CN111207857A - 一种利用分布式光纤温度传感器测量光纤长度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用分布式光纤温度传感器测量光纤长度的方法，包括对光纤局部进行加热以制造温度突变区域；确定光纤参考长度L1；分别获取光纤的温度分布曲线一和温度分布曲线二；在温度突变区域中采用滑窗机制算法计算出温度分布曲线一与温度分布曲线二的相关性R2，并得到对应的偏移量ΔL，得到相关性分布曲线；寻找相关性分布曲线中的相关性最大值R2 max，并得到对应的最大偏移量ΔLmax，计算光纤长度为L＝L1‑ΔLmax。本发明通过利用双通道环回测量的方式，使从同一根光纤的不同两端测量的温度点相重合，进而得到了光纤的精确长度，提高了长距离光纤温度测量的稳定性和可靠性，同时保证了光纤上每一点温度分辨率的一致性。

Description

一种利用分布式光纤温度传感器测量光纤长度的方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种利用分布式光纤温度传感器测量光纤长度的方法。
背景技术
分布式光纤温度传感器主要依据光纤的光时域反射和光纤的背向拉曼散射温度效应，测量沿光纤每一点的温度。现有检测光纤长度的方法主要采用单通道方式测量，即光纤只有一端与分布式光纤温度传感器连接，由于信号衰减，距离分布式光纤温度传感器越远的地方，其光接收机采集到的信号越微弱，导致光纤长度测量不准确、光纤的温度分辨率随着距离的增大而下降。因此，现有技术有待发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种利用分布式光纤温度传感器精确测量光纤长度、提高光纤各区域温度分辨率稳定性的方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种利用分布式光纤温度传感器测量光纤长度的方法，包括以下步骤：
对光纤局部进行加热至指定数值，以制造温度突变区域；
将光纤的两端分别与分布式光纤温度传感器的第一通道、第二通道连接，在第一通道或者第二通道内发射激光脉冲，并采集反斯托克斯信号，根据该反斯托克斯信号确定光纤参考长度L1；
在第一通道内发射激光脉冲，获取第一通道各个点的斯托克斯信号和反斯托克斯信号，并计算第一通道各个点的斯托克斯信号与反斯托克斯信号的比值，得到光纤的温度分布曲线一；
在第二通道内发射激光脉冲，获取第二通道各个点的斯托克斯信号和反斯托克斯信号，并计算第二通道各个点的斯托克斯信号与反斯托克斯信号的比值，得到光纤的温度分布曲线二；
分别获取温度分布曲线一和温度分布曲线二中的温度突变区域，采用滑窗机制算法计算出温度突变区域中温度分布曲线一与温度分布曲线二的相关性R2，并得到温度分布曲线一相对温度分布曲线二的偏移量ΔL，得到相关性分布曲线；
寻找相关性分布曲线中的相关性最大值R2 max，并得到对应的最大偏移量ΔLmax，计算光纤长度为L＝L1-ΔLmax。
进一步地，在相关性最大值R2 max的左右选取多个点，利用最小二乘法进行拟合得到拟合曲线，并求取拟合曲线的峰值位置。
进一步地，所述分布式光纤温度传感器内靠近所述第一通道、第二通道处设置有恒温箱，所述恒温箱内设置有参考光纤和温度计，所述参考光纤与外部光纤相连接。
本发明技术方案具有的有益效果：
本发明通过利用双通道环回测量的方式，分别从两个方向测量得到光纤的温度分布曲线，并且采用滑窗机制算法将两条温度分布曲线进行整合对准，使得从同一根光纤的不同两端测量的温度点相重合，进而得到了光纤的精确长度，提高了长距离光纤温度测量的稳定性和可靠性，同时保证了光纤上每一点温度分辨率的一致性。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的连接示意图；
图3是本发明温度分布曲线一、温度分布曲线二的示意图；
图4是本发明温度突变区域中温度分布曲线一、温度分布曲线二的示意图；
图5是本发明相关性分布曲线的示意图；
图6是本发明经最小二乘法拟合后的相关性分布曲线的示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参考图1至图6，本发明提供了一种利用分布式光纤温度传感器测量光纤长度的方法，包括以下步骤：
对光纤局部进行加热至指定数值，以制造温度突变区域，便于下一步的测量；
将光纤的两端分别与分布式光纤温度传感器的第一通道、第二通道连接，在第一通道或者第二通道内发射激光脉冲，并采集反斯托克斯信号，根据该反斯托克斯信号确定光纤参考长度L1；由于反斯托克斯频率上的信号对光纤上的温度比较敏感，当激光在光纤中传输，总会有反射信号回来，而分布式光纤温度传感器的数据采集卡一直对反斯托克斯信号进行采样，当激光传输到光纤的末端后，再也没有反射信号，数据采集卡采集不到反斯托克斯信号，因此在整个数据曲线上能找到一个明显的突变位置，根据该突变位置可以确定光纤参考长度L1，并通过网络发送命令的方式将L1配置到分布式光纤温度传感器中。
将分布式光纤温度传感器的光开关切至第一通道，在第一通道内发射激光脉冲，获取第一通道各个点的斯托克斯信号和反斯托克斯信号，并计算第一通道各个点的斯托克斯信号与反斯托克斯信号的比值，得到光纤的温度分布曲线一(如图3所示)；
将分布式光纤温度传感器的光开关切换至第二通道，在第二通道内发射激光脉冲，获取第二通道各个点的斯托克斯信号和反斯托克斯信号，并计算第二通道各个点的斯托克斯信号与反斯托克斯信号的比值，得到光纤的温度分布曲线二(如图3所示)；由于斯托克斯频率上的信号对光纤上的温度不太敏感，而反斯托克斯频率上的信号对光纤上的温度比较敏感，这两个频率上的信号强度比就对应了光纤的温度变化，因此根据光纤上的斯托克斯信号与反斯托克斯信号的比值，可以得到光纤的温度分布曲线。
分别获取温度分布曲线一和温度分布曲线二中的温度突变区域(如图4所示)，采用滑窗机制算法计算出温度突变区域中温度分布曲线一与温度分布曲线二的相关性R2，并得到温度分布曲线一相对温度分布曲线二的偏移量ΔL，得到相关性分布曲线(如图5所示)；其中，同一根光纤从不同两端测得的温度分布曲线比较相像，但是存在一定的偏移，因此需要通过滑窗机制算法对齐两条温度分布曲线。在本实施方式中，保持温度分布曲线二不动，温度分布曲线一相对温度分布曲线二进行移动，每移动一次就计算一次温度分布曲线一与温度分布曲线二的相关性，进行多次的移动以对齐温度分布曲线一和温度分布曲线二，统计所有的相关性结果就得到了温度分布曲线一与温度分布曲线二的相关性分布曲线，同时得到温度分布曲线一相对温度分布曲线二的偏移量ΔL。
温度分布曲线一与温度分布曲线二的相关性越大，表明第一通道和第二道的数据匹配越强，因此寻找相关性分布曲线中的相关性最大值R2 max，即可得到第一通道和第二通道数据的最佳匹配点，并得到对应的最大偏移量ΔLmax，进而求得精确的光纤长度为L＝L1-ΔLmax，从而提高了长距离光纤温度测量的稳定性和可靠性，保证了光纤上每一点温度分辨率的一致性。
在本实施方式中，在实验室环境下可以通过恒温箱对光纤局部进行加热，在野外工作环境可以用毛巾包裹光纤并在毛巾上浇热水制造局部高温条件，方便操作。
在本实施方式中，光纤参考长度L1的测量是基于激光传输到光纤末端之后没有后向散射信号了，在此之后分布式光纤温度传感器采集到的信号基本为背景噪声，在进行去噪处理后，在整个数据曲线上能找到一个明显的分界点，分界点之前反斯托克斯信号是一条平滑的曲线，分界点之后是一条幅值接近0的直线。从起始位置到分界点的位置就是光线参考长度L1。光纤参考长度L1的设置大大减少了分布式光纤温度传感器的工作时间，同时确保光纤两端的数据偏差在有效范围内，保证滑窗机制算法的顺利进行。
本发明通过利用双通道环回测量的方式，分别从两个方向测量得到光纤的温度分布曲线，并且采用滑窗机制算法将两条温度分布曲线进行整合对准，使得从同一根光纤的不同两端测量的温度点相重合，进而得到了光纤的精确长度，提高了长距离光纤温度测量的稳定性和可靠性，同时保证了光纤上每一点温度分辨率的一致性。
优选地，在相关性最大值R2 max的左右选取多个点，利用最小二乘法进行拟合得到拟合曲线(如图6所示)，并求取拟合曲线的峰值位置。由于分布式光纤温度传感器的分辨率是固定的，温度分布曲线一与温度分布曲线二中的每一次移动都是固定的距离，即偏移量为固定值，因此得到的相关性结果是离散的数组，但是真正最匹配的地方可能是在偏移量内，故所得到的相关性最大值、最大偏移量存在着误差。在本实施方式中，利用最小二乘法对离散的数组求得一条拟合曲线，并找到这条拟合曲线的峰值位置，即可得到更加精确的相关性最大值R2 max和最大偏移量ΔLmax，进一步得到精确的光纤长度，减少误差。
优选地，所述分布式光纤温度传感器内靠近所述第一通道、第二通道处设置有恒温箱，所述恒温箱内设置有参考光纤和温度计，所述参考光纤与外部光纤相连接。在高温环境下斯托克斯信号和反斯托克斯信号会产生不同的波长损耗，最终导致温度检测不准确，而恒温箱的设置有效降低高温环境下光纤温度的漂移，从而提高分布式光纤温度传感器温度检测的稳定性和准确性。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种利用分布式光纤温度传感器测量光纤长度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对光纤局部进行加热至指定数值，以制造温度突变区域；
将光纤的两端分别与分布式光纤温度传感器的第一通道、第二通道连接，在第一通道或者第二通道内发射激光脉冲，并采集反斯托克斯信号，根据该反斯托克斯信号确定光纤参考长度L1；
在第一通道内发射激光脉冲，获取第一通道各个点的斯托克斯信号和反斯托克斯信号，并计算第一通道各个点的斯托克斯信号与反斯托克斯信号的比值，得到光纤的温度分布曲线一；
在第二通道内发射激光脉冲，获取第二通道各个点的斯托克斯信号和反斯托克斯信号，并计算第二通道各个点的斯托克斯信号与反斯托克斯信号的比值，得到光纤的温度分布曲线二；
分别获取温度分布曲线一和温度分布曲线二中的温度突变区域，采用滑窗机制算法计算出温度突变区域中温度分布曲线一与温度分布曲线二的相关性R2，并得到温度分布曲线一相对温度分布曲线二的偏移量ΔL，得到相关性分布曲线；
寻找相关性分布曲线中的相关性最大值R2 max，并得到对应的最大偏移量ΔLmax，计算光纤长度为L＝L1-ΔLmax。
2.根据权利要求1所述的利用分布式光纤温度传感器测量光纤长度的方法，其特征在于，在相关性最大值R2 max的左右选取多个点，利用最小二乘法进行拟合得到拟合曲线，并求取拟合曲线的峰值位置。
3.根据权利要求1所述的利用分布式光纤温度传感器测量光纤长度的方法，其特征在于，所述分布式光纤温度传感器内靠近所述第一通道、第二通道处设置有恒温箱，所述恒温箱内设置有参考光纤和温度计，所述参考光纤与外部光纤相连接。
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