年无数科学家对其性能的改良和提升，光纤如今已经不仅是一种重要的通信媒介，同时，光纤也是一种关键的传感器件，已经逐渐被应用于一些环境参量的监测系统中。在分布式光纤传感系统中，光信号沿着光纤传播，光纤既可作为光传播的介质用以输送通信信号，也可以作为传感介质，通过探测光信号的变化来反映出外界环境的变化情况。随着近年来光纤通信的发展，以光纤作为传感媒介的测温系统被应用于实际的生活中。相较于传统电子传感系统，光纤传感系统有着十分巨大的优势。从硬件属性方面看，光纤大部分是一种以石英构成的材料，它质地柔软且柔韧性好、能够随意弯曲、耐腐蚀、重量轻、体积小，这在工程上给安装提供了便利，其实用性十分强，适用于许多不同的场景。同时，以光作为通信或传感信号，能够弥补电信号抗干扰能力差的缺点，十分有利于信号的传输与解调还原。用光信号传输数据，不需要引入电源，对一些易燃易爆场场合提供了更加安全的保障，光纤应用场景十分广泛。

分布式光纤测温技术，是基于光纤散射效应，以一整条光纤为传感载体的新型传感技术，能够测出光纤上所有点的温度，适用于远距离传输，相当于传统电子传感领域多个传感器组网覆盖测温区域，这大大减少了多传感器引起的电路混乱问题以及数据处理上数据量紊乱的缺点，也大大降低了材料成本。通常一套完整的分布式光纤测温系统一般只需要一根普通的多模光纤即可，将多模光纤铺设于需要监控的位置，并用一台主机系统进行光信号的采集、数据处理等，之后即可获得整条光纤上所覆设区域的温度。综上所述，分布式光纤测温系统具有抗电磁干扰、轻巧、抗腐蚀、长久使用、系统稳定等优势如此使得分布式光纤测温技术在测温领域脱颖而出，给测温技术提供了一种新思路、新方法。

美国航天局，提出以拉曼斯托克斯(Stokes)光为参考光，拉曼反斯托克斯(Anti-Stokes)光为信号光的温度双路解调方法，此DTS系统成功地应用于航空领域。中国计量大学张在宣团队提出了分布式光纤拉曼测温系统的设计方案，系统中集成了双通道光电探测技术、自校准技术、采样平均处理等技术，研制出一套DTS系统，所采用的测温光纤为1km光纤，实验结果表明，温度精度在±2℃，温度分辨率为0.1℃，测温区间0℃-120℃，测量时间不超过40s。虽然，分布式光纤测温技术相对成熟，但随着科技的日新月异的进步，现有的系统性能还不能满足更高精度的需求，还存在一些技术上的难题和缺点，比如：测温精度不高、传输距离短、温敏性能不高、采集速度慢等问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法。具体技术方案如下：

本发明提供了一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法，包括以下步骤：

S1.自动定标：利用自动寻峰算法对光纤参数进行自动定标，并计算衰减补偿函数f(x)；

S2.数据去噪：采集光纤中的拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光的双路频谱信号，采用累加去噪算法和小波阈值去噪算法对所述双路频谱信号进行处理得到解调信号；

S3.数据补偿：利用所述衰减补偿函数和Linear插值算法对所述解调信号进行处理以补偿光强衰减和消除色散，得到补偿信号；

S4.数据解调：根据拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光的光强与温度的关系，对所述补偿信号进行解调，得到温度分布函数T，其中，所述光强与温度的关系为

式中，U

进一步地，步骤S4中，温度分布函数T通过以下公式得到：

其中，I(T)为光强比值，I(T)＝U

进一步地，步骤S4中，所述拉曼斯托克斯光的玻尔兹曼因子和反斯托克斯光的玻尔兹曼因子

进一步地，步骤S1中，所述光纤参数包括光纤长度，使用自动寻峰算法定位始、末菲涅散射峰位置以自动计算光纤长度。

进一步地，步骤S2中，所述小波阈值去噪算法包括coif3小波基算法、极大极小阈值算法、软阈值法算法和六层分解算法中的至少一种算法。

进一步地，步骤S2中，所述累加去噪算法的累加次数大于或等于15000次，且所述累加次数小于或等于17000次。

进一步地，所述衰减补偿函数通过以下公式得到：

其中，α

进一步地，所述距离起始点l距离的衰减系数通过以下公式得到：

其中，α(l)为距离起始点l距离的衰减系数，Pi(l)为距离起始点l处衰减前的光强，Po(l)为距离起始点l处衰减后的光强。

进一步地，所述衰减补偿函数通过以下公式得到：

R(l)＝R

其中，R

进一步地，步骤S3中通过数据拟合算法对所述衰减补偿函数进行修正。

本发明的技术方案带来的有益效果包括：

a.去噪与补偿处理使得检测精度大大提高；

b.累加次数的限制提高利率响应速度；

c.综合性能优良。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1是本发明实施例的方法流程示意图；

图2是本发明实施例的实施方案中的定标流程示意图；

图3是本发明实施例的实施方案中的反斯托克斯光强曲线界面示意图；

图4是本发明实施例的实施方案中的原始信号解调温度曲线界面示意图；

图5是本发明实施例的实施方案中的累加16000次后温度曲线界面示意图；

图6是本发明实施例的实施方案中的小波去噪后温度曲线界面示意图；

图7是本发明实施例的实施方案中的色散消除前后双路光强曲线界面示意图；

图8是本发明实施例的实施方案中的衰减补偿前后双路光强曲线界面示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，提供了一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1.自动定标：利用自动寻峰算法对光纤参数进行自动定标，并计算衰减补偿函数f(x)；

S2.数据去噪：采集光纤中的拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光的双路频谱信号，采用累加去噪算法和小波阈值去噪算法对所述双路频谱信号进行处理得到解调信号；

S3.数据补偿：利用所述衰减补偿函数和Linear插值算法对所述解调信号进行处理以补偿光强衰减和消除色散，得到补偿信号；所述衰减补偿函数可以通过以下公式得到：

其中，α

其中所述距离起始点l距离的衰减系数可以通过以下公式得到：

其中，α(l)为距离起始点l距离的衰减系数，Pi(l)为距离起始点l处衰减前的光强，Po(l)为距离起始点l处衰减后的光强。

或者，所述衰减补偿函数通过以下公式得到：

R(l)＝R

其中，R

S4.数据解调：根据拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光的光强与温度的关系，对所述补偿信号进行解调，得到温度分布函数T，其中，所述光强与温度的关系为

式中，U

步骤S4可以再增加一个如图1所示的检验算法，检查结果是否符合要求，若是，则完成测温；若否，则回到步骤S2开始执行，重新采样、采集数据和计算。

步骤S4中，所述拉曼斯托克斯光的玻尔兹曼因子和反斯托克斯光的玻尔兹曼因子为

步骤S4中，温度分布函数T可以通过以下公式得到：

其中，I(T)为光强比值，I(T)＝U

在本发明的一个实施例中，步骤S1中，所述光纤参数包括光纤长度，使用自动寻峰算法定位始、末菲涅散射峰位置以自动计算光纤长度，更具体地，如图2所示，步骤S1包括：开始自动定标、数据采集、累加去噪、小波去噪、寻找菲涅散射峰、色散消除、计算衰减函数几个子步骤。另外，在本发明技术方案的整个流程中，还可以在步骤S1之后增加一个如图1中所示的判断算法，用来判断定标结果是否符合要求，若不符合则重新定标，若符合则进行下一步。

在本发明的一个实施例中，步骤S2中，所述小波阈值去噪算法包括coif3小波基算法、极大极小阈值算法、软阈值法算法和六层分解算法中的至少一种算法，极大地提高了信噪比。

在本发明的一个实施例中，步骤S2中，所述累加去噪算法的累加次数大于或等于15000次，且所述累加次数小于或等于17000次，优选为16000次，既能达到较高的精度，也能节省时间。

进一步地，步骤S3中通过数据拟合算法对所述衰减补偿函数进行修正。

以下提供本技术方案得以实现的一个具体操作：

采用Python语言进行解调算法设计，如附图1所示主要包括自动定标、数据去噪预处理、数据信号补偿、数据解调四项主要流程。

所述自动定标流程还包括：数据采集、去噪处理、数据补偿、自动计算光纤长度等几项流程，如图2所示。所述去噪预处理包括：结合累加平均去噪和小波阈值去噪两种去噪优势共同去噪。数据信号补偿包括：基于Linear数值计算的色散消除算法和采用数据拟合方法设计的衰减补偿算法。数据解调主要根据拉曼散射光与温度之间的关系在数值上进行比值、对数等计算即可解调出温度。

第一步：自动定标。如附图3所示采集到的拉曼反斯托克斯光曲线。由于在光纤始、末有熔接、法兰盘连接，故在始、末两端会发生菲涅散射的情况。使用自动寻峰算法定位始、末菲涅散射峰位置即可完成光纤长度自动计算，从而完成自动定标。同时，在定标过程中采集一次信号，计算出衰减补偿函数f(x)。

第二步：去噪处理。去噪处理主要结合累加平均去噪以及小波阈值去噪。大自然中最常见的为高斯白噪声，该噪声呈正态分布且满足零均特性，采用累加平均处理后可以很好地消除该类噪声，采用16000次累加次数，在很好消除噪声的同时，节约了计算时间。为进一步提高信噪比，累加平均去噪后采用小波阈值去噪算法。信号经过小波变化后，从时域变到了小波域，消除了信号再时域上的相关性，能够表现出信号局部的特征。在小波域上，有效信号的小波系数大，噪声信号的小波系数小，对小的小波系数进行处理，则可很好的减少噪声。本发明中使用到coif3小波基、极大极小阈值、软阈值法、6层分解实现小波去噪处理，最终得到较高信噪比的解调信号。

第三步：数据补偿。补偿算法主要包括衰减补偿和色散消除两种算法。光在光纤中传播，会存在一定衰减，在实际解调过程中，由于双路光信号衰减速度不同，导致解调比值曲线呈一定的衰减趋势，可根据衰减公式得到衰减前后信号的关系：

α(l)为距离起始点l距离的衰减系数，P

R(l)、R

则可以得到以下关系：

lg(R

实际情况下，将光纤至于同一温度下，可将lg(R(l))视为常数，将衰减前的电压比值经过对数运算后，经数据拟合得到比值曲线表达式。减去函数表达式中的常数项，即可得到衰减系数函数f(x)，经过计算可求得衰减电压比值

R(l)＝R

由于斯托克斯光和反斯托克斯光波长不同，导致双路信号采集不同步，存在一定的位置偏差，而且这种误差随着距离的增长愈发明显。在信号上表现为双路信号尾端菲涅尔散射峰不在同一位置。为消除色散带来的信号不同影响，提出采用Linear插值算法。

第四步：信号解调主要根据拉曼散射光与温度之间的理论公式进行推导，求导之间关系函数进行解调。拉曼散射光对温度变化十分敏感，其中斯托克斯光和反斯托克斯光的光强与温度存在以下关系：

式中KO为光电影响因子，K(L)为光突变损耗系数分别；K为散射截面有关系数；v为频率；Φe为入射光光通量；α为光损耗系数；L为光纤长度；通常K(L)的值并不是固定的且双路光对应的损耗系数也不一样，但是其比值却一般为一个固定值。R(T)为玻尔兹曼因子，可表示为：

h为普朗克常量；Δv为频移量；k为玻尔兹曼常量；T表示为绝对温度。当温度发生变化时，该因子也会发生改变，从而引起光强变化。为消除损耗系数等参数的影响，将双路光信号进行相除处理

在实际测量过程中，需要引入一个参考温度作为参考进行温度解调。在光纤始端10m处，缠绕一个10m的光纤环作为参考光纤并获取参考光纤上的温度T

下面提供本发明实施例的一个具体操作流程，本方法可以在具有显示屏的计算机上操作，算法执行过程中，显示屏在算法的不同阶段显示出如图3-8的计算结果。如下，将硬件光路、电路连接。先进行定标，根据菲涅散射峰的位置定位光纤长度，然后进行累加、小波去噪减小噪声，再进行Linear插值算法消除色散，最后通过5次曲线拟合算出衰减函数，如图3所示为：

f(x)＝3.089*10

定标完成后即可进行采集流程。

本发明中，结合累加平均去噪与小波阈值去噪两种去噪算法。首先使用16000次累加平均去噪，如图4所示为累加平均前解调得到的温度，图5为累加16000次后解调得到的温度。如表1所示，随着累加次数的增加，误差逐渐减小。累加16000次后的信噪比为累加1000次信噪比的1.6倍，误差波动范围也从±5℃缩小到±1.5℃。

表1累加平均去噪信噪比对比

经过累加平均去噪后，使用小波阈值去噪法进行去噪，使用到coif3小波基、极大极小阈值、软阈值法、6层分解实现小波去噪处理。

表2累加平均去噪与结合小波去噪信噪比和标准差对比

如图6所示为小波去噪后温度曲线，经过小波阈值去噪后，信噪比得到了进一步提升，标准差得到了缩小，当光纤处于同一温度时，上下仅为0.5℃的浮动，比起单一使用累加去噪的效果更好。

再去噪算法之后，进行数据补偿。首先采用Linear插值算法进行色散消除。如图7所示，图(a)为原始双路光信号尾端菲涅散射峰出现了很大的偏差，这是由于色散效应引起的双陆光不同步，图(b)为插值计算后的双路曲线，从视觉上可以看到双路光的菲涅散射峰得到了同步。接着再采用衰减补偿算法，将定标得到衰减补偿函数f(x)进行数值计算：

R(l)＝R

即可得到衰减补偿后的曲线。如图8所示，图(a)、图(b)为衰减补偿前后温度曲线。

最后进行数据解调，在解调时使用到

即可解调出温度。本发明性能指标如表3所示：

表3本文系统性能指标对比

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。