一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調方法與流程

本發明涉及分布式光纖拉曼測溫系統中的溫度解調方法，具體是一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調方法。

背景技術：

分布式光纖拉曼測溫系統是利用光纖中的自發拉曼散射效應，結合光時域反射技術(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)實現的可用于分布式、連續式、實時測量空間溫度場分布的一種新型傳感系統。與傳統的電子溫度傳感器相比，分布式光纖拉曼測溫系統具有抗電磁干擾、耐高壓、精度高、結構簡單等優點，所以被廣泛應用于電力電纜溫度監測、結構健康監測、大壩泄漏監測等領域。

在分布式光纖拉曼測溫系統中，目前常用的溫度解調方法是利用Stokes光作為參考通道，利用anti-Stokes光作為信號通道，然后利用這兩種光的波長比值來解調溫度信息。然而實踐表明，現有溫度解調方法由于自身原理所限，存在如下問題：其一，由于Stokes光和anti-Stokes光的波長不同，其在光纖中的傳播速度存在差異，因此同一位置散射回來的Stokes光和anti-Stokes光到達數據采集卡的時間不同，導致數據采集卡在同一時間采集到的Stokes光和anti-Stokes光并不是來自同一位置，由此導致信號錯位，從而導致系統的測溫精度低。其二，在現有溫度解調方法中，為了消除光纖損耗來解調出溫度信息，必須在測溫前將整條待測光纖置于恒溫下進行定標處理(倘若更換待測光纖、調整激光器功率或更換任意系統器件，則必須重新進行定標處理)，由此導致操作繁瑣，從而導致系統的測溫效率低。基于此，有必要發明一種全新的溫度解調方法，以解決現有分布式光纖拉曼測溫系統中的溫度解調方法導致系統的測溫精度低和測溫效率低的問題。

技術實現要素：

本發明為了解決現有分布式光纖拉曼測溫系統中的溫度解調方法導致系統的測溫精度低和測溫效率低的問題，提供了一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調方法。

本發明是采用如下技術方案實現的：

一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：搭建分布式光纖拉曼測溫系統；

所述分布式光纖拉曼測溫系統包括拉曼測溫儀、第一高精度恒溫槽、第二高精度恒溫槽、待測光纖、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器；

所述拉曼測溫儀包括脈沖激光器、WDM、第一APD、第二APD、第一LNA、第二LNA、數據采集卡、計算機；其中，脈沖激光器的輸出端與WDM的輸入端連接；WDM的兩個輸出端分別與第一APD的輸入端和第二APD的輸入端連接；第一APD的輸出端與第一LNA的輸入端連接；第二APD的輸出端與第二LNA的輸入端連接；第一LNA的輸出端和第二LNA的輸出端均與數據采集卡的輸入端連接；數據采集卡的輸出端與計算機的輸入端連接；計算機與脈沖激光器雙向連接；

待測光纖的前端與WDM的公共端連接；待測光纖的中間部分分別繞制有第一參考光纖環和第二參考光纖環；第一參考光纖環放置于第一高精度恒溫槽中；第二參考光纖環放置于第二高精度恒溫槽中；第一溫度傳感器安裝于第一高精度恒溫槽上；第二溫度傳感器安裝于第二高精度恒溫槽上；第一溫度傳感器和第二溫度傳感器均與計算機雙向連接；

步驟二：將第一高精度恒溫槽的溫度值設置為T₁，將第二高精度恒溫槽的溫度值設置為T₂；然后，啟動拉曼測溫儀，脈沖激光器發出的激光脈沖經WDM入射到待測光纖；激光脈沖在待測光纖中傳播時發生自發拉曼散射，由此使得待測光纖的各個位置均產生背向傳輸的Stokes光和anti-Stokes光；

Stokes光依次經WDM、第一APD、第一LNA入射到數據采集卡，數據采集卡對Stokes光進行模數轉換，由此得到Stokes光的光強曲線，該光強曲線中包含一個因菲涅爾反射導致的尖峰；

anti-Stokes光依次經WDM、第二APD、第二LNA入射到數據采集卡，數據采集卡對anti-Stokes光進行模數轉換，由此得到anti-Stokes光的光強曲線，該光強曲線中同樣包含一個因菲涅爾反射導致的尖峰；

步驟三：根據Stokes光的光強曲線中的尖峰位置和anti-Stokes光的光強曲線中的尖峰位置，對Stokes光進行插值處理，由此使得待測光纖的同一位置產生的Stokes光和anti-Stokes光到達數據采集卡的時間相同；

步驟四：根據第一參考光纖環的位置和第二參考光纖環的位置，對Stokes光和anti-Stokes光進行損耗補償；

步驟五：根據損耗補償后的Stokes光和anti-Stokes光，對待測光纖進行溫度解調。

與現有分布式光纖拉曼測溫系統中的溫度解調方法相比，本發明所述的一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調方法具有如下優點：其一，本發明通過對Stokes光進行插值處理，使得同一位置散射回來的Stokes光和anti-Stokes光到達數據采集卡的時間相同，由此有效避免了信號錯位，從而有效提高了系統的測溫精度。其二，本發明通過對Stokes光和anti-Stokes光進行損耗補償，使得在測溫前無需將待測光纖進行定標處理，由此有效簡化了操作，從而有效提高了系統的測溫效率。

本發明有效解決了現有分布式光纖拉曼測溫系統中的溫度解調方法導致系統的測溫精度低和測溫效率低的問題，適用于分布式光纖拉曼測溫系統。

附圖說明

圖1是本發明中分布式光纖拉曼測溫系統的結構示意圖。

圖2是插值處理前Stokes光和anti-Stokes光的測量位置示意圖。

圖3是插值處理前Stokes光和anti-Stokes光的光強曲線示意圖。

圖4是插值處理后Stokes光和anti-Stokes光的測量位置示意圖。

圖5是插值處理后Stokes光和anti-Stokes光的光強曲線示意圖。

圖6是損耗補償前Stokes光和anti-Stokes光的光強曲線示意圖。

圖7是損耗補償后Stokes光和anti-Stokes光的光強曲線示意圖。

圖1中：1-脈沖激光器，2-WDM(波分復用器)，3-第一APD(第一雪崩光電二極管)，4-第二APD(第二雪崩光電二極管)，5-第一LNA(第一低噪放大器)，6-第二LNA(第二低噪放大器)，7-數據采集卡，8-計算機，9-第一高精度恒溫槽，10-第二高精度恒溫槽，11-待測光纖，12-第一溫度傳感器，13-第二溫度傳感器，虛線框部分表示拉曼測溫儀。

圖2中：a表示拉曼測溫儀，虛線框部分表示待測光纖。

圖4中：a表示拉曼測溫儀，虛線框部分表示待測光纖。

具體實施方式

一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：搭建分布式光纖拉曼測溫系統；

所述分布式光纖拉曼測溫系統包括拉曼測溫儀、第一高精度恒溫槽9、第二高精度恒溫槽10、待測光纖11、第一溫度傳感器12、第二溫度傳感器13；

所述拉曼測溫儀包括脈沖激光器1、WDM2、第一APD3、第二APD4、第一LNA5、第二LNA6、數據采集卡7、計算機8；其中，脈沖激光器1的輸出端與WDM2的輸入端連接；WDM2的兩個輸出端分別與第一APD3的輸入端和第二APD4的輸入端連接；第一APD3的輸出端與第一LNA5的輸入端連接；第二APD4的輸出端與第二LNA6的輸入端連接；第一LNA5的輸出端和第二LNA6的輸出端均與數據采集卡7的輸入端連接；數據采集卡7的輸出端與計算機8的輸入端連接；計算機8與脈沖激光器1雙向連接；

待測光纖11的前端與WDM2的公共端連接；待測光纖11的中間部分分別繞制有第一參考光纖環和第二參考光纖環；第一參考光纖環放置于第一高精度恒溫槽9中；第二參考光纖環放置于第二高精度恒溫槽10中；第一溫度傳感器12安裝于第一高精度恒溫槽9上；第二溫度傳感器13安裝于第二高精度恒溫槽10上；第一溫度傳感器12和第二溫度傳感器13均與計算機8雙向連接；

步驟二：將第一高精度恒溫槽9的溫度值設置為T₁，將第二高精度恒溫槽10的溫度值設置為T₂；然后，啟動拉曼測溫儀，脈沖激光器1發出的激光脈沖經WDM2入射到待測光纖11；激光脈沖在待測光纖11中傳播時發生自發拉曼散射，由此使得待測光纖11的各個位置均產生背向傳輸的Stokes光和anti-Stokes光；

Stokes光依次經WDM2、第一APD3、第一LNA5入射到數據采集卡7，數據采集卡7對Stokes光進行模數轉換，由此得到Stokes光的光強曲線，該光強曲線中包含一個因菲涅爾反射導致的尖峰；

anti-Stokes光依次經WDM2、第二APD4、第二LNA6入射到數據采集卡7，數據采集卡7對anti-Stokes光進行模數轉換，由此得到anti-Stokes光的光強曲線，該光強曲線中同樣包含一個因菲涅爾反射導致的尖峰；

步驟三：根據Stokes光的光強曲線中的尖峰位置和anti-Stokes光的光強曲線中的尖峰位置，對Stokes光進行插值處理，由此使得待測光纖11的同一位置產生的Stokes光和anti-Stokes光到達數據采集卡7的時間相同；

步驟四：根據第一參考光纖環的位置和第二參考光纖環的位置，對Stokes光和anti-Stokes光進行損耗補償；

步驟五：根據損耗補償后的Stokes光和anti-Stokes光，對待測光纖11進行溫度解調。

所述步驟三中，插值處理的具體步驟如下：

設Stokes光的光強曲線中的尖峰位置為L_1max，設anti-Stokes光的光強曲線中的尖峰位置為L_2max，則其差值L_c＝|L_1max-L_2max|；然后，對差值L_c采用就最近整數取整處理，并令其中，φ_s(L)表示待測光纖11的某一位置產生的Stokes光的光強值；L表示該位置與待測光纖11的前端之間的距離。

所述步驟四中，損耗補償的具體步驟如下：

設第一參考光纖環的位置與待測光纖11的前端之間的距離為L₁，設第二參考光纖環的位置與待測光纖11的前端之間的距離為L₂；

根據Stokes光的光強曲線，確定第一參考光纖環的位置產生的Stokes光的光強值為φ_s1，確定第二參考光纖環的位置產生的Stokes光的光強值為φ_s2；

計算待測光纖11對Stokes光的損耗系數α_o+α_s；具體計算公式如下：

公式(1)中：α_o表示激光脈沖在待測光纖11中單位長度下的損耗系數；α_s表示Stokes光在待測光纖11中單位長度下的損耗系數；h表示普朗克常數；Δv表示光纖的拉曼頻移量；K表示玻爾茲曼常數；

根據anti-Stokes光的光強曲線，確定第一參考光纖環的位置產生的anti-Stokes光的光強值為φ_a1，確定第二參考光纖環的位置產生的anti-Stokes光的光強值為φ_a2；

計算待測光纖11對anti-Stokes光的損耗系數α_o+α_a；具體計算公式如下：

公式(2)中：α_o表示激光脈沖在待測光纖11中單位長度下的損耗系數；α_a表示anti-Stokes光在待測光纖11中單位長度下的損耗系數；h表示普朗克常數；Δv表示光纖的拉曼頻移量；K表示玻爾茲曼常數。

所述步驟五中，具體溫度解調公式如下：

公式(3)中：T表示待測光纖11的某一位置的溫度值；φ_s表示該位置產生的Stokes光的光強值；φ_a表示該位置產生的anti-Stokes光的光強值；L表示該位置與待測光纖11的前端之間的距離；φ_s1表示第一參考光纖環的位置產生的Stokes光的光強值；φ_a1表示第一參考光纖環的位置產生的anti-Stokes光的光強值；φ_s2表示第二參考光纖環的位置產生的Stokes光的光強值；φ_a2表示第二參考光纖環的位置產生的anti-Stokes光的光強值；L₁表示第一參考光纖環的位置與待測光纖11的前端之間的距離；L₂表示第二參考光纖環的位置與待測光纖11的前端之間的距離；h表示普朗克常數；Δv表示光纖的拉曼頻移量；K表示玻爾茲曼常數。

具體實施時，所述脈沖激光器的波長為1550.1nm、脈寬為10ns、重復頻率為8KHz。所述WDM的工作波長為1550nm/1450nm/1663nm。所述第一APD的帶寬為80MHz、光譜響應范圍為900～1700nm。所述第二APD的帶寬為80MHz、光譜響應范圍為900～1700nm。所述第一LNA的帶寬為100MHz。所述第二LNA的帶寬為100MHz。所述數據采集卡的通道數為4、采樣率為100M/s、帶寬為100MHz。所述待測光纖為普通多模光纖。