CN111307322A - 一种基于环形光路的分布式光纤温度传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于环形光路的分布式光纤温度传感***，包括：脉冲激光器(1)、波分复用器(2)、光开关(3)、第一光纤环(5)、第二光纤环(6)、温度测量光纤(7)、光电探测器(8)、数据采集卡(9)和上位机(10)；所述环形光路的分布式光纤温度传感***能够进行抑制非线性效应发生的激光器功率反馈调节和瑞利散射噪声补偿。本发明了提高分布式光纤温度传感器在实际应用环境中的长期稳定；消除瑞丽散射光对温度解调精度的影响,从而实现对传感光纤温度场信息的直接解调，降低***调试的复杂度，提高温度测量精度及其长期测量的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于环形光路的分布式光纤温度传感***。
背景技术
基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器，利用了传感光纤中拉曼散射光强度与温度敏感的原理，通过将探测光脉冲注入到传感光纤中，采集传感光纤上各点受温度调制的背向拉曼散射光。拉曼散射光包含有上频移的反斯托克斯散射光和下频移的斯托克斯散射光两种，由于其光强度十分微弱，需要通过高灵敏度的雪崩光电探测器和累加平均处理，来提高信号的信噪比。其中，反斯托克斯散射光对温度较为敏感，被用作温度解调，而斯托克斯散射光被用来校正反斯托克斯散射光，减弱光源功率波动和传感光纤损耗对温度解调性能的影响。
在对拉曼进行弱光探测时，通过提高激光器输出功率，可以善拉曼散射光的信噪比，但为了避免受激拉曼散射的发生，激光器的输出功率不能无限增大。在实际工程使用中，激光器功率会随时间变化、连接器件损耗不同等因素而发生变化。因此，为了最大化拉曼散射信噪比，需要实时调整激光器的输出功率。
除此之外，在实际工程应用中，传感器的性能会受环境因素的影响，如光源和光电探测器受工作温度变化而发生性能的变化、传感光纤发生弯曲或受到拉伸、强腐蚀性物质的侵蚀而产生非线性损耗，这些因素都会使得传感器的性能下降，导致温度解调误差增大，严重时传感器将会失效。
由于作用在传感光纤上外界因素具有不确定性，并且其损耗程度与波长相关，往往无法消除或校正。采用环形传感光路，采集传感光纤正反两个方向的拉曼散射光，通过几何平均处理，可以有效消除与位置相关的光纤损耗，从而极大地提升传感器的环境适应性。
光纤中产生的散射光除拉曼散射光外，还包含瑞利散射光与布里渊散射光，常用的方法是采用波分复用器将拉曼散射光挑选出来。但由于瑞利散射光强度较高，相比拉曼散射光强度高约30dB左右，而商用的波分复用器隔离度通常为35dB至40dB，因此测量得到的拉曼散射光中存在大量的瑞利散射光噪声。在小动态范围(＜100℃)内，瑞利散射光对温度解调误差的影响较小，但是随着动态范围的增大，温度误差将逐步恶化。因此，在不改变器件性能的情况，需要对瑞利散射光噪声进行补偿。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于环形光路的分布式光纤温度传感***，通过环形光路结构,消除光纤中受弯曲、强腐蚀性物质侵蚀等因素对拉曼散射光强度造成的非线性损耗，提高分布式光纤温度传感器在实际应用环境中的长期稳定，拓展其应用领域。通过。同时，对背向拉曼散射光中的瑞利散射光进行计算，消除瑞丽散射光对温度解调精度的影响,从而实现对传感光纤温度场信息的直接解调，降低***调试的复杂度，提高温度测量精度及其长期测量的稳定性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于环形光路的分布式光纤温度传感***，包括：脉冲激光器、波分复用器、光开关、第一光纤环、第二光纤环、温度测量光纤、光电探测器、数据采集卡和上位机；其中，脉冲激光器、脉冲激光器的输出端与波分复用器的输入端连接；波分复用器的公共端与光开关的输入端连接；光开关的两个输出端分别与第一光纤环和第二光纤环连接；第一光纤环和第二光纤环的输出端分别与温度测量光纤的两端连接；波分复用器两个输出端分别与光电探测器的两个输入端连接；光电探测器的两个输出端分别与数据采集卡的两个输入端连接，数据采集卡的输出端与上位机的输入端连接；第一光纤环与第二光纤环均放置于温度测量装置中，温度测量装置的输出端与上位机的输入端连接；所述环形光路的分布式光纤温度传感***能够进行抑制非线性效应发生的激光器功率反馈调节和瑞利散射噪声补偿。
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，所述抑制非线性效应发生的激光器功率反馈调节包括如下步骤：步骤一：将数据采集卡采集得到两组反斯托克斯散射光Vas1与Vas2和斯托克斯散射光Vs1与Vs2分别进行几何平均计算，得到Vasm与Vsm；步骤二：计算几何平均后的反斯托克斯散射光与斯托克斯散射光的比值，VR＝Vasm/Vsm，并计算第一光纤环与第二光纤环所处位置上的比值差ΔVR＝VR(L0)-VR(L1)，其中L0与L1分别为第一光纤环与第二光纤环所处的位置距离；步骤三：从0mA开始，逐步增大脉冲激光器的泵浦电流，并实时观察ΔVR，当ΔVR>10％×MIN[VR(L0),VR(L1)]时，减少脉冲激光器的泵浦电流，直至ΔV<1％×MIN[VR(L0),VR(L1)]。
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，所述瑞利散射噪声补偿包括如下步骤：(1)将温度测量光纤、第一光纤环和第二光纤环放置于同一温度环境下，并保持环境温度稳定；分别从正、反两个方向上采集反斯托克斯散射信号与斯托克斯散射信号得到正向采集的反斯托克斯信号Vas_for与斯托克斯散射信号Vs_for、反向采集的反斯托克斯信号Vas_back与斯托克斯散射信号Vs_back；(2)根据正向采集的反斯托克斯与斯托克斯散射信号得到光纤Ln处的正向反斯托克斯散射信号损耗
与正向斯托克斯散射信号损耗
并得到补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
(3)根据反向采集的反斯托克斯与斯托克斯散射信号，得到光纤Ln处的反向反斯托克斯散射信号损耗
与反向斯托克斯散射信号损耗
并得到补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
(4)根据补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
得到包含有瑞利散射噪声的补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
根据补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
得到包含有瑞利散射噪声的补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，在步骤(2)中，光纤Ln处的正向采集的反斯托克斯与斯托克斯散射信号得到光纤Ln处的正向反斯托克斯散射信号损耗
与正向斯托克斯散射信号损耗
分别表示为：
其中，m为光纤损耗点的平移步数。
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，在步骤(2)中，补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
分别表示为：
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，在步骤(3)中，光纤Ln处的反向反斯托克斯散射信号损耗
与反向斯托克斯散射信号损耗
分别表示为：
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，在步骤(3)中，补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
分别表示为：
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，在步骤(4)中，包含有瑞利散射噪声的补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
为：
其中，l为光纤某点的位置距离，h为普朗克常数，Δv为石英光纤中的拉曼散射频移，k为玻尔兹曼常数，T为光纤所处的环境温度，αas为反斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αs为斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αr为瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数，Afor为正向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Bfor为反斯托克斯散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，Cfor为正向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Dfor为斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，Aback为反向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Bback为反斯托克斯散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，Cback为反向探测得到的斯托克斯散射光散射系数，Dback为反向探测的斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，αr0为正向反斯托克斯探测信号中瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数。
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，在步骤(4)中，包含有瑞利散射噪声的补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
为：
其中，l为光纤某点的位置距离，h为普朗克常数，Δv为石英光纤中的拉曼散射频移，k为玻尔兹曼常数，T为光纤所处的环境温度，αas为反斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αs为斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αr为瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数，Cfor为正向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Dfor为斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，αr1为正向斯托克斯探测信号中瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数。
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，在步骤(4)中，包含有瑞利散射噪声的补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
为：
其中，l为光纤某点的位置距离，h为普朗克常数，Δv为石英光纤中的拉曼散射频移，k为玻尔兹曼常数，T为光纤所处的环境温度，αas为反斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αs为斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αr为瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数，Aback为反向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Bback为反斯托克斯散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，αr2为反向反斯托克斯探测信号中瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数。
上述基于环形光路的分布式光纤温度传感***中，在步骤(4)中，包含有瑞利散射噪声的补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
为：
其中，l为光纤某点的位置距离，h为普朗克常数，Δv为石英光纤中的拉曼散射频移，k为玻尔兹曼常数，T为光纤所处的环境温度，αas为反斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αs为斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αr为瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数，Cback为反向探测得到的斯托克斯散射光散射系数，Dback为反向探测的斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，αr3为反向斯托克斯探测信号中瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)相比固定的激光器参数，本发明专利所述的通过反馈控制调节的脉冲光可以确保在不发生受激拉曼散射的前提下，尽可能的提高激光器的入纤功率，从而确保拉曼散射光强信噪比最大化。
(2)相比于无瑞利散射噪声滤除装置或瑞利散射噪声补偿算法的温度测量结果，本发明专利所述的瑞利散射噪声补偿算法可以有效弥补由于波分复用器隔离度不够所引入的瑞利散射光噪声影响。通过改变光纤环温度，可以快速计算出传感光纤中的瑞利散射强度分布，在将其从解调公式减去。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种环形光路的分布式光纤温度传感***结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的一种环形光路的分布式光纤温度传感***结构框图。如图1所示，该环形光路的分布式光纤温度传感***包括：脉冲激光器1、波分复用器2、光开关3、第一光纤环5、第二光纤环5、温度测量光纤7、光电探测器8、数据采集卡9和上位机10；其中，
脉冲激光器1、脉冲激光器1的输出端与波分复用器2的输入端连接；波分复用器2的公共端与光开关3的输入端连接；光开关3的两个输出端分别与第一光纤环5和第二光纤环6连接；第一光纤环5和第二光纤环6的输出端分别与温度测量光纤7的两端连接；波分复用器2两个输出端分别与光电探测器8的两个输入端连接；光电探测器8的两个输出端分别与数据采集卡9的两个输入端连接，数据采集卡的输出端与上位机10的输入端连接；第一光纤环5与第二光纤环6均放置于温度测量装置4中，温度测量装置4的输出端与上位机10的输入端连接；
所述环形光路的分布式光纤温度传感***能够进行抑制非线性效应发生的激光器功率反馈调节和瑞利散射噪声补偿。
基于环形光路的分布式光纤温度传感***，包括：中心波长为1550nm的脉冲激光器、中心波长为1450nm和1661nm的带通波分复用器、1×2光开关、光纤环、2km长的多模温度测量光纤、两个100m长光纤环、100MHz带宽的双通道同步采集光电探测器、100MSPS的双通道数据采集卡、上位机以及PT1000铂电阻测量装置。
抑制非线性效应发生的激光器功率反馈调节包括如下步骤：
步骤一：将数据采集卡采集得到两组反斯托克斯散射光(Vas1与Vas2)和斯托克斯散射光(Vs1与Vs2)分别进行几何平均计算，得到Vasm与Vsm；
步骤二：计算几何平均后的反斯托克斯散射光与斯托克斯散射光的比值，VR＝Vasm/Vsm，并计算第一光纤环与第二光纤环所处位置上的比值差ΔVR＝VR(L0)-VR(L1)，其中L0＝50m，L1＝2150m；
步骤三：从20mA开始，逐步增大激光器的泵浦电流，并实时观察ΔVR，当ΔVR>10％×MIN[VR(L0),VR(L1)]时，减少激光器的泵浦电流，直至ΔV<1％×MIN[VR(L0),VR(L1)]。
本实施例通过环形光路首末端两个光纤环，实现对受激拉曼散射阈值的实时监测，反馈调节激光器的泵浦电流，实现在自发拉曼散射状态下的注入脉冲光功率最大化，进而提升传感***的整体性能。
本发明中：温度传感***具有瑞利散射噪声补偿功能，补偿算法包括如下步骤：
步骤一：将温度测量光纤、第一光纤环和第二光纤环放置于25℃环境下，并保持环境温度稳定。分别从正、反两个方向上采集反斯托克斯散射信号与斯托克斯散射信号，Vas_for，Vs_for，Vas_back以及Vs_back。
步骤二：对正向采集的反斯托克斯与斯托克斯散射信号，分别计算包括光纤连接器、光纤熔接点在内的各点损耗。光纤Ln处的反斯托克斯散射信号损耗与斯托克斯散射信号损耗可以分别表示为：
其中，m＝5m。补偿后的拉曼散射曲线为：
其中，L＝2200m。
步骤三：对反向采集的反斯托克斯与斯托克斯散射信号，采用与步骤二同样的处理方法，得到通过方向数据计算出的光纤各点损耗：
补偿后的拉曼散射曲线应为：
步骤三：损耗补偿后的双向反斯托克斯散射信号和斯托克斯散射信号分别包含有不同程度的瑞利散射噪声，可以用如下公式表示：
其中，l为光纤某点的位置距离，h为普朗克常数，Δv＝13.2THz为石英光纤中的拉曼散射频移，k为玻尔兹曼常数，T为光纤所处的环境温度，αas为反斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αs为斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αr为瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数，Afor为正向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Bfor为反斯托克斯散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，Cfor为正向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Dfor为斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，Aback为反向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Bback为反斯托克斯散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，Cback为反向探测得到的斯托克斯散射光散射系数，Dback为反向探测的斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数。
根据公式(1)和公式(2)，记录下当第一光纤环(l0)和第二光纤环(l1)分别处于温度T0＝30℃和T1＝80℃时的双向拉曼散射光强度：
其中，L＝2100m为第一光纤环与第二光纤环之间的光纤长度。通过公式(5)和公式(6)计算出Afor与Bfor，并带入到公式(7)与公式(8)中，再将公式(7)减去公式(8)，计算出αr0。
根据公式(9)、公式(10)、公式(11)以及公式(12)，并采用与上述相同的方法，可以计算出Cfor、Dfor、以及αr1。
同样，可以计算出反向探测得到反斯托克斯散射光与斯托克斯散射光的Afor、Bfor、Cfor、Dfor、αr2以及αr3。
其中，αr取αr0、αr1、αr2和αr3的平均值。
去除瑞利散射噪声的正、反向拉曼散射后的信号可以表示为：
将公式(13)与公式(15)、公式(14)与公式(16)进行几何平均处理，可以得到：
此时，公式(17)和(18)只与光纤各位置的温度T有关，而与距离无关。
将公式(17)除以公式(18)可得：
选取第一光纤环或者第二光纤环的散射信号强度与其所处实时环境温度作为参考温度，可以得到：
用公式(19)除以公式(20)，可以得到：
本实施例通过环形光路结构,消除光纤中受弯曲、强腐蚀性物质侵蚀等因素对拉曼散射光强度造成的非线性损耗，提高分布式光纤温度传感器在实际应用环境中的长期稳定，拓展其应用领域。通过。同时，对背向拉曼散射光中的瑞利散射光进行计算，消除瑞丽散射光对温度解调精度的影响,从而实现对传感光纤温度场信息的直接解调，降低***调试的复杂度，提高温度测量精度及其长期测量的稳定性。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (11)
1.一种基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于包括：脉冲激光器(1)、波分复用器(2)、光开关(3)、第一光纤环(5)、第二光纤环(6)、温度测量光纤(7)、光电探测器(8)、数据采集卡(9)和上位机(10)；其中，
脉冲激光器(1)、脉冲激光器(1)的输出端与波分复用器(2)的输入端连接；波分复用器(2)的公共端与光开关(3)的输入端连接；光开关(3)的两个输出端分别与第一光纤环(5)和第二光纤环(6)连接；第一光纤环(5)和第二光纤环(6)的输出端分别与温度测量光纤(7)的两端连接；波分复用器(2)两个输出端分别与光电探测器(8)的两个输入端连接；光电探测器(8)的两个输出端分别与数据采集卡(9)的两个输入端连接，数据采集卡的输出端与上位机(10)的输入端连接；第一光纤环(5)与第二光纤环(6)均放置于温度测量装置4中，温度测量装置4的输出端与上位机(10)的输入端连接；
所述环形光路的分布式光纤温度传感***能够进行抑制非线性效应发生的激光器功率反馈调节和瑞利散射噪声补偿。
2.根据权利要求1所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：所述抑制非线性效应发生的激光器功率反馈调节包括如下步骤：
步骤一：将数据采集卡(9)采集得到两组反斯托克斯散射光Vas1与Vas2和斯托克斯散射光Vs1与Vs2分别进行几何平均计算，得到Vasm与Vsm；
步骤二：计算几何平均后的反斯托克斯散射光与斯托克斯散射光的比值，VR＝Vasm/Vsm，并计算第一光纤环(5)与第二光纤环(6)所处位置上的比值差ΔVR＝VR(L0)-VR(L1)，其中L0与L1分别为第一光纤环(5)与第二光纤环(6)所处的位置距离；
步骤三：从0mA开始，逐步增大脉冲激光器(1)的泵浦电流，并实时观察ΔVR，当ΔVR>10％×MIN[VR(L0),VR(L1)]时，减少脉冲激光器(1)的泵浦电流，直至ΔV<1％×MIN[VR(L0),VR(L1)]。
3.根据权利要求1所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：所述瑞利散射噪声补偿包括如下步骤：
(1)将温度测量光纤(7)、第一光纤环(5)和第二光纤环(6)放置于同一温度环境下，并保持环境温度稳定；分别从正、反两个方向上采集反斯托克斯散射信号与斯托克斯散射信号得到正向采集的反斯托克斯信号Vas_for与斯托克斯散射信号Vs_for、反向采集的反斯托克斯信号Vas_back与斯托克斯散射信号Vs_back；
(2)根据正向采集的反斯托克斯与斯托克斯散射信号得到光纤Ln处的正向反斯托克斯散射信号损耗
与正向斯托克斯散射信号损耗
并得到补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
(3)根据反向采集的反斯托克斯与斯托克斯散射信号，得到光纤Ln处的反向反斯托克斯散射信号损耗
与反向斯托克斯散射信号损耗
并得到补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
(4)根据补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
得到包含有瑞利散射噪声的补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
根据补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
得到包含有瑞利散射噪声的补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
4.根据权利要求3所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：在步骤(2)中，光纤Ln处的正向采集的反斯托克斯与斯托克斯散射信号得到光纤Ln处的正向反斯托克斯散射信号损耗
与正向斯托克斯散射信号损耗
分别表示为：
其中，m为光纤损耗点的平移步数。
5.根据权利要求3所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：在步骤(2)中，补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
分别表示为：
6.根据权利要求5所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：在步骤(3)中，光纤Ln处的反向反斯托克斯散射信号损耗
与反向斯托克斯散射信号损耗
分别表示为：
7.根据权利要求6所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：在步骤(3)中，补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
与补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
分别表示为：
8.根据权利要求7所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：在步骤(4)中，包含有瑞利散射噪声的补偿后的正向反斯托克斯散射信号损耗
为：
其中，l为光纤某点的位置距离，h为普朗克常数，Δv为石英光纤中的拉曼散射频移，k为玻尔兹曼常数，T为光纤所处的环境温度，αas为反斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αs为斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αr为瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数，Afor为正向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Bfor为反斯托克斯散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，Cfor为正向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Dfor为斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，Aback为反向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Bback为反斯托克斯散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，Cback为反向探测得到的斯托克斯散射光散射系数，Dback为反向探测的斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，αr0为正向反斯托克斯探测信号中瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数。
9.根据权利要求7所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：在步骤(4)中，包含有瑞利散射噪声的补偿后的正向斯托克斯散射信号损耗
为：
其中，l为光纤某点的位置距离，h为普朗克常数，Δv为石英光纤中的拉曼散射频移，k为玻尔兹曼常数，T为光纤所处的环境温度，αas为反斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αs为斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αr为瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数，Cfor为正向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Dfor为斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，αr1为正向斯托克斯探测信号中瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数。
10.根据权利要求7所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：在步骤(4)中，包含有瑞利散射噪声的补偿后的反向反斯托克斯散射信号损耗
为：
其中，l为光纤某点的位置距离，h为普朗克常数，Δv为石英光纤中的拉曼散射频移，k为玻尔兹曼常数，T为光纤所处的环境温度，αas为反斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αs为斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αr为瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数，Aback为反向探测得到的反斯托克斯散射光散射系数，Bback为反斯托克斯散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，αr2为反向反斯托克斯探测信号中瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数。
11.根据权利要求7所述的基于环形光路的分布式光纤温度传感***，其特征在于：在步骤(4)中，包含有瑞利散射噪声的补偿后的反向斯托克斯散射信号损耗
为：
其中，l为光纤某点的位置距离，h为普朗克常数，Δv为石英光纤中的拉曼散射频移，k为玻尔兹曼常数，T为光纤所处的环境温度，αas为反斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αs为斯托克斯散射光在石英光纤中的衰减系数，αr为瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数，Cback为反向探测得到的斯托克斯散射光散射系数，Dback为反向探测的斯托克散射光探测通道中的瑞利散射光散射系数，αr3为反向斯托克斯探测信号中瑞利散射光在石英光纤中的衰减系数。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220166579A (ko) * | 2021-06-10 | 2022-12-19 | 한국광기술원 | 분포형 광섬유 온도 측정장치 및 그 온도 보정방법 |
| CN115931168A (zh) * | 2023-03-13 | 2023-04-07 | 之江实验室 | 一种分布式光纤温度传感***的衰减差补偿方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9307660D0 (en) * | 1993-04-14 | 1993-06-02 | York Ltd | Distributed sensing |
| US20130100984A1 (en) * | 2011-10-24 | 2013-04-25 | Yokogawa Electric Corporation | Opticalfiber temperature distribution measurement apparatus |
| CN103575424A (zh) * | 2013-11-27 | 2014-02-12 | 威海北洋电气集团股份有限公司 | 温度波动度可控的分布式光纤传感器及测温***和方法 |
| CN106768278A (zh) * | 2017-01-06 | 2017-05-31 | 天津大学 | 一种分布式光纤振动和温度双物理量传感定位*** |
| CN107091698A (zh) * | 2017-06-16 | 2017-08-25 | 苏州光格设备有限公司 | 布里渊光时域分析***及方法 |
| CN110307920A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-10-08 | 太原理工大学 | 基于噪声调制的光纤温度、应力传感***及测量方法 |
-
2019
- 2019-12-09 CN CN201911248571.6A patent/CN111307322B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9307660D0 (en) * | 1993-04-14 | 1993-06-02 | York Ltd | Distributed sensing |
| US20130100984A1 (en) * | 2011-10-24 | 2013-04-25 | Yokogawa Electric Corporation | Opticalfiber temperature distribution measurement apparatus |
| CN103575424A (zh) * | 2013-11-27 | 2014-02-12 | 威海北洋电气集团股份有限公司 | 温度波动度可控的分布式光纤传感器及测温***和方法 |
| CN106768278A (zh) * | 2017-01-06 | 2017-05-31 | 天津大学 | 一种分布式光纤振动和温度双物理量传感定位*** |
| CN107091698A (zh) * | 2017-06-16 | 2017-08-25 | 苏州光格设备有限公司 | 布里渊光时域分析***及方法 |
| CN110307920A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-10-08 | 太原理工大学 | 基于噪声调制的光纤温度、应力传感***及测量方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220166579A (ko) * | 2021-06-10 | 2022-12-19 | 한국광기술원 | 분포형 광섬유 온도 측정장치 및 그 온도 보정방법 |
| KR102590280B1 (ko) * | 2021-06-10 | 2023-10-17 | 한국광기술원 | 분포형 광섬유 온도 측정장치 및 그 온도 보정방법 |
| CN115931168A (zh) * | 2023-03-13 | 2023-04-07 | 之江实验室 | 一种分布式光纤温度传感***的衰减差补偿方法 |
| CN115931168B (zh) * | 2023-03-13 | 2023-06-16 | 之江实验室 | 一种分布式光纤温度传感***的衰减差补偿方法 |
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