CN104344913A - 一种基于光纤光栅传感的温度测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅传感的温度测量***，包括激光器、测温点定位***、同步触发器、波分复用器、双通道APD探测器、放大电路、数据采集卡、工控机和数据显示器；激光器发出脉冲光信号通过波分复用器耦合到传感光纤，传感光纤中通过测温点定位***设置于待测温度场，双通道APD探测器放大电路连接，放大电路与数据采集卡连接，然后数据采集卡与将数据传输到工控机中，最后通过数据显示器来显示温度测量结果。本发明采用拉曼散射原理通过分布式光纤光栅来测量电缆温度，改善***信噪比,提高了***的测量精度。实现光纤沿线温度的分布式测量,为分布式光纤测温技术在电缆温度在线监测中的应用提供了重要参考。

Description

一种基于光纤光栅传感的温度测量***及方法

技术领域

本发明涉及一种光纤温度测量***，特别涉及一种基于光纤光栅传感的温度测量***。

背景技术

电力电缆在输电线路中广泛运用,但由于电缆在工作时会因过载等原因而发热升温,使其绝缘性能劣化,进而发展成为绝缘击穿乃至火灾,因此对其温度进行在线监测具有重要意义。光纤与其他传感器相比,具有抗电磁,耐高温,对温度、应变等外界变化敏感,且价格便宜等一系列优势,因此基于光纤传感器技术的分布式光纤温度测量技术得到广泛关注,经过不断发展完善已成为最具前途的温度测量技术之一；目前分布式光纤温度测量***还存在测量不够精确和***不能更好地适应宽泛的工控现场环境。

因此需要一种能够精确测量电缆工作状态时的温度信号。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够精确测量电缆工作状态时的温度信号。

本发明的目的之一是提出一种基于光纤光栅传感的温度测量***；本发明的目的之二是提出一种基于光纤光栅传感的温度测量方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种基于光纤光栅传感的温度测量***，包括激光器、测温点定位***、同步触发器、波分复用器、双通道APD探测器、放大电路、数据采集卡、工控机和数据显示器；

所述激光器发出脉冲光信号，同时通过所述同步触发器发出同步信号驱动数据采集卡进行工作，所述脉冲光信号经波分复用器耦合到传感光纤中，所述传感光纤设置于待测温度场中，所述测温点定位***用于确定传感光纤的设置位置，所述脉冲光信号经过光纤传输通道进入波分复用器耦合到接收通道，所述双通道APD探测器用于探测波分复用器传输的光信号，所述放大电路将双通道APD探测器输出的光电信号进行放大处理后输入到数据采集卡中进行数模转换，所述数据采集卡与工控机连接，所述工控机与数据显示器连接用于显示温度测量结果。

进一步，所述工控机设置有拉曼散射温度解调模块，所述拉曼散射温度解调模块采用以下步骤获取待测温度场中实际温度值：

S1：按以下公式获取整个光纤在T＝T0时的T0反斯托克斯光功率曲线和T0斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T₀)表示T＝T₀时的Stokes光功率；P_AS(T₀)表示T＝T₀时的Anti-stokes光功率；v表示光在光纤中传播的速度；E₀表示光脉冲能量；Δν表示拉曼声子振动频率(拉曼频移量)；h表示普朗克常数；α₀表示入射泵浦光在光纤中单位长度上的损耗系数；α_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的损耗系数；l表示光纤中某一测量点到测量起始点的距离；Γ_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的后向散射系数；

S2：然后将反斯托克斯光功率曲线和斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T0光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S3：在任意温度T时按以下公式测得实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T)表示任意温度T时的Stokes光功率；P_AS(T)表示任意温度T时的Anti-stokes光功率；

S4：将实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S5：将T0光功率比和T光功率比按以下公式计算得到光功率比值：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}/\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}==\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)};$

S6：根据光功率比值按以下公式计算得到温度分布曲线：

$T=\frac{\mathrm{h\Δv}{T}_0}{\mathrm{h\Δv}-k{T}_0\ln \left[\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)/P_S\left(T\right)}{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)/P_S\left(T_0\right)}\right]}.$

进一步，所述工控机设置有去噪处理模块，所述去噪处理模块采用线性累加算法进行，具体步骤如下：

S31：确定整根传感光纤长度为L，根据采样率确定的测量点数目为m，采样频率为f_s，对微弱的温度信号进行n次重复测量，将每次得到的m个测量点的结果依次排列，得到第i次测量得到序列

A_i＝[a_i1,a_i2,...a_ij...a_im]^T；

其中，x_ij表示的空间距离为长度为Δl的斯托克斯或反斯托克斯信号；

S32：将n次测量的结果写成如下的形式：

其中，矩阵的每一列表示进行一次测量的结果，每一行表示对同一点进行n次重复测量的结果；

S33：对矩阵A的各行求平均，得到均值序列：

B＝[b₁,b₂,b₃,.....b_m]^T；

其中，矩阵B代表不同测量点处信号的均值。

进一步，还包括自适应控制模块，所述工控机的控制信号输入输出端与自适应控制模块的分别与同步触发器、工控机和数据采集卡连接。

进一步，还包括光开关电路，所述光开关电路串联在波分复用器和传感光纤之间，用于控制波分复用器与传感光纤之间光信号的通或断。

进一步，还包括报警控制装置，所述工控机与报警控制装置的报警控制信号输出端连接。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种基于光纤光栅传感的温度测量方法，包括以下步骤：

S1：启动电源模块对***运行进行供电；

S2：通过传感光纤获取电缆温度信号；

S3：对传感光纤中的温度信息进行预处理；

S4：在工控机上对电缆温度进行解调得到电缆各点的实时温度分布；

S5：通过通信总线将电缆各点的实时温度分布信息和地理位置信息传送给主监控站；

S6：根据电缆电缆各点的实时温度分布信息和地理位置信息，判断电缆温升是否异常，如果是，则激活报警装置，并根据异常点地理信息发出维修信息指令；如果否，则返回步骤S2循环检测。

进一步，所述步骤S4中对电缆温度进行解调是按以下步骤来得到电缆各点的实时温度分布：

S41：按以下公式获取整个光纤在T＝T0时的T0反斯托克斯光功率曲线和T0斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T₀)表示T＝T₀时的Stokes光功率；P_AS(T₀)表示T＝T₀时的Anti-stokes光功率；v表示光在光纤中传播的速度；E₀表示光脉冲能量；Δν表示拉曼声子振动频率(拉曼频移量)；h表示普朗克常数；α₀表示入射泵浦光在光纤中单位长度上的损耗系数；α_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的损耗系数；l表示光纤中某一测量点到测量起始点的距离；Γ_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的后向散射系数；

S42：然后将反斯托克斯光功率曲线和斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T0光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S43：在任意温度T时按以下公式测得实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T)表示任意温度T时的Stokes光功率；P_AS(T)表示任意温度T时的Anti-stokes光功率；

S44：将实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S45：将T0光功率比和T光功率比按以下公式计算得到光功率比值：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}/\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)};$

S46：根据光功率比值按以下公式计算得到温度分布曲线：

$T=\frac{\mathrm{h\Δv}{T}_0}{\mathrm{h\Δv}-k{T}_0\ln \left[\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)/P_S\left(T\right)}{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)/P_S\left(T_0\right)}\right]}.$

进一步，所述步骤S3对传感光纤中的温度信息进行预处理是按以下步骤来得到电缆各点的实时温度分布：

S31：确定整根传感光纤长度为L，根据采样率确定的测量点数目为m，采样频率为f_s，对微弱的温度信号进行n次重复测量，将每次得到的m个测量点的结果依次排列，得到第i次测量得到序列

A_i＝[a_i1,a_i2,...a_ij...a_im]^T；

其中，x_ij表示的空间距离为长度为Δl的斯托克斯(或反斯托克斯)信号；

S32：将n次测量的结果写成如下的形式：

其中，矩阵的每一列表示进行一次测量的结果，每一行表示对同一点进行n次重复测量的结果；

S33：对矩阵A的各行求平均，得到均值序列：

B＝[b₁,b₂,b₃,.....b_m]^T；

其中，矩阵B代表不同测量点处信号的均值。

本发明的有益效果在于：本发明采用拉曼散射原理通过分布式光纤光栅来测量电缆温度。对采集到的温度数据进行处理。通过检测斯托克斯光和反斯托克斯参考用光两者光强的比值解调出散射区的温度信息,改善***信噪比,提高了***的测量精度。实现光纤沿线温度的分布式测量,为分布式光纤测温技术在电缆温度在线监测中的应用提供了重要参考。

本发明通过线性累加平均算法改善信噪比，具有算法简单，同时提高了测温***的稳定可靠性和精度，易于实现，且部分数据可以存储的优点。

本发明以Anti-stokes光作为信号通道，Stokes光作为参考通道，检测两者光强的比值，由此解调出散射区的温度信息的方法，可以有效地消除光源的不稳定以及光纤传输过程中的耦合损耗、光纤接头损耗、光纤弯曲损耗等因素的影响。数据采集卡采用外触发方式有效的解决***周期信号的同步问题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的基于光纤光栅传感的温度测量***图；

图2为OPLC光纤复合低压电缆故障在线监测***架构图。

其中，主监控站1、电源2、PC处理终端3、温度信息采集***4、传感光纤5、报警装置6。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的基于光纤光栅传感的温度测量***图，如图所示：本发明提供的一种基于光纤光栅传感的温度测量***，包括激光器、测温点定位***、同步触发器、波分复用器、双通道APD探测器、放大电路、数据采集卡、工控机和数据显示器；

所述激光器发出脉冲光信号，同时通过同步触发器发出同步信号驱动数据采集卡进行工作，所述脉冲光信号经波分复用器耦合到传感光纤中，所述传感光纤设置于待测温度场中，所述测温点定位***用于确定传感光纤的设置位置，所述脉冲光信号在传感光纤中传播中，各点位置上引发散射光中后向散射部分经过光纤传输通道进入波分复用器耦合到接收通道，通过光学滤波后，分离出子载有温度信息的斯托克斯光和反斯托克斯参考用光，然后经双通道APD探测器实行光电信号转换，在经过前置放大和主放大后，利用数据采集卡进行AD转换，然后将转换的数据传输到工控机中，最后通过数据显示器来显示温度测量结果。

所述工控机设置有拉曼散射温度解调模块，所述拉曼散射温度解调模块采用以下步骤获取待测温度场中实际温度值：

S1：按以下公式获取整个光纤在T＝T0时的T0反斯托克斯光功率曲线和T0斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T₀)表示T＝T₀时的Stokes光功率；P_AS(T₀)表示T＝T₀时的Anti-stokes光功率；v表示光在光纤中传播的速度；E₀表示光脉冲能量；Δν表示拉曼声子振动频率(拉曼频移量)；h表示普朗克常数；α₀表示入射泵浦光在光纤中单位长度上的损耗系数；α_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的损耗系数；l表示光纤中某一测量点到测量起始点的距离；Γ_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的后向散射系数；

S2：然后将反斯托克斯光功率曲线和斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T0光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S3：在任意温度T时按以下公式测得实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T)表示任意温度T时的Stokes光功率；P_AS(T)表示任意温度T时的Anti-stokes光功率；

S4：将实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S5：将T0光功率比和T光功率比按以下公式计算得到光功率比值：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}/\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)};$

S6：根据光功率比值按以下公式计算得到温度分布曲线：

$T=\frac{\mathrm{h\Δv}{T}_0}{\mathrm{h\Δv}-k{T}_0\ln \left[\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)/P_S\left(T\right)}{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)/P_S\left(T_0\right)}\right]}.$

所述工控机设置有去噪处理模块，所述去噪处理模块采用线性累加算法进行，具体步骤如下：

S31：确定整根传感光纤长度为L，根据采样率确定的测量点数目为m，采样频率为f_s，对微弱的温度信号进行n次重复测量，将每次得到的m个测量点的结果依次排列，得到第i次测量得到序列

A_i＝[a_i1,a_i2,...a_ij...a_im]^T；

其中，x_ij表示的空间距离为长度为Δl的斯托克斯(或反斯托克斯)信号；

S32：将n次测量的结果写成如下的形式：

其中，矩阵的每一列表示进行一次测量的结果，每一行表示对同一点进行n次重复测量的结果；

S33：对矩阵A的各行求平均，得到均值序列：

B＝[b₁,b₂,b₃,.....b_m]^T；

其中，矩阵B代表不同测量点处信号的均值。

还包括自适应控制模块，所述工控机的控制信号输入输出端与自适应控制模块的分别与同步触发器、工控机和数据采集卡连接。

还包括光开关电路，所述光开关电路串联在波分复用器和传感光纤之间，用于控制波分复用器与传感光纤之间光信号的通或断。

还包括报警控制装置，所述工控机与报警控制装置的报警控制信号输出端连接。

本实施例通过对OPLC光纤复合低压电缆在线监测的实际进行分析，设计了OPLC电缆故障在线监测***，如图2所示，图2为OPLC光纤复合低压电缆故障在线监测***架构图，***主要包括主监控站1、电源2、PC处理终端3、温度信息采集***4、传感光纤5及报警装置6几个部分；

电源对***运行进行供电，通过传感光纤对OPLC电缆温度进行测量，利用温度测量***对传感光纤中的温度信息进行采集、滤波并在PC处理终端上通过LabVIEW软件进行解调，得到电缆各点的实时温度分布。然后通过通信总线将电缆各点温度信息和地理位置信息传送给主监控站汇总，得到配网范围各条电缆的实时温度分布，根据电缆的参数及环境温度信息，判断电缆温升是否异常。若出现温升异常，激活报警装置，并根据异常点地理信息进行维修。

本发明提供的一种基于光纤光栅传感的温度测量方法，包括以下步骤：

S1：启动电源模块对***运行进行供电；

S2：通过传感光纤获取电缆温度信号；

S3：对传感光纤中的温度信息进行预处理；

S4：在工控机上对电缆温度进行解调得到电缆各点的实时温度分布；

S5：通过通信总线将电缆各点的实时温度分布信息和地理位置信息传送给主监控站；

S6：根据电缆电缆各点的实时温度分布信息和地理位置信息，判断电缆温升是否异常，如果是，则激活报警装置，并根据异常点地理信息发出维修信息指令；如果否，则返回步骤S2循环检测。

进一步，所述步骤S4中对电缆温度进行解调是按以下步骤来得到电缆各点的实时温度分布：

S41：按以下公式获取整个光纤在T＝T0时的T0反斯托克斯光功率曲线和T0斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T₀)表示T＝T₀时的Stokes光功率；P_AS(T₀)表示T＝T₀时的Anti-stokes光功率；v表示光在光纤中传播的速度；E₀表示光脉冲能量；Δν表示拉曼声子振动频率(拉曼频移量)；h表示普朗克常数；α₀表示入射泵浦光在光纤中单位长度上的损耗系数；α_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的损耗系数；l表示光纤中某一测量点到测量起始点的距离；Γ_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的后向散射系数；

S42：然后将反斯托克斯光功率曲线和斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T0光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S43：在任意温度T时按以下公式测得实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T)表示任意温度T时的Stokes光功率；P_AS(T)表示任意温度T时的Anti-stokes光功率；

S44：将实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S45：将T0光功率比和T光功率比按以下公式计算得到光功率比值：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}/\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)};$

S46：根据光功率比值按以下公式计算得到温度分布曲线：

$T=\frac{\mathrm{h\Δv}{T}_0}{\mathrm{h\Δv}-k{T}_0\ln \left[\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)/P_S\left(T\right)}{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)/P_S\left(T_0\right)}\right]}.$

进一步，所述步骤S3对传感光纤中的温度信息进行预处理是按以下步骤来得到电缆各点的实时温度分布：

S31：确定整根传感光纤长度为L，根据采样率确定的测量点数目为m，采样频率为f_s，对微弱的温度信号进行n次重复测量，将每次得到的m个测量点的结果依次排列，得到第i次测量得到序列

A_i＝[a_i1,a_i2,...a_ij...a_im]^T；

其中，x_ij表示的空间距离为长度为Δl的斯托克斯(或反斯托克斯)信号；

S32：将n次测量的结果写成如下的形式：

其中，矩阵的每一列表示进行一次测量的结果，每一行表示对同一点进行n次重复测量的结果；

S33：对矩阵A的各行求平均，得到均值序列：

B＝[b₁,b₂,b₃,.....b_m]^T；

其中，矩阵B代表不同测量点处信号的均值。

本实施例提供的基于光纤光栅传感的温度测量***，采用分布式光纤拉曼温度传感技术即基于光纤后向拉曼散射原理来实现温度测量，当向光纤中打入激光脉冲后，激光脉冲在光纤中向前传输，在传输过程中光纤中会不断产生拉曼散射，产生的后向散射光会沿光纤回路传输回***中，在光纤拉曼后向散射光中，反斯托克斯光携带有温度信息，通过对该光进行解调获取光纤沿线温度场信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明所限定的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于光纤光栅传感的温度测量***，其特征在于：包括激光器、测温点定位***、同步触发器、波分复用器、双通道APD探测器、放大电路、数据采集卡、工控机和数据显示器；

所述激光器发出脉冲光信号，同时通过所述同步触发器发出同步信号驱动数据采集卡进行工作，所述脉冲光信号经波分复用器耦合到传感光纤中，所述传感光纤设置于待测温度场中，所述测温点定位***用于确定传感光纤的设置位置，所述脉冲光信号经过光纤传输通道进入波分复用器耦合到接收通道，所述双通道APD探测器用于探测波分复用器传输的光信号，所述放大电路将双通道APD探测器输出的光电信号进行放大处理后输入到数据采集卡中进行数模转换，所述数据采集卡与工控机连接，所述工控机与数据显示器连接用于显示温度测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的温度测量***，其特征在于：所述工控机设置有拉曼散射温度解调模块，所述拉曼散射温度解调模块采用以下步骤获取待测温度场中实际温度值：

S1：按以下公式获取整个光纤在T＝T0时的T0反斯托克斯光功率曲线和T0斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T₀)表示T＝T₀时的Stokes光功率；P_AS(T₀)表示T＝T₀时的Anti-stokes光功率；v表示光在光纤中传播的速度；E₀表示光脉冲能量；Δν表示拉曼声子振动频率(拉曼频移量)；h表示普朗克常数；α₀表示入射泵浦光在光纤中单位长度上的损耗系数；α_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的损耗系数；l表示光纤中某一测量点到测量起始点的距离；Γ_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的后向散射系数；

S2：然后将反斯托克斯光功率曲线和斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T0光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S3：在任意温度T时按以下公式测得实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T)表示任意温度T时的Stokes光功率；P_AS(T)表示任意温度T时的Anti-stokes光功率；

S4：将实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S5：将T0光功率比和T光功率比按以下公式计算得到光功率比值：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}/\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)};$

S6：根据光功率比值按以下公式计算得到温度分布曲线：

$T=\frac{\mathrm{h\Δv}{T}_0}{\mathrm{h\Δv}-{\mathrm{kT}}_0\ln \left[\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)/P_S\left(T\right)}{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)/P_S\left(T_0\right)}\right].}$

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的温度测量***，其特征在于：所述工控机设置有去噪处理模块，所述去噪处理模块采用线性累加算法进行，具体步骤如下：

S31：确定整根传感光纤长度为L，根据采样率确定的测量点数目为m，采样频率为f_s，对微弱的温度信号进行n次重复测量，将每次得到的m个测量点的结果依次排列，得到第i次测量得到序列

A_i＝[a_i1,a_i2,...a_ij...a_im]^T；

其中，x_ij表示的空间距离为长度为Δl的斯托克斯或反斯托克斯信号；

S32：将n次测量的结果写成如下的形式：

其中，矩阵的每一列表示进行一次测量的结果，每一行表示对同一点进行n次重复测量的结果；

S33：对矩阵A的各行求平均，得到均值序列：

B＝[b₁,b₂,b₃,.....b_m]^T；

其中，矩阵B代表不同测量点处信号的均值。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的温度测量***，其特征在于：还包括自适应控制模块，所述工控机的控制信号输入输出端与自适应控制模块的分别与同步触发器、工控机和数据采集卡连接。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的温度测量***，其特征在于：还包括光开关电路，所述光开关电路串联在波分复用器和传感光纤之间，用于控制波分复用器与传感光纤之间光信号的通或断。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的温度测量***，其特征在于：还包括报警控制装置，所述工控机与报警控制装置的报警控制信号输出端连接。

7.一种基于光纤光栅传感的温度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：启动电源模块对***运行进行供电；

S2：通过传感光纤获取电缆温度信号；

S3：对传感光纤中的温度信息进行预处理；

S4：在工控机上对电缆温度进行解调得到电缆各点的实时温度分布；

S5：通过通信总线将电缆各点的实时温度分布信息和地理位置信息传送给主监控站；

S6：根据电缆电缆各点的实时温度分布信息和地理位置信息，判断电缆温升是否异常，如果是，则激活报警装置，并根据异常点地理信息发出维修信息指令；如果否，则返回步骤S2循环检测。

8.根据权利要求7所述的基于光纤光栅传感的温度测量方法，其特征在于：所述步骤S4中对电缆温度进行解调是按以下步骤来得到电缆各点的实时温度分布：

S41：按以下公式获取整个光纤在T＝T0时的T0反斯托克斯光功率曲线和T0斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T_0\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T₀)表示T＝T₀时的Stokes光功率；P_AS(T₀)表示T＝T₀时的Anti-stokes光功率；v表示光在光纤中传播的速度；E₀表示光脉冲能量；Δν表示拉曼声子振动频率(拉曼频移量)；h表示普朗克常数；α₀表示入射泵浦光在光纤中单位长度上的损耗系数；α_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的损耗系数；l表示光纤中某一测量点到测量起始点的距离；Γ_S表示Stokes光在光纤中单位长度上的后向散射系数；

S42：然后将反斯托克斯光功率曲线和斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T0光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/{\mathrm{kT}}_0)\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S43：在任意温度T时按以下公式测得实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线：

$P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l];$

$P_S\left(T\right)=\frac{v}{2}{E}_0\frac{1}{1-\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\mathrm{\Γ}}_S\exp [-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_S)l];$

其中，P_S(T)表示任意温度T时的Stokes光功率；P_AS(T)表示任意温度T时的Anti-stokes光功率；

S44：将实际温度场T反斯托克斯光功率曲线和实际温度场T斯托克斯光功率曲线按以下公式计算得到T光功率比：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}=\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{AS}}}{{\mathrm{\Γ}}_S}\exp \left[({\mathrm{\α}}_S-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AS}})l\right];$

S45：将T0光功率比和T光功率比按以下公式计算得到光功率比值：

$\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)}{P_S\left(T\right)}/\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)}{P_S\left(T_0\right)}=\frac{\exp (-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})}{\exp (-\mathrm{h\Δv}/k{T}_0)};$

S46：根据光功率比值按以下公式计算得到温度分布曲线：

$T=\frac{\mathrm{h\Δv}{T}_0}{\mathrm{h\Δv}-{\mathrm{kT}}_0\ln \left[\frac{P_{\mathrm{AS}}\left(T\right)/P_S\left(T\right)}{P_{\mathrm{AS}}\left(T_0\right)/P_S\left(T_0\right)}\right].}$

9.根据权利要求7所述的基于光纤光栅传感的温度测量方法，其特征在于：所述步骤S3对传感光纤中的温度信息进行预处理是按以下步骤来得到电缆各点的实时温度分布：

S31：确定整根传感光纤长度为L，根据采样率确定的测量点数目为m，采样频率为f_s，对微弱的温度信号进行n次重复测量，将每次得到的m个测量点的结果依次排列，得到第i次测量得到序列

A_i＝[a_i1,a_i2,...a_ij...a_im]^T；

其中，x_ij表示的空间距离为长度为Δl的斯托克斯(或反斯托克斯)信号；

S32：将n次测量的结果写成如下的形式：

其中，矩阵的每一列表示进行一次测量的结果，每一行表示对同一点进行n次重复测量的结果；

S33：对矩阵A的各行求平均，得到均值序列：

B＝[b₁,b₂,b₃,.....b_m]^T；

其中，矩阵B代表不同测量点处信号的均值。