专利名称：消除瑞利光串扰的分布式光纤拉曼测温系统及测温方法
技术领域：
本发明涉及一种温度解调方法，具体讲是一种应用在分布式光纤拉曼测温系统中能够消除瑞利光串扰的温度解调方法，属于光纤测温技术领域。
背景技术：
近年来，基于拉曼散射的分布式光纤测温系统得到了较快发展，并且逐渐地商业化。与传统的电子温度传感器相比，分布式光纤测温系统具有抗电磁干扰、耐高压、精度高、结构简单等优点，所以被广泛地应用于电力电缆温度监测、结构健康监测、大坝泄露监测等领域。在分布式光纤拉曼测温系统中选用的温度解调方法一般为3种，(I)利用反斯托克斯拉曼散射光功率曲线进行自解调；(2)利用反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光功率进行解调(3)利用反斯托克斯拉曼散射光和瑞利散射光功率进行解调。方法(I)优点是系统的结构比较简单，省了一路参考通道，相对温度灵敏度高。方法(2)利用斯托克斯拉曼散射光作为参考信道，通过反斯托克斯拉曼散射信号光与其作比较，从而有效地消除光源的不稳定性以及光纤传输过程中的耦合损耗、光纤接头损耗、光纤弯曲损耗和光纤传输损耗等所带来的影响，因此传统的拉曼分布式光纤温度传感器采用的都是这种解调方法对信号进行解调。方法(3)利用瑞利散射光作为参考信号，通过反斯托克斯散射信号与其作比较，从而有效的消除光源的不稳定性以及光纤传输过程中的耦合损耗、光纤接头损耗、光纤弯曲损耗和光纤传输损耗等所带来的影响，并且灵敏度相对方法(2)得到了进一步提升。但是在系统中，瑞利散射光的功率比反斯托克斯散射光的功率强30db，我们选用的WDM (波分复用器)的隔离度为35db,光纤中的瑞利光在反斯托克斯光和斯托克斯光的通道中没有把瑞利散射光完全滤掉，因此在反斯托克斯光路中会串扰瑞利光。瑞利光的串扰会降低系统的精度。上述的3种解调方法，都没有消除瑞利光的串扰，都是用各路的信号直接进行计算，这样就降低了系统的精度。张在宣、沈为民、郭宁、吴孝彪、余向东所著“分布光纤喇曼光子传感器系统的一种解调方法”一文(见“光子学报”，Vol.27N0.5，1998，467-471)即为此列。为了提高系统的测量精度，消除瑞利光势在必行。
发明内容
为了消除瑞利散射光串扰的影响，提高测温系统的精度，本发明提出了一种利用参考温度下的反斯托克斯散射光消除瑞利散射光的新型温度解调方法，就是利用所测量温度T下与室温Tl下相同位置处的反斯托克斯散射光的功率的差值除以参考光纤处的参考温度T2与室温Tl下的反斯托克斯散射光功率的差值，根据这个比值进行解调温度。本发明的技术方案是按以下方式实现的:一种消除瑞利光串扰的分布式光纤拉曼系统温度解调方法，通过以下系统来实现，该系统包括1550nm脉冲激光器、1*2波分复用器(WDM)、传感光纤、APD (雪崩光电二极管)、数据采集卡、计算机、2个恒温槽和电子温度计，1550nm激光器的脉冲输出端连接1*2波分复用器的1550nm的端口，1*2波分复用器的COM端口连接传感光纤，在传感光纤200米后面分别取50米和100米光纤段放置到两个恒温槽中，并作为参考光纤I和参考光纤2，1*2波分复用器的1450nm端口连接雪崩光电二极管，雪崩光电二极管的输出端口连接数据采集卡的输入端口，数据采集卡的输出端连接计算机，经计算机进行数据处理及计算后将光纤测得温度显示在计算机屏幕上，该方法步骤如下:
I)按照上述的仪器结构连接仪器，两段参考光纤放到外界环境中，并打开激光器，雪崩光电二极管，数据采集卡和计算机的电源；2)用电子温度计测量此时室温Tl，点击数据采集卡的采集按钮，采集此时整段光纤的反斯托克斯散射光功率的数据，数据传输到计算机上并保存，并记做Pi;3)取传感光纤200后的50米和100米两段光纤作为参考光纤I和参考光纤2，参考光纤2后的传感光纤作为测量光纤，则参考光纤1，参考光纤2和测量光纤在室温下的反斯托克斯光的功率记为PlI，P12和P13 ；4)把参考光纤I和参考光纤2分别放到恒温槽I和恒温槽2中，恒温槽I温度设置为Tl (与上述的室温相同)，恒温槽2温度设置为T2，T2古Tl，测量光纤放到测量环境中，设被测量环境的温度为T ;5)打开数据采集卡进行数据采集，对整条传感光纤进行二次测量，采集此时整段光纤的反斯托克斯散射光功率的数据，数据传输到计算机上并保存，整条光纤的反斯托克斯的功率的数据记为P2 ;参考光纤1，参考光纤2和测量光纤此时的反斯托克斯光的功率记为 P21, P22和 P23 ；6)在计算机上进行数据计算，对第二次测量进行激光脉冲功率补偿得到P3，P3=P2Xmean(Pll/P21), mean表示求平均，对第二次测量激光脉冲功率补偿后，则参考光纤1，参考光纤2和测量光纤第二次测量的反斯托克斯功率分别为P31，P32和P33 ；7)参考光纤2温度T2的反斯托克斯功率减去参考光纤2温度Tl的反斯托克斯功率得到P4， 4= 32- 12，根据反斯托克斯光功率？吧(1')与光纤温度的理论关系，..V exp(-Mv/7c/:) 「 Γ.、,
权利要求
1.一种消除瑞利光串扰的分布式光纤拉曼系统温度解调方法，通过以下系统来实现，该系统包括1550nm脉冲激光器、1*2波分复用器、传感光纤、雪崩光电二极管、数据采集卡、计算机、2个恒温槽和电子温度计，1550nm激光器的脉冲输出端连接1*2波分复用器的1550nm的端口，1*2波分复用器的COM端口连接传感光纤，在传感光纤200米后面分别取50米和100米光纤段放置到两个恒温槽中，并作为参考光纤I和参考光纤2，1*2波分复用器的1450nm端口连接雪崩光电二极管，雪崩光电二极管的输出端口连接数据采集卡的输入端口，数据采集卡的输出端连接计算机，经计算机进行数据处理及计算后将光纤测得温度显示在计算机屏幕上，该方法步骤如下: 1)按照上述的仪器结构连接仪器，两段参考光纤放到外界环境中，并打开激光器，雪崩光电二极管，数据采集卡和计算机的电源； 2)用电子温度计测量此时室温Tl，点击数据采集卡的采集按钮，采集此时整段光纤的反斯托克斯散射光功率的数据，数据传输到计算机上并保存，并记做Pl ； 3)取传感光纤200后的50米和100米两段光纤作为参考光纤I和参考光纤2，参考光纤2后的传感光纤作为测量光纤，则参考光纤1，参考光纤2和测量光纤在室温下的反斯托克斯光的功率记为PlI，P12和P13 ； 4)把参考光纤I和参考光纤2分别放到恒温槽I和恒温槽2中，恒温槽I温度设置为Tl，与上述的室温相同，恒温槽2温度设置为T2，T2古Tl，测量光纤放到测量环境中，设被测量环境的温度为T ； 5)打开数据采集卡进行数据采`集，对整条传感光纤进行二次测量，采集此时整段光纤的反斯托克斯散射光功率的数据，数据传输到计算机上并保存，整条光纤的反斯托克斯的功率的数据记为P2 ;参考光纤1，参考光纤2和测量光纤此时的反斯托克斯光的功率记为P21, P22 和 P23 ；` 6)在计算机上进行数据计算，对第二次测量进行激光脉冲功率补偿得到P3， P3=P2Xmean (P11/P21)，mean表示求平均，对第二次测量激光脉冲功率补偿后，则参考光纤1，参考光纤2和测量光纤第二次测量的反斯托克斯功率分别为P31，P32和P33 ； 7)参考光纤2温度T2的反斯托克斯功率减去参考光纤2温度Tl的反斯托克斯功率得到P4， P4=P32-P12，根据反斯托克斯光功率Pas (T)与光纤温度的理论关系， =^E0 m) L exp[_(ao+aJL]l-exp(-Mv / k I) P32-Ρ12=[Λ.,.,「( exp(-Mv/"7'2) - exp(-/ Av^n) )exp[-(a0+aas)A] (I) i! l-exp(—Mv/々/.2) l-exp1-Mr/A/'l) 1 L V 0 as^j 上式中，V为光在光纤中的传输速度，E0为泵浦光脉冲的能量，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，T为被测量环境的温度，Av为光纤的拉曼频移量，ras为光纤中单位长度上的后向反斯克斯拉曼散射光的散射系数，a。、aas分别为入射泵浦光和后向反斯托克斯拉曼散射光在光纤中单位长度上的损耗系数，L为被测量环境处的光纤上一测量点到测量起始点的距离，L1为对应参考光纤2上某一测量点到测量起始点的距离， 把(I)式两端求In，得到:
全文摘要
一种消除瑞利光串扰的分布式拉曼系统温度解调方法，属光纤测温技术领域。它是一种消除反斯托克斯光路中的瑞利光的温度解调的方法，取室温T1作为参考温度；在光纤的初始位置往后200米连续取50米，100米两段参考光纤，分别放到两个恒温槽中，温度分别为室温T1和T2，T2≠T1.第一个恒温槽的T1用于消除激光器功率的波动的影响，算出第二个恒温槽中光纤的温度T2下的反斯托克斯的数据与其室温T1的数据的差值，再算出测量光纤中所测量温度T下的反斯托克斯光功率的数据与其室温T1数据的差值，根据这两个差值就可以求出测量光纤的温度T。本发明方法能够消除激光器功率的波动和瑞利光的串扰，使测温精度和稳定性得到提高。
文档编号G01K11/32GK103115696SQ201310023830
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者常军, 王宗良, 蒋硕, 孙柏宁, 罗沙, 刘晓慧, 王伟杰, 刘永宁, 朱存光, 王朋朋, 王强, 魏巍 申请人:山东大学