一种分布式光纤测温方法及系统与流程

本发明属于光纤测温领域，涉及一种光纤测温方法，具体涉及一种分布式光纤测温方法及系统。

背景技术：

当光脉冲沿光纤传输时，在光纤的每一点都会产生拉曼散射，该散射是向各个方向发射的，其中沿着光纤反向传输回来的散射光成为后向拉曼散射，如果从光进入光纤开始计时，那么不同时刻收到的后向散射光表征距光纤注入端和发生后向拉曼散射的距离，从而可以确定发生散射的具体位置。

拉曼散射光分为斯托克斯光与反斯托克斯光，其中反斯托克斯光与斯托克斯光的强度之比通过运算，可以确定唯一温度。因此可以实现不同位置处的温度测量。

由于拉曼信号信噪比较低，现有的光纤传感器在信号检测精度、信号处理能力方面达不到要求，而且受光的散射现象与光传输损耗的因素影响，所测得的温度精度较差，不能精确定位异常温度点位置。

技术实现要素：

为了解决现有拉曼信号处理方法获得的温度精度较差，使得异常温度点位置定位精度较低的技术问题，本发明提供了一种分布式光纤测温方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种分布式光纤测温方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)获得反斯托克斯曲线和斯托克斯曲线

使脉冲光经耦合器进入光纤，在光纤内发生拉曼散射，产生的后向拉曼散射光经波分复用器将斯托克斯光和反斯托克斯光分开，然后进入光电转换模块，采样得到斯托克斯曲线和反斯托克斯曲线

其中：n为采样点，n＝0，1，2……；

i为斯托克斯曲线的强度，l为反斯托克斯曲线的强度；

2)计算斯托克斯曲线的有效波形和反斯托克斯曲线的有效波形

2.1)在斯托克斯曲线与反斯托克斯曲线末端均选取t个采样点，对采样点对应的强度求平均值，得到斯托克斯曲线的基底bs和反斯托克斯曲线的基底bas；其中，80＜t＜120；

2.2)根据斯托克斯曲线和斯托克斯曲线的基底bs，得到斯托克斯曲线的有效波形为：

以及根据反斯托克斯曲线为和反斯托克斯曲线的基底bas，得到反斯托克斯曲线的有效波形为：

3)获得斯托克斯和反斯托克斯的特征波形

选取斯托克斯曲线有效波形与反斯托克斯曲线有效波形的起点坐标和终点坐标；其中，对前半段波形幅值求最大值得到起点坐标；对后半段波形幅值求最大值得到终点坐标；

记斯托克斯曲线的特征波形起点和终点分别为(sm，im)、(se，ie)，则起点(sm，im)和终点(se，ie)之间的波形为斯托克斯特征波形为εs；

记反斯托克斯曲线的特征波形起点和终点为((as)m，lm)、((as)e，le)则起点((as)m，lm)和终点((as)e，le)之间的波形为反斯托克斯特征波形为εas；

4)运用插值算法消除散射现象

根据斯托克斯特征波形εs确定斯托克斯波形采样点数ns，以及根据反斯托克斯特征波形为εas确定反斯托克斯波形采样点数nas；对反斯托克斯特征波形εas进行插值运算，使反斯托克斯特征波形采样点数与斯托克斯波形采样点数相同，得到消除散射现象后的反斯托克斯波形θas；

5)获取强度比值

消除散射现象后的反斯托克斯波形θas与斯托克斯波形εs的比值μ(n)表示：

6)求损耗系数

6.1)将首端长度为h的光纤放置到恒温槽中，得到μ(0)与μ(h-1)；其中，恒温槽温度为f，100m≤h≤300m；

6.2)将μ(0)与μ(h-1)代入步骤5)的μ(n)中，求得损耗系数αa-as；

7)损耗系数标定

损耗系数标定后的反斯托克斯波形与斯托克斯波形的比值ρ(n)表示为：

8)温度标定

按照下式计算分布式光纤测得温度：

其中，x为恒温槽温度调整温差；

ρ(0)为恒温槽温度f时，根据步骤7)中公式计算的反斯托克斯波形与斯托克斯波形的比值；

ρ’(0)为恒温槽温度(f+x)时，根据步骤7)中公式计算的反斯托克斯波形与斯托克斯波形的比值。

进一步地，步骤4)中，所述插值运算具体如下：

a)生成大小为ns-1的数组：m＝[1，2，…ns-1]；

b)生成大小为nas的数组：x＝[0，ns/nas，2ns/nas，...ns]；

c)将数组m的每一个数值线性差值进x数组；

d)将反斯托克斯特征波形εas转换为λas；

e)将εs的第一个数值插入λas，消除散射现象后的反斯托克斯波形θas。

基于上述测温方法，本发明还提供了一种分布式光纤测温系统，其特殊之处在于：包括控制模块、光源、耦合器、光纤、波分复用器、光电转换模块、数据采集卡、恒温槽和数据处理单元；

所述控制模块用于控制光源和数据采集卡同步动作；

所述光纤的首端设置在恒温槽内；

所述耦合器用于将光源出射的脉冲光耦合进光纤内，以及将经光纤传输回的拉曼散射光传输至波分复用器；

所述波分复用器用于将拉曼散射光的斯托克斯光和反斯托克斯光分开，并传输至光电转换模块；

所述光电转换模块对斯托克斯光和反斯托克斯光进行光电转换；

所述数据采集卡采集光电转换模块转换后的斯托克斯光和反斯托克斯光，并采样得到斯托克斯曲线和反斯托克斯曲线；

所述数据处理单元对斯托克斯曲线和反斯托克斯曲线进行处理，得到光纤测得的温度表达式。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明方法运用差值算法消除散射现象(反斯托克斯曲线和斯托克斯光采样点数不相等)，便于精确计算反斯托克斯曲线和斯托克斯曲线的强度比；并考虑弯曲、应力及温度差异等引起损耗系数的变化，对损耗系数进行标定。本发明方法插值消除色散、补偿光纤损耗，可有效消除测量误差，而且解调温度精度高、定位精度优越，可精确定位异常温度点位置。

附图说明

图1为本发明分布式光纤测温系统的结构示意图；

图2为本发明分布式光纤测温方法的流程示意图；

图3为本发明分布式光纤测温方法中斯托克斯和反斯托克斯波形示意图，其中，a为斯托克斯曲线，b为反斯托克斯曲线；

图4为本发明分布式光纤测温方法中斯托克斯和反斯托克斯波形起点终点示意图，其中，a为斯托克斯曲线，b为反斯托克斯曲线；

图5为本发明分布式光纤测温方法步骤4)中插值算法的流程示意图；

图6为本发明分布式光纤测温方法中反斯托克斯与斯托克斯波形比值示意图；

图7为本发明分布式光纤测温方法中损耗修正后反斯托克斯与斯托克斯波形比值示意图；

其中，附图标记如下：

1-控制模块，2-光源，3-耦合器，4-光纤，41-标定光纤段，42-传感光纤段，5-恒温槽，6-波分复用器，7-光电转换模块，8-数据采集卡，9-数据处理单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，一种分布式光纤测温系统，包括控制模块1、光源2、耦合器3、光纤4、恒温槽5、波分复用器6、光电转换模块7、数据采集卡8和数据处理单元9；控制模块1用于控制光源2和数据采集卡8同步动作；光纤4包括首端的标定光纤段41和传感光纤段42，标定光纤段41设置在恒温槽5内，耦合器3用于将光源2出射的脉冲光耦合进光纤4内，以及将经光纤4传输回的拉曼散射光传输至波分复用器6；波分复用器6用于将拉曼散射光的斯托克斯光和反斯托克斯光分开，并传输至光电转换模块7；光电转换模块7对斯托克斯光和反斯托克斯光均进行光电转换；数据采集卡8采集光电转换模块7转换后的斯托克斯光和反斯托克斯光，并采样得到斯托克斯曲线和反斯托克斯曲线；数据处理单元9对斯托克斯曲线和反斯托克斯曲线进行处理，得到光纤4测得的温度。

如图2所示，一种分布式光纤测温方法，包括以下步骤：

步骤一、获得反斯托克斯曲线和斯托克斯曲线

参考图1，控制模块1启动光源2发出脉冲光，同时同步启动数据采集卡8开始工作，光源2发出的脉冲光经过耦合器3进入光纤4内，在光纤4内的每一处发生拉曼散射，其中的后向拉曼散射光通过光纤4、耦合器3传输至波分复用器6，该处的拉曼散射光分为斯托克斯光和反斯托克斯光，波分复用器6将斯托克斯光和反斯托克斯光分开，然后进入光电转换模块7，再通过数据采集卡8采样得到斯托克斯和反斯托克斯的波形曲线图，如图3所示；

其中，斯托克斯的曲线为和反斯托克斯的曲线为

n为采样点，n＝0，1，2，3……；，i为斯托克斯曲线的强度，l为反斯托克斯曲线的强度。

反斯托克斯曲线和斯托克斯曲线的强度比满足如下公式：

式中，v是激发光的频率，vi是振动频率，h是planck常数，k是boltzman常数，t是绝对温度，从式(1)中可以看出，一旦使用的激光源2确定，则v为常数，光纤4的材料决定了分子振动频率vi，则反斯托克斯分量与斯托克斯分量的强度之比便可以唯一确定温度t。

步骤二、选取斯托克斯曲线的有效波形和反斯托克斯曲线的有效波形

2.1)在斯托克斯曲线与反斯托克斯曲线末端均选取t个采样点，对这些采样点对应的强度求平均值，得到斯托克斯曲线的基底bs和反斯托克斯曲线的基底bas，其中，80＜t＜120；本实施例中，采样点t选取为100个；

2.2)根据斯托克斯曲线和斯托克斯曲线的基底bs，得到斯托克斯曲线的有效波形为：

根据反斯托克斯曲线为和反斯托克斯曲线的基底bas，得到反斯托克斯曲线的有效波形为：

步骤三、获得斯托克斯和反斯托克斯的特征波形

选取斯托克斯曲线有效波形与反斯托克斯曲线有效波形的起点坐标和终点坐标，如图4所示；

起点坐标选取：对前半段波形幅值求最大值即可；

终点坐标选取：对后半段波形幅值求最大值即可；

记斯托克斯曲线的特征波形起点和终点分别为(sm，im)、(se，ie)，则起点(sm，im)和终点(se，ie)之间的波形为斯托克斯特征波形为εs；

记反斯托克斯曲线的特征波形起点和终点为((as)m，lm)、((as)e，le)则起点((as)m，lm)和终点((as)e，le)之间的波形为反斯托克斯特征波形为εas；

步骤四、运用插值算法消除散射现象

根据斯托克斯特征波形εs确定斯托克斯波形采样点数ns，以及根据反斯托克斯特征波形为εas确定反斯托克斯波形采样点数nas；由于斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤4中的光速有差异，导致同一时刻采样机采集到两路光信号对应不同的散射点位置，具体体现在ns与nas不相等，因此本实施例运用插值算法消除散射现象，即对反斯托克斯特征波形εas进行插值运算，使反斯托克斯特征波形采样点数与斯托克斯波形采样点数相同，得到消除散射现象后的反斯托克斯波形θas；插值运算的流程图见图5所示，具体如下：

a)生成大小为ns-1的数组：

m＝[1，2，…ns-1](4)

b)生成大小为nas的数组

x＝[0，ns/nas，2ns/nas，...ns](5)

c)将数组m的每一个数值线性差值进x数组；

d)将反斯托克斯特征波形εas转换为λas；

e)将εs的第一个数值插入λas，消除散射现象后的反斯托克斯波形θas。

步骤五、获取强度比值

反斯托克斯波形θas与斯托克斯波形εs做比值，如图6所示：

该比值μ(n)与温度t(n)为一次线性关系；

斯托克斯与反斯托克斯光信号的损耗系数差别很小，当外界环境发生变化的时候，由于弯曲、应力以及温度差异会引起损耗系数发生变化，通常情况下认为两者相等或者固定不变而忽略了对两者差异的修正，因此本实施例方法对进行补偿；

斯托克斯特征波形可以表示为：

反斯托克斯特征波形可以表示为：

斯托克斯特征波形与反斯托克斯特征波形的比值μ(n)表示为：

当n＝0时，

则

步骤六、求损耗系数

将首端长度为h(100m≤h≤300m)的光纤4放置到恒温槽5(恒温槽5温度为f)中，可以得到μ(0)与μ(h-1)；本实施例中h采用200m，则将首端长度200m光纤4放置温度为f的恒温槽5中，可以得出μ(0)与μ(199)，并将μ(0)与μ(199)代入上式(11)，可以求得损耗系数αa-as；

步骤七、损耗系数标定

如图7所示，损耗系数标定后的反斯托克斯波形与斯托克斯波形的比值为：

步骤八、温度标定

将恒温槽5温度调为(f+x)℃，x为恒温槽5温度调整温差，并根据公式(12)计算此时n＝0处，斯托克斯与反斯托克斯比值为ρ’(0)，根据ρ(0)、ρ’(0)、f、(f+x)可以求得反斯托克斯/斯托克斯比值ρ(n)与温度t(n)的关系表达式：

其中，ρ(0)为恒温槽5温度为f时，根据公式(12)计算的ρ(0)值，ρ’(0)为恒温槽5温度为(f+x)时，根据公式(12)计算的ρ’(0)值；

假设本实施例中将恒温槽5温度调为(f+10)℃，则温度t(n)为：

由于斯托克斯和反斯托克斯在光纤4中的光速有差异，导致同一时刻的斯托克斯波形采样点数和反斯托克斯波形采样点数不相等，本实施例方法运用插值算法消除散射现象(两路光采样点数不相等)，便于计算反斯托克斯曲线和斯托克斯曲线的强度比。本实施例方法还对反斯托克斯曲线和斯托克斯曲线的强度比进行补偿，可有效消除测量误差，而且解调温度精度高、定位精度优越。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。