分布式光纤拉曼温度传感装置及其解调方法

本发明涉及温度传感装置，尤其涉及提高分布式光纤拉曼温度传感系统空间分辨率的解调方法。

背景技术：

1、dts是一种可以用于测量长距离光纤沿线温度的技术。其基本原理是利用脉冲光在传感光纤中产生的后向拉曼散射光对温度敏感的特性，实现光纤链路上温度的实时监测。由于该技术可以实现大范围长距离的温度分布检测，以及抗电磁干扰，传感光纤无需供电，易于安装等优点，使其在交通、建筑、煤矿、电力等领域中有广阔应用前景。

2、由于系统光源的脉宽和采集卡采样率指标有限，目前常规dts系统(脉宽10ns，采集卡采样率100mhz)可以准确测量温度需要的最小光纤长度为4～6米。在实际应用中，经常遇到温变区长度小于测准温度所需的最小光纤长度，在这种情况下，系统输出的温度数值与实际温度有较大差别，导致温度测量或预警系统不能正常发挥作用。

3、为了提高dts系统温度测量的空间分辨率，目前已报道的主要方法包括：(1)采用空间网格法增加传感光纤的长度来实现更小空间的温度测量[1]；(2)通过特殊光源产生更小脉宽的光信号和提高采集卡采样率来实现高空间分辨率的温度测量[2]；(3)使用温升曲线的斜率特征[3]来提高温度测量的空间分辨率。但方法(1)需要布设更大长度的光纤和增加传感器所占的空间，这在许多场合并不适用；方法(2)需要特种光源技术以及高速率的采集卡，这会增大系统的成本和复杂性；根据方法(3)的报道，该方案在实施时需事先获得温变区长度，否则会带来较大的测量误差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的主要技术问题是提供提高分布式光纤拉曼温度传感系统空间分辨率的解调方法，可测量较小温变区温度变化以及测量多个温度变化区域的温度变化。可以在采用常规光源和采集卡的条件下，对远小于上述测准温度所需最小光纤长度(4～6米)的未知温变区实现温度变化的准确测量。

2、为了解决上述的技术问题，本发明提供了分布式光纤拉曼温度传感装置，包括：脉冲光源，脉冲光放大器，波分复用器，传感光纤，光电探测器，采集卡以及计算机；

3、所述脉冲光源发出的脉冲光经过脉冲光放大器后，经过波分复用器输入到多模光纤中产生背向散射光，随后背向散射光再经波分复用器后输出拉曼背向散射光，该拉曼散射光经光电探测器探测后输出电信号，该电信号被数据采集卡采集，最后传输到计算机端进行信号处理。

4、在一较佳实施例中：所述脉冲调制光源输出的波长为1550nm，波分复用器输出波长为1450nm的拉曼散射光和1650nm的拉曼散射光。

5、本发明还提供了如上所述的分布式光纤拉曼温度传感装置的解调方法，其解调多个温度变化区域温度变化，所述解调方法包括如下步骤：

6、s1:确定好光脉冲宽度和功率后,并计算光脉冲的底部宽度lp；

7、s2:在传感光纤上划分出与采集卡采样间距等长的温区，其长度记为l1i；

8、s3:获取该长度的温区在不同温度下得到的温升曲线；

9、s4:温升曲线内第l+(i+η-1)·s个采样点的拉曼强度为：

10、s5:

11、s6:sas表示温升曲线中每个采样点得到后向反斯托克斯光的强度比值；l为传感光纤上温区的起始位置；η表示脉冲光第一次进入温区的前沿光通量长度在采样间距中的比例。s表示采集卡的采样间距，其等于温区长度待测温变区的温度为ttest；脉冲光内第i位置的光通量为ai；ras(ttest)表示与玻色-爱因斯坦统计分布相关的温度函数；kas表示反斯托克斯光中与光纤散射截面有关的系数；d表示光纤的后向散射系数；vas表示反斯托克斯光的频率。α0和αas分别表示入射脉冲光和反斯托克斯光在传感光纤单位长度上传输的损耗系数。

12、s7:为了更方便地表示温升曲线中每个采样点的拉曼强度，我们简化公式(1)中的光强衰减调制项和其他参数调制项，并在公式(2)中显示。

13、

14、s8:此外，在一定的温度范围内，公式(2)中的ras(ttest)可等同于温度为变量的一个线性函数，即：

15、ras(tfut)＝k·tfut                 (3)

16、s9:k表示温度敏感系数。

17、s10:对拉曼比值曲线进行强度差计算；

18、s11:确定好温升曲线的第一个采样点；

19、s12:获取该长度的温区在不同温度下得到的温升曲线；

20、s13:将温升曲线中每个采样点在不同温度下得到的强度与温度进行拟合；

21、s14:计算温升曲线内不同采样点下拟合得到温度-强度曲线的函数,如公式(4)所示；

22、s15:

23、s16:从公式(1)中可以看出，φ1，φ2，φ3,φ4和φ5分别表示脉冲光内不同位置的光通量感知温度得到的灵敏度，且光通量越大，灵敏度越高。

24、s17：获取整条传感光纤得到的温升曲线；

25、s18：计算拉曼曲线的比值；

26、s19：对拉曼比值曲线进行强度差计算；

27、s20：确定好温升曲线的第一个采样点；

28、s21：利用第一个采样点的强度放入第一采样点对应的温度-强度曲线中计算出第一个温区的温度t1i；

29、s22：利用第二采样点的强度减去第一个温区温度在第二采样点对应温度-强度曲线中得到的强度，相减后的强度差放入第一采样点的温度-强度曲线中计算出第二温区的温度为t2i；

30、s23：依此类推，分别计算出传感光纤上按等长度划分的每个温区的温度。

31、s24：

32、s25:公式(5)中，传感光纤上划分的温区个数为m个；温区间距为0；温区长度为l0；p表示脉冲光内被采样间距等分切割的光通量个数，也代表着与采样间距等长的温区在不同温度下获取温升曲线的总采样点数；aj表示脉冲光内根据采样间距等划分的第j个光通量。

33、在一较佳实施例中：所述数据处理方法包括如曲线采样点间的强度计算及其它数值计算方法。

34、本发明还提供了如上所述的分布式光纤拉曼温度传感装置的解调方法，其解调单个温区温度变化，所述解调方法包括如下步骤：

35、s1:确定好光脉冲宽度和功率后,并计算光脉冲的底部宽度lp；

36、s2:选择几段长度小于测准温度所需最短光纤长度的光纤，并分别获取这几段光纤在不同温度下得到的温升曲线；

37、s3:计算拉曼曲线的比值；

38、s4:对拉曼比值曲线进行强度差计算；

39、s5:获取温升曲线的总采样点数；

40、s6:计算每一长度光纤下得到温升曲线的面积值；

41、s7：画出不同光纤长度下得到的温度-面积值曲线；

42、s8：分别计算不同光纤长度下温度-面积值曲线的斜率和截距；

43、s9：画出不同光纤长度下的斜率和截距曲线；

44、s10：分别拟合出光纤长度-斜率和光纤长度-截距曲线的函数；

45、s11：获取未知长度下的光纤在未知温度下得到的温升曲线；

46、s12：计算拉曼曲线的比值。

47、s13：对拉曼比值曲线进行强度差计算；

48、s14：获取温升曲线的总采样点数；

49、s15：采样总点数乘以采样间距得到温升曲线底部宽度对应的长度lall；

50、s16：判断lall与lp之间的关系；

51、s17：如果lall小于lp,计算温升曲线的特征参数k；

52、s18：lall减去光脉冲底部宽度lp得到温区的长度

53、s19：匹配该温区长度下的温度-特征参数曲线的斜率和截距；

54、s20：根据计算得到的面积值在温度-面积值曲线中计算温度t1ii；

55、s21：如果lall大于lp,根据常规温度解调方法计算出温度t1ii。

56、在一较佳实施例中：所述曲线特征参数k包括：曲线下面积、曲线最大幅值、曲线半高全宽。

57、相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

58、本发明提供了提高分布式光纤拉曼温度传感系统空间分辨率的解调方法，多个温区测量法是基于温升曲线采样点间的强度相减方法来实现，而单个温区温度测量法是基于温升曲线采样点间的强度相加方法来实现。此外，单个温区测温法的测温精度受到温区长度的影响。多点温区测量法可以在整条光纤上实现等长度温区的温度测量，因而间接地提高传感单元数量。然而多点温区测量法在传感光纤上是根据采样间距来等长度划分的，这使得后面温区的温度解调精度会受到前面温区温度解调精度的影响。另外，该方法的测量前提是基于固定的温区长度下标定温度-强度曲线，使其无法测量长度小于测准温度所需的最短光纤长度的未知温区的温度变化。

59、当单个温区长度小于测准温度所需的最短光纤长度时，常规分布式光纤拉曼测温系统将测不准长度较小的单个温区温度变化，本发明提供温度解调算法以实现未知长度温变区温度变化的准确测量。然而单点测温法在测量连续多点温区时，温升曲线的强度会受到前后温区温度的影响，使其无法准确测量多点温区温度。综上所述，相对于现有其他方法，本方法的优点为不改变传统分布式拉曼温度传感系统结构，且无需使用特殊光源或增加光纤长度，以及无需增加系统硬件的使用成本和复杂性，就可以在算法上实现dts系统空间分辨率的提高。