CN111006788A - 基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法 - Google Patents

基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于分布式光纤传感***中的温度解调领域，公开了一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法；包括以下步骤：S1、搭建装置；S2、定标测量阶段：采集得到参考光纤环中各点和传感光纤任意位置的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强；S3、标定测量阶段：分别采集位于不同位置处的校准光纤环的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强；进行计算和线性拟合，得到传感光纤中的温度灵敏因子的全部函数值；S4、测量阶段：采集参考光纤环中各点和传感光纤中各个位置的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强；S5、计算得到传感光纤沿线的全部温度信息。本发明有效解决了分布式光纤拉曼传感***测温精度较低的问题，可以广泛应用于分布式光纤传感领域。

Description

基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法
技术领域
本发明属于分布式光纤传感***中的温度解调领域，具体是一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法。
背景技术
分布式光纤拉曼测温***主要依靠采集脉冲光在光纤中传输时产生的携带温度信息的背向拉曼散射光来解调光纤沿线的温度信息，再根据光时域反射技术进行定位，从而得到沿光纤分布任意位置的温度信息。分布式拉曼测温***用来解调温度信息的背向拉曼散射光在石英光纤中具有十分明显的温敏效应，并且不易发生非线性效应，因此被广泛应用于电力、交通、消防、石油化工和航空航天等重要领域。
在分布式光纤拉曼测温***中，测温精度是***性能的重要参数之一。在各项生产实践领域中，温度都是一个需要参考的重要指标，而对于温度准确地测量和实时地监控在科研实验和工业生产上都具有重要的意义。因此，提高***的测温精度尤为重要。目前分布式光纤拉曼传感器的测温精度基本维持在±10℃，但是随着科学技术的发展，一些工业监控领域对光纤传感***的测温精度提出了更高方面的要求，例如石化反应堆、智能电网、隧道渗水的温度监测领域，要求测温精度需达到±0.1℃。在分布式光纤拉曼测温***中，温度解调方法是实现光纤沿线温度高精度在线监测的关键技术。目前常用的温度解调方法是利用反斯托克斯后向散射光(anti-Stokes)作为信号通道，然后利用anti-Stokes的光强信息来解调光纤沿线的温度信息。但是光纤中的anti-Stokes散射信号非常微弱，散射信息基本完全淹没在噪声中，使得温度精度低于1℃。近年来，编码脉冲调制，小波变换模极大值，瑞利噪声抑制和色散补偿法已被证明可以提高拉曼测温仪的测温精度。但是，据我们所知，目前远程分布式光纤拉曼传感***的温度精度还无法优于1℃。这是因为不同位置处传感光纤的温度敏感性是不同的，而传统的温度解调方法并未考虑到传感光纤温敏性的影响，最终导致其***测温精度较低。
基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，以解决分布式光纤拉曼传感***测温精度较低的难题。
发明内容
为了解决现有分布式光纤拉曼传感***测温精度较低，其无法突破1℃的技术瓶颈而导致其应用受限的问题，本发明提出了一种基于反斯托克斯光的高精度拉曼温度自解调方法，在其拉曼散射信号中引入温度灵敏因子，补偿自发拉曼散射信号强度，以此优化***的温度精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法，包括以下步骤：
S1、将脉冲激光器的输出端与环形器的第一端口连接；环形器的第二端口和第三端口分别与传感光纤和信号采集装置的输入端连接；
S2、定标测量阶段：选取传感光纤的前面位置为Lc处设置参考光纤环，设定参考光纤环的温度为Tc0，通过信号采集装置采集得到参考光纤环中各点的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φac0；同时，将整条传感光纤的温度设置为T0，通过信号采集装置采集得到传感光纤任意位置(L)的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φα0；
S3、标定测量阶段：在传感光纤的多个位置处分别选取长度为l1的光纤环作为校准光纤环，并使这几个位置处校准光纤环的温度保持为T1不变，分别采集传感光纤中这几个校准光纤环位置处的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φa1；然后计算这几个位置处的温度灵敏因子M的值，并进行线性拟合，得到传感光纤中的温度灵敏因子M(L)随位置L的全部函数值；
S4、测量阶段：在与定标测量阶段同一位置处设置参考光纤环，设定参考光纤环的温度为Tc，分别采集参考光纤环中各点的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φac；以及传感光纤中各个位置L处的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φa；
S5、根据上述测量结算，利用解调公式计算得到传感光纤沿线的全部温度信息T，所述解调公式为：
Figure BDA0002285058010000021
其中，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为传感光纤的拉曼频移量。
所述参考光纤环的位置为Lc＝50m，所述校准光纤环的长度l1为10m。
所述步骤S3中，分别在整条传感光纤中的1km、3km、5km、7km、10km的五个位置处，选取长度为l1＝10m的光纤环作为校准光纤环进行测量。
所述步骤S3中，计算得到标定测量阶段中各个校准光纤环位置处的传感光纤温度敏感因子M的值的公式为：
Figure BDA0002285058010000031
所述信号采集装置包括滤波器、雪崩光电探测器，放大器、数据采集卡和计算机；其中，环形器的第三端口与滤波器的输入端连接；雪崩光电探测器输出端经放大器与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接，计算机用于计算解调得到传感光纤中各点的温度测量值。
与现有分布式光纤传感***相比，本发明所述的面向光纤拉曼传感***的温度解调方法具有如下优点：本发明提出了一种基于反斯托克斯光的分布式光纤拉曼高精度温度自解调方法，解调公式中引入温度灵敏因子，补偿了自发拉曼散射信号强度的温度灵敏度，以此优化***的温度精度。本发明设计合理，有效解决了现有分布式光纤拉曼测温***中由于自发拉曼散射信号的温度灵敏性导致***的测温精度低的问题，使其测温精度优于1℃，突破其技术瓶颈，适用于分布式光纤拉曼测温***。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测检测装置的结构示意图。
图中：1-脉冲激光器，2-环形器，3-传感光纤(62.5/125多模传感光纤)，4-滤波器(1450nm,1650nm)，5-雪崩光电探测器(APD)，6-放大器(Amp)，7-数据采集卡，8-计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法，包括以下步骤：
S1、将脉冲激光器1的输出端与环形器2的第一端口连接；环形器2的第二端口和第三端口分别与传感光纤3和信号采集装置的输入端连接。
具体地，本实施例中，所述信号采集装置包括滤波器4、雪崩光电探测器5，放大器6、数据采集卡7和计算机8；其中，环形器2的第三端口与滤波器4的输入端连接；雪崩光电探测器5输出端经放大器6与数据采集卡7的输入端连接；数据采集卡7的输出端与计算机8的输入端连接，计算机8用于计算解调得到传感光纤中各点的温度测量值。
其中，脉冲激光器发出波长为1550nm的激光脉冲，激光脉冲经环形器2入射到传感光纤3，入射光与光纤中的分子发生非弹性碰撞，产生自发拉曼散射。由此使得多模传感光纤的各个位置均产生拉曼散射光。其中在光纤中产生的后向拉曼散射光经环形器2的第二端口和第三端口后进入滤波器4，滤波器4分离出对温度较为敏感的波长为1450nm的反斯托克斯(anti-Stokes)光。反斯托克斯光依次经雪崩光电探测器5、放大器6入射到数据采集卡7，数据采集卡7对反斯托克斯光进行模数转换，由此得到反斯托克斯光的位置和光强信息。
具体实施时，所述脉冲激光器的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz。所述APD的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm。所述滤波器的工作波长为1450nm/1660nm。所述数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz。所述多模传感光纤为折射率渐变的多模光纤。
S2、定标测量阶段：选取传感光纤3的前面位置为Lc处设置参考光纤环，设定参考光纤环的温度为Tc0，通过信号采集装置采集得到参考光纤环中各点的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φac0；同时，将整条传感光纤的温度设置为T0，通过信号采集装置采集得到传感光纤任意位置(L)得到反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φa0。
其中，数据采集卡在参考光纤环得到反斯托克斯光的后向拉曼散射光，其光强表示为：
Figure BDA0002285058010000041
数据采集卡采集传感光纤3中任意位置(L)得到反斯托克斯光的后向拉曼散射光，其光强表示为：
Figure BDA0002285058010000042
式(1)和式(2)中，φac0，φac0为定标阶段参考光纤环和传感光纤中的反斯托克斯光的光强，Ka为与光纤散射端截面有关的系数，Va为反斯托克斯光的频率，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为光纤的拉曼频移量为13.2THz，α0、αa分别为入射光、anti-Stokes光在光纤单位长度下的衰减系数，T0为定标阶段传感光纤环境温度，L表示传感光纤的位置，M(L)为定标阶段传感光纤在L位置处的温度敏感因子，Tc0为定标阶段参考光纤环的温度，Lc为定标阶段参考光纤环的位置，M(Lc)为传感光纤在Lc位置处的温度敏感因子。
为了得到温度敏感因子M的函数值，需在对在测温前测温装置进行标定处理。
S3、标定测量阶段：在传感光纤的多个位置处分别选取长度为l1的光纤环作为校准光纤环，并使这几个位置处校准光纤环的温度保持为T1不变，分别采集传感光纤中(3)这几个校准光纤环位置处的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φa1；然后计算这几个位置处的温度灵敏因子M的值，并进行线性拟合，得到传感光纤中的温度灵敏因子M(L)随位置L的全部函数值。
具体地，本实施例中，分别在整条传感光纤中的1km、3km、5km、7km、10km的位置处，选取长度为10m的光纤环作为校准光纤环，并使这5处参考光纤的温度保持一致(温度为T1)。通过数据采集卡采集这5个位置处的反斯托克斯光中的后向拉曼散射光强φa1。由于反斯托克斯光满足以下公式：
Figure BDA0002285058010000051
则结合步骤S2中定标测量得到的传感光纤3中的反斯托克斯光的后向拉曼散射光光强φa0，通过公式(3)可以分别得到M(L)在1km、3km、5km、7km、10km的值，将这5个函数值经过线性拟合后，可以得到M(L)随距离的全部函数值。
S4、测量阶段：在与定标测量阶段同一位置处设置参考光纤环，设定参考光纤环的温度为Tc，分别采集参考光纤环中各点的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φac；以及传感光纤中各个位置L处的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φa；
其中，参考光纤环中各点的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φac的表达式如下：
Figure BDA0002285058010000052
其中，传感光纤中各个位置L处的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φa的表达式如下：
Figure BDA0002285058010000053
S5、根据上述测量结算，利用解调公式计算得到传感光纤沿线的全部温度信息T。
解调公式的推导过程如下：
将公式(1)除以公式(2)可得：
Figure BDA0002285058010000061
公式(4)除以公式(5)可得：
Figure BDA0002285058010000062
将公式(5)和(7)进行计算，可以得到传感光纤沿线的温度解调公式，具体为：
Figure BDA0002285058010000063
因此，经过标定测量得到温度敏感因子M(L)的函数值以后，公式(8)中除去待测温度T外，均为已知量，因此，本发明最后可以根据公式(8)解调出光纤沿线的全部温度信息。
本发明提出了一种基于反斯托克斯光的分布式光纤拉曼高精度温度自解调方法，解调公式中引入温度灵敏因子，补偿了自发拉曼散射信号强度的温度灵敏度，以此优化***的温度精度。本发明设计合理，有效解决了现有分布式光纤拉曼测温***中由于自发拉曼散射信号的温度灵敏性导致***的测温精度低的问题，使其测温精度优于1℃，突破其技术瓶颈，适用于分布式光纤拉曼测温***。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将脉冲激光器(1)的输出端与环形器(2)的第一端口连接；环形器(2)的第二端口和第三端口分别与传感光纤(3)和信号采集装置的输入端连接；
S2、定标测量阶段：选取传感光纤(3)的前面位置为Lc处设置参考光纤环，设定参考光纤环的温度为Tc0，通过信号采集装置采集得到参考光纤环中各点的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φac0；同时，将整条传感光纤的温度设置为T0，通过信号采集装置采集得到传感光纤任意位置(L)的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φa0；
S3、标定测量阶段：在传感光纤的多个位置处分别选取长度为l1的光纤环作为校准光纤环，并使这几个位置处校准光纤环的温度保持为T1不变，分别采集传感光纤中(3)这几个校准光纤环位置处的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φa1；然后计算这几个位置处的温度灵敏因子M的值，并进行线性拟合，得到传感光纤中的温度灵敏因子M(L)随位置L的全部函数值；
S4、测量阶段：在与定标测量阶段同一位置处设置参考光纤环，设定参考光纤环的温度为Tc，分别采集参考光纤环中各点的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φac；以及传感光纤中各个位置L处的反斯托克斯光的后向拉曼散射光的光强φa；
S5、根据上述测量结算，利用解调公式计算得到传感光纤沿线的全部温度信息T，所述解调公式为：
Figure FDA0002285056000000011
其中，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，Δv为传感光纤的拉曼频移量。
2.根据权利要求1所述的一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法，其特征在于，所述参考光纤环的位置为Lc＝50m，所述校准光纤环的长度l1为10m。
3.根据权利要求1所述的一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，分别在整条传感光纤中的1km、3km、5km、7km、10km的五个位置处，选取长度为l1＝10m的光纤环作为校准光纤环进行测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算得到标定测量阶段中各个校准光纤环位置处的传感光纤温度敏感因子M的值的公式为：
Figure FDA0002285056000000021
5.根据权利要求1所述的一种基于反斯托克斯光自解调的高精度光纤拉曼温度检测方法，其特征在于，所述信号采集装置包括滤波器(4)、雪崩光电探测器(5)，放大器(6)、数据采集卡(7)和计算机(8)；其中，环形器(2)的第三端口与滤波器(4)的输入端连接；雪崩光电探测器(5)输出端经放大器(6)与数据采集卡(7)的输入端连接；数据采集卡(7)的输出端与计算机(8)的输入端连接，计算机(8)用于计算解调得到传感光纤中各点的温度测量值。
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