一种分布式OTDR光纤高温测温系统

本发明涉及光纤信号检测，具体涉及一种分布式otdr光纤高温测温系统。

背景技术：

1、改善火电灵活性，提高火电发电效率这是当下能源问题中很重要的一个命题。推进实现火电厂锅炉的燃烧优化的主要方式就是开发和应用先进的检测技术。实现火力发电厂高温管路温度监测，可以有效防止或减少再热器与过热器管外高温腐蚀与积灰。腐蚀会使管路管壁变薄、金属强度降低甚至发生泄露。管外的积灰会增大大烟气流动阻力、传热热阻，进一步增强还受热面金属的受到的腐蚀。已有研究表明，当高温管路主蒸汽温度升至600℃以上时，在此工况下，运行一段时间后，将发生严重的高温腐蚀与积灰。如果可以及时检测是哪处的高温管道温度过高，采取相应的分流等局部降温调控措施，将该处主蒸汽温度降低至540℃以下，可以明显减轻高温腐蚀和积灰。

2、当下常用的高温测温技术主要有以下几种：热电偶法、光学辐射法、光纤光栅测温等技术。热电偶法响应速度快，测量准确度也得到了大量工况验证，但是其最大的问题是单点测量，要获取大量平行高温管道分布式温度场数据时需要大量的测温点，接线会十分复杂，电路难以搭建。光学辐射法具有灵敏度高、测温范围广等优点。在高温管道当中，首先红外难以构建合理的计算模型，计算量大，并且针对大量的管路，光学系统安装复杂，最后火电厂锅炉水汽多，电磁干扰大，这些干扰使得光学辐射法无法获取准确的温度数据。光纤光栅是利用光栅反射光的波长变化和温度之间的对应关系进行温度测量。光纤光栅具有抗电磁干扰能力强、安装灵活等有点，但最大的缺点还是单点测量，并且需要在光纤上刻光栅，工艺复杂，成本高。

3、相比传统的高温测量方法，分布式拉曼光纤测温系统可以通过一根光纤，一套系统，实现多点分布式测温；并且火电厂锅炉内不需要接线供电，抗电磁干扰能力强。对于以火电厂锅炉为典型代表的高温测温场景，设计分布式拉曼光纤测温系统，可以很好的获取温度场数据，成功监测温度，定位异常温度点，进而实施局部控制调节，保障生产安全。但是如何克服现有技术中拉曼光纤测温系统在高温场景下存在的测温噪声大、测温精度差等问题，以及双通道解调方法应用于大范围温度解调时存在的关系呈现非线性、温度解调难等问题，是目前亟待解决的技术难点。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中拉曼光纤测温系统在高温场景下精度差、双通道解调存在非线性等问题，本发明提供了一种分布式otdr光纤高温测温系统。

2、本发明解决上述技术问题提供的技术方案如下：

3、一种分布式otdr光纤高温测温系统，其包括传感光纤、激光脉冲光源、光电探测器、波分复用器、数据采集模块和数据处理模块；

4、所述传感光纤布置于待测温区域；所述激光脉冲光源周期性发出脉宽为纳秒级的脉冲激光，脉冲激光经过所述波分复用器射入所述传感光纤并在传感光纤沿线发生散射；所述波分复用器获取传感光纤中产生的拉曼背向散射光信号，并将其分为斯托克斯光和反斯托克斯光两路光信号，再经过所述光电探测器将两路光信号分别转换成代表反斯托克斯光强和斯托克斯光强的电信号，最终由数据采集模块采集并上传到所述数据处理模块；

5、所述数据处理模块用于根据采集的电信号数据，先对反斯托克斯光强与斯托克斯光强分别通过累加平均的方式进行降噪处理，然后计算降噪后两路光强的第一光强比值，再将所述第一光强比值经过卡尔曼滤波增大信噪比后获得第二光强比值，最后按照双通道解调方法，调用预先拟合得到的分段线性拟合方程，将第二光强比值的对数值输入对应的拟合方程中，计算得到待测温区域的温度场；

6、所述分段线性拟合方程中，0~600℃的高温测温区间被划分为至少三个温度段，每个温度段分别对应于一个以所述第二光强比值的对数值为自变量，以温度场为因变量，利用实测数据拟合得到的线性方程。

7、作为优选，所述分段线性拟合方程中，0~600℃的高温测温区间由两个分界点划分为三个温度段，第一分界点的温度位于195~205℃范围内，第二分界点的温度位于355~365℃范围内。

8、作为优选，所述第一分界点的温度为200℃，第二分界点的温度为360℃。

9、作为优选，所述分段线性拟合方程中，每个方程对应的温度段均需要转换为所述第二光强比值的对数值范围，且该范围需根据该温度段内所述第二光强比值的对数值的实测数据分布进行确定；在计算待测温区域的温度场时，根据当前卡尔曼滤波后的第二光强比值的对数值所处的范围，选择对应的拟合方程用于温度场计算。

10、作为优选，通过累加平均的方式进行降噪处理时，对至少2000个连续采集的反斯托克斯光强信号进行累加平均。

11、作为优选，通过累加平均的方式进行降噪处理时，对至少2000个连续采集的斯托克斯光强信号进行累加平均。

12、作为优选，所述传感光纤采用金属涂覆层光纤。

13、作为优选，所述所述传感光纤采用铜涂覆层光纤。

14、作为优选，所述传感光纤穿过处于有氧环境的所述待测温区域时，需在传感光纤的外部嵌套空心不锈钢管进行防护。

15、作为优选，所述传感光纤有多条，波分复用器通过光开关切换实际射入脉冲激光的传感光纤。

16、作为优选，所述数据处理模块采用具有数据处理功能的上位机，数据采集模块和激光脉冲光源均由下位机进行控制，由下位机将采集的所述电信号发送至上位机进行数据处理，获得所述温度场。

17、本发明与现有技术相比，具有以下优点以及有益效果：

18、1）本发明针对拉曼测温高温环境中噪声大，信噪比差的问题，通过使用累加平均和卡尔曼滤波两种技术改善信噪比，提高了拉曼高温测温精度。

19、2）目前大多数的拉曼光纤测温仍集中于0℃至200℃常温测温，在常温领域大多使用双通道解调的线性解调算法，本发明通过分段线性的方法，利用斯托克斯和反斯托克斯光强比值成功解调0℃至600℃的温度，成功实现拉曼光纤大范围高温测温。

20、3）通过本发明可以成功实现高温管道分布式精准测温，能有效解决原有高温技术大多为单点测温这一问题。在以火电厂锅炉为代表的高温管道监测场景中，引入本发明的分布式otdr光纤高温测温系统具有接线简单、方便实施的优点，通过一根光纤即可实现温度场的监测，且抗电磁干扰能力强。

技术特征：

1.一种分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，包括传感光纤、激光脉冲光源、光电探测器、波分复用器、数据采集模块和数据处理模块；

2.如权利要求1所述的分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，所述分段线性拟合方程中，0~600℃的高温测温区间由两个分界点划分为三个温度段，第一分界点的温度位于195~205℃范围内，第二分界点的温度位于355~365℃范围内。

3.如权利要求2所述的分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，所述第一分界点的温度为200℃，第二分界点的温度为360℃。

4.如权利要求1所述的分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，通过累加平均的方式进行降噪处理时，对至少2000个连续采集的反斯托克斯光强信号进行累加平均。

5.如权利要求1所述的分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，通过累加平均的方式进行降噪处理时，对至少2000个连续采集的斯托克斯光强信号进行累加平均。

6.如权利要求1所述的分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，所述传感光纤采用金属涂覆层光纤。

7.如权利要求6所述的分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，所述所述传感光纤采用铜涂覆层光纤。

8.如权利要求1所述的分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，所述传感光纤穿过处于有氧环境的所述待测温区域时，需在传感光纤的外部嵌套空心不锈钢管进行防护。

9.如权利要求1所述的分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，所述传感光纤有多条，波分复用器通过光开关切换实际射入脉冲激光的传感光纤。

10.如权利要求1所述的分布式otdr光纤高温测温系统，其特征在于，所述数据处理模块采用具有数据处理功能的上位机，数据采集模块和激光脉冲光源均由下位机进行控制，由下位机将采集的所述电信号发送至上位机进行数据处理，获得所述温度场。

技术总结
本发明公开了一种分布式OTDR光纤高温测温系统，属于光纤信号检测技术领域。该系统包括传感光纤、激光脉冲光源、光电探测器、波分复用器、数据采集模块和数据处理模块。系统先采集光纤后向散射中的反斯托克斯和斯托克斯光强的比值，再对采集数据进行累加平均和卡尔曼滤波，降低噪声，增大信噪比；最后按照双通道解调方法，调用预先拟合得到的分段线性拟合方程，将卡尔曼后的滤波光强比值的对数值输入对应的拟合方程中，计算得到待测温区域的温度场。本发明通过累加平均和卡尔曼滤波，采用分段线性解调的方式成功实现了分布式光纤0℃至600℃大范围精准测温，拓宽了拉曼光纤测温适用范围，可应用于多种工业高温环境测温。

技术研发人员：徐正国,陈天豪,叶炜,阙子俊,凌佳木
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8