拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测系统及方法

摘要

本发明涉及分布式光纤温度传感技术领域，具体地说，涉及一种拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测系统及方法。其包括：检测光纤、脉冲激光器、波分复用器、光电探测器以及计算单元；检测光纤具有位于恒温环境下的参考光纤段，计算单元用于基于参考光纤段任一点处的背向反斯托克斯拉曼散射光的光通量和背向斯托克斯拉曼散射光的光通量以及测量点处的背向反斯托克斯拉曼散射光的光通量和背向斯托克斯拉曼散射光的光通量，获取测量点处的温度。本发明的方法基于上述系统实现。本发明能够较佳地提升温度测量的准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤温度传感技术领域，具体地说，涉及一种拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测系统及方法。

背景技术

分布式光纤温度传感技术是近年来发展起来的利用光纤内的拉曼散射效应实现大范围内空间温度分布实时连续监测的传感技术。与传统的温度检测方法相比，分布式光纤温度传感技术具有抗电磁干扰、长距离大范围温度监测等优势，被广泛用于道路隧道安全、油气管道泄露、火灾监测预警等领域。

光在光纤中传输时发生拉曼散射效应，产生斯托克斯拉曼散射光和反斯托克拉曼散射光。分布式光纤温度传感系统(Distributed temperature fiber sensors， DTS)多以斯托克拉曼散射光作为参考光、反斯托克斯光作为信号光，采用散射光强度比值法结合光时域反射技术对各个散射点进行温度解调和定位。

为了提高DTS系统的测温准确度，现有技术进行大量的研究和校正。如：为降低光纤色散对测温误差的影响，提出了光速修正法、3段Hermite插值算法、色散补偿平移算法等；为减少噪声的影响，提出了瑞利噪声抑制算法、光电探测器动态噪声抑制方法小波模最大去噪算法等；为解决斯托克斯光和反斯托克斯光波长相关损耗及由光纤弯曲或所处环境变化产生的附加损耗，提出了双光源修正法、环形光纤结构修正法、拟合衰减差法、温度自补偿等。

上述的修正方法都能够有效地降低DTS系统的测温误差，但是DTS系统使用散射光强度比值法解调温度时都忽略了作为参考光的斯托克斯光强度的温度响应对测温准确度的影响。

经研究发现，DTS系统对光纤所处环境进行温度测量时，若被测区域温度升高，光纤中的散射光强度随着温度的升高而增大。当环境温度升高300℃时，反斯托克斯光强变化约237％的同时，斯托克斯光强也变化了34％。光纤中的斯托克斯光强度的局部增大，使得被测区域的反斯托克斯光强度与斯托克斯光强度的比值减小，从而导致解调的温度与实际温度存在偏差。

为了消除这一测温误差，传统的方法是DTS系统进行温度测量前将整条传感光纤放置在同一温度下测量光纤中的斯托克斯光强分布，以该斯托克斯光强分布作为参考光解调温度。该方法以固定的斯托克斯光强作为参考，无法消除光源抖动的影响。若测量过程中更换传感光纤等设备，斯托克斯光强分布需要重新测量标定，而且测量标定过程中需要将光纤放置在同一温度下，这一标定条件在很多工程应用中难以实现。

发明内容

本发明提供了一种拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测系统，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测系统，其包括：

检测光纤，其用于部署于测温区域处；

脉冲激光器，其用于产生激光脉冲；

波分复用器，其用于将所述激光脉冲作为入射光传递至检测光纤处，并用于对检测光纤的背向散射光进行滤波以获取背向斯托克斯拉曼散射光和背向反斯托克斯拉曼散射光；

光电探测器，其用于将所述背向斯托克斯拉曼散射光和所述背向反斯托克斯拉曼散射光转换为对应的电信号；

采集单元，其用于采集光电探测器所输出的对应信号；以及

计算单元，其用于根据采集单元所采集的信号对检测光纤任一点处的背向斯托克斯拉曼散射光和背向反斯托克斯拉曼散射光的光通量进行计算，并用于计算获取检测光纤任一测量点处的检测温度；

检测光纤具有位于恒温T

其中，k为玻尔兹曼常量，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移量。

通过在检测光纤处设置位于恒温T

作为优选，光电探测器为光雪崩二极管。故而能够较佳地将背向斯托克斯拉曼散射光和背向反斯托克斯拉曼散射光转换为电信号。

作为优选，参考光纤段设于检测光纤的首段。故而能够较佳地便于实施和控制。

基于任一上述的系统，本发明还提供了一种拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测方法，其包括如下步骤：

步骤S1、在检测光纤处设置参考光纤段，并设置参考光纤段处于恒温环境中；

步骤S2、获取参考光纤段任一点处的背向反斯托克斯拉曼散射光的光通量

步骤S3，获取测量点处的温度T，其中，

其中，k为玻尔兹曼常量，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移量。

通过步骤S1-S3，能够较佳地降低因温度变化而对测温准确度所造成的影响。

作为优选，光通量

作为优选，光通量

其中，

-(α

光通量

通过上述，即可较佳地基于参考光纤段任一点处的背向斯托克斯拉曼散射光的强度，对检测光纤中任一点的背向斯托克斯拉曼散射光的强度进行推算，由于参考光纤段处于恒温环境下，故能够较佳地避免因对温度的响应而导致的测温误差。

作为优选，检测光纤的衰减系数-(α

步骤SA、构建参考光纤段的每个点的背向斯托克斯拉曼散射光的光通量

其中，α

步骤SB、以

通过上述，能够较佳地基于实测值对计算模型进行拟合，从而能够较佳地获取光纤的衰减系数-(α

作为优选，步骤SA中，背向斯托克斯拉曼散射光的温度调制函数R

附图说明

图1为实施例1中的一种拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测系统的示意图；

图2为实施例1中检测光纤中的背向斯托克斯拉曼散射光和背向反斯托克斯拉曼散射光的强度分布；

图3为实施例1中的检测光纤中的原始斯托克斯拉曼散射光的强度和经指数拟合后的斯托克斯拉曼散射光的强度的分布曲线；

图4为常规DTS系统/方法与实施例1的方案的对50℃和75℃的环境温度进行测温时的测量值的测温曲线；

图5为常规DTS系统/方法与实施例1的方案的对50℃和75℃的环境温度进行测温时的测温偏差。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测系统，基于该系统，本实施例还提供了一种拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测方法。其通过在检测光纤处设置参考光纤段，能够较佳地基于参考光纤段处的背向斯托克斯拉曼散射光实现对检测光纤任一点处的背向斯托克斯拉曼散射光的计算，故而能够较佳地降低温度对背向斯托克斯拉曼散射光的影响，达到测温准确度提高的目的。

本实施例的拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测系统包括：

检测光纤，其用于部署于测温区域处；

脉冲激光器，其用于产生激光脉冲；

波分复用器，其用于将所述激光脉冲作为入射光传递至检测光纤首端处，并用于对检测光纤的背向散射光进行滤波以获取背向斯托克斯拉曼散射光和背向反斯托克斯拉曼散射光；

光电探测器，其用于将所述背向斯托克斯拉曼散射光和所述背向反斯托克斯拉曼散射光转换为对应的电信号；

采集单元，其用于采集光电探测器所输出的对应信号；以及

计算单元，其用于根据采集单元所采集的信号对检测光纤任一点处的背向斯托克斯拉曼散射光和背向反斯托克斯拉曼散射光的光通量进行计算，并用于计算获取检测光纤任一测量点处的检测温度；

检测光纤具有位于恒温T

其中，k为玻尔兹曼常量，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移量。

通过在检测光纤处设置位于恒温T

本实施例中，光电探测器为光雪崩二极管。故而能够较佳地将背向斯托克斯拉曼散射光和背向反斯托克斯拉曼散射光转换为电信号。

本实施例中，参考光纤段设于检测光纤的首段。故而能够较佳地便于实施和控制。

基于本实施例的系统，本实施例还提供了一种拉曼斯托克斯光强动态自校准分布式温度检测方法，其包括如下步骤：

步骤S1、在检测光纤处设置参考光纤段，并设置参考光纤段处于恒温环境中；

步骤S2、获取参考光纤段任一点处的背向反斯托克斯拉曼散射光的光通量

步骤S3，获取测量点处的温度T，其中，

其中，k为玻尔兹曼常量，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移量。

通过步骤S1-S3，能够较佳地降低因温度变化而对测温准确度所造成的影响。

本实施例中，能够通过参考光纤段中的背向斯托克斯拉曼散射光，基于衰减系数求解出检测光纤处任一点的背向斯托克斯拉曼散射光，故而不需要将整条检测光纤放在同一温度下以获得背向斯托克斯拉曼散射光的强度分布，故而操作便捷，且能够较佳地消除光源抖动对标定带来的影响。

本实施例中，光通量

本实施例中，光通量

其中，

-(α

光通量

通过上述，即可较佳地基于参考光纤段任一点处的背向斯托克斯拉曼散射光的强度，对检测光纤中任一点的背向斯托克斯拉曼散射光的强度进行推算，由于参考光纤段处于恒温环境下，故能够较佳地避免因对温度的响应而导致的测温误差。

这是因为，在均匀的、未断裂的光纤中，散射光信号沿光纤长度的增加呈指数衰减，故通过上述公式，能够得到检测光纤的任一点处于参考温度(即参考光纤段所在的环境温度T

本实施例中，检测光纤的衰减系数-(α

步骤SA、构建参考光纤段的每个点的背向斯托克斯拉曼散射光的光通量

其中，α

步骤SB、以

通过上述，能够较佳地基于实测值对计算模型进行拟合，从而能够较佳地获取光纤的衰减系数-(α

本实施例中，步骤SA中，背向斯托克斯拉曼散射光的温度调制函数R

可以知晓的是，对于DTS系统(分布式光纤温度传感系统)而言，其以信号光(背向反斯托克斯拉曼散射光)和参考光(背向斯托克斯拉曼散射光)的强度之比解调温度。

激光脉冲(即入射光)在检测光纤内产生的背向斯托克斯拉曼散射光的光通量

公式(1)：

公式(2)：

其中，下标S、AS、O分别表示与背向斯托克斯拉曼散射光、背向反斯托克斯拉曼散射光和入射光相关的参数，

其中，

公式(3)：

公式(4)：

其中，k为玻尔兹曼常量，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移量，T为检测光纤对应点所处环境的温度。

通过对公式(1)进行对数运算，即可较佳地获取参考光纤段的每个点的背向斯托克斯拉曼散射光的光通量

本实施例作为一个具体的实施例，其脉冲激光器能够产生脉宽10ns、重复频率20KHz的激光脉冲，该激光脉冲能够经隔离度35dB-40dB的1×3波分复用器作为入射光进入检测光纤。激光脉冲在检测光纤能够发生拉曼散射效应，进而产生斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光；背向的斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光，能够经波分复用器滤波后在光电探测器处实现光电转换和信号放大；之后采集单元能够选用双通道高速采集卡，其能够对光电探测器处所处理的信号进行采集，并传输至计算单元处进行处理和存储。进而即可较佳地实现温度的分布式测量。

为了对本实施例所提供的系统及方法进行验证，本实施例中，设置检测光纤总长为1800m；参照图1，检测光纤的“I”段为参考光纤段，其长度为90m，其能够设置于如水浴箱中，进而能够较佳地保证其恒温环境；检测光纤的“III”段能够作为测试光纤段，其长度为90m，其能够设置于如恒温箱中，故而能够较佳地对测试光纤段的环境温度进行控制；检测光纤的“II”段及其余部分设置为普通光纤段。

在图2中，给出了在不同温度下，检测光纤中的背向斯托克斯拉曼散射光和背向反斯托克斯拉曼散射光的强度分布。

图2中，检测光纤的“I”段温度为35℃，检测光纤的“II”段和“IV”段温度为室温，检测光纤的“III”段中，“–––”表示温度为50℃时斯托克斯拉曼散射光强的实测值，“··–··”表示温度为75℃时斯托克斯拉曼散射光强的实测值。“……”表示温度为50℃时反斯托克斯拉曼散射光强的实测值，“——”表示温度为75℃时反斯托克斯拉曼散射光强的实测值。

通过图2可以看出，检测光纤“III”段温度升高后，反斯托克斯光强明显增大，斯托克斯光强也明显增大。

在图3中，给出了检测光纤中的原始斯托克斯拉曼散射光的强度(即实测值)和经指数拟合后的斯托克斯拉曼散射光的强度(即计算值)的分布曲线。

图3中，“□”和“○”表示检测光纤中的斯托克斯拉曼散射光强的实测值，检测光纤的“I”段温度为35℃，检测光纤的“II”段和“IV”段温度为室温，检测光纤的“III”段中，“□”表示温度为50℃，“○”表示温度为75℃。“——”表示根据检测光纤“I”段“□”的斯托克斯拉曼散射光强的实测值指数拟合后的斯托克斯拉曼散射光的强度(即计算值)的分布曲线。“--”表示根据检测光纤“I”段“○”的斯托克斯拉曼散射光强的实测值指数拟合后的斯托克斯拉曼散射光的强度(即计算值)的分布曲线。

通过图3可以看出，检测光纤的“I”段所处环境一致，但受到光源扰动的影响，检测光纤“I”段的斯托克斯拉曼散射光强的实测曲线并不重合。

利用实时采集的参考光纤中的斯托克斯光强度分布模拟得到整条光纤的斯托克斯光强度分布，对斯托克斯光进行动态自校准，指数拟合后的斯托克斯光强度曲线与原曲线吻合度较高，消除了光源扰动和恒温箱温度变化的影响。

在图4中，给出了常规DTS系统/方法与本实施例的方案的对50℃和75℃的环境温度进行测温时的测量值的测温曲线。

图4中，“□”表示常规DTS系统/方法在50℃的环境温度下的测量值，“Δ”表示本实施例的方案在50℃的环境温度下的测量值；“○”表示常规DTS系统在 75℃的环境温度下的测量值，

通过图4可以看出，常规DTS系统/方法更多地偏离了实际值，本实施例的方案，能够具备更为准确的测量值。

在图5中，给出了常规DTS系统/方法与本实施例的方案的对50℃和75℃的环境温度进行测温时的测温偏差。

图5中，“□”表示常规DTS系统/方法在50℃的环境温度下的偏差值，“Δ”表示本实施例的方案在50℃的环境温度下的偏差值；“○”表示常规DTS系统在 75℃的环境温度下的偏差值，

通过图5可以看出，常规DTS系统/方法在50℃的环境温度下，其偏差约为 2.5℃，本实施例的方案在50℃的环境温度下，其偏差约为1.5℃；常规DTS系统/方法在75℃的环境温度下，其偏差约为7℃，本实施例的方案在75℃的环境温度下，其偏差约为3.5℃。故而可以知晓的是，随着温度的升高，确会使得 DTS系统的偏差增加，而通过本实施例中的方案，能够较佳地抑制该偏差的增加，故而具有更佳的准确度。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。