专利名称：用于校准纤维光学温度测量系统的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分的用于校准纤维光学(faseroptisch )温度测量系统的装置，以及一种用于校准纤维光学温 度测量系统的方法。
背景技术：
纤维光学温度测量系统(分布式温度感测一DTS)可以使用光导 纤维中的光学效应来进行空间分辨的(ortsaufgeloest)温度测量。例 如，可以利用拉曼散射的效应。在此，电磁辐射的窄带源的辐射(例 如激光器的辐射)在纤维材料中被非弹性地散射。作为激励的具有较托克散射辐射)的强度比与温度相关，并且可被用于确定温度。通过 采用如在EP0692705A1和EP0898151A2中所描述的频率技术(光频 域反射计Optical Frequency-Domain Reflectometry - OFDR )、或 采用脉冲冲支术(光时域反射计Optical Time-Domain Reflectometry -OTDR)，可以空间分辨地沿着纤维确定温度。这种温度测量系统例 如可以用于隧道和通道中的火警监视、用于监视电力电缆和管线、以及用在油气传输中。光导纤维中空间分辨的温度测量的基本问题在于辐射在沿着纤维传输时的衰减。激励辐射沿着纤维衰减。这降低了散射强度，并由 此降低了测量的信噪比，并最终限制这样的温度测量的最大距离或分 辨率。激励辐射的衰减同样对散射光的反斯托克分量和斯托克分量产 生作用，并且因此除了噪声分量之外，激励辐射的衰减对借助已知公 式的温度计算的结果没有任何影响。散射光的反斯托克分量和斯托克分量性能不同。这些分量具有不同的波长，其中纤维材料在这些不同的波长下可能引起不同的衰减。 该衰减差异使得所测得的强度比相对于通过散射位置的局部温度所 确定的比例发生了改变。因此，在温度计算时要考虑衰减差异。在反斯托克波长和斯托克波长时现有纤维的衰减通常并不是足 够准确地已知。纤维具有关于衰减的确定规格，并且还测量各种纤维填料(Fasercharge)的衰减值，但是，这些规格和测量值通常不是针 对在空间分辨的温度测量中所使用的波长而给出的。此外，不是在每 次纤维安装时都准确地知道纤维来自于何种填料(Charge)。此外， 连接位置、插头、应力和纤维的弯曲导致额外的衰减。即使在安装纤 维之后，也可能通过机械的、热的或化学的负荷改变其衰减。最后， 纤维的衰减也还与实际局部温度相关。由于对纤维衰减的多方面影响以及这些影响对正确确定局部温度的重要性，所以沿着用于测量的光纤测量实际衰减尤其是对于特别 准确的温度测量以及对于非常长的纤维中的测量来说是值得期望的。一种用于确定纤维中的衰减的方案是使用商业上的OTDR设 备。该设备发射激光脉冲到纤维中，时间分辨地测量瑞利反向散射， 并根据反向散射曲线确定衰减。但是，该设备只能用于少数的电信标 准波长，并且通常不能用于反斯托克波长和斯托克波长。此外，需要 两个或三个设备来进行温度测量，即为了测量两个波长时的衰减需要 一个或两个OTDR设备以及DTS设备。此外，OTDR设备的窄带激 光不能代表宽带的拉曼散射光。开头所述类型的装置和方法描述在WO2007/106827中。在该文 献中，为了校准DTS设备，使用第二激光，该第二激光的斯托克波 长与第一激光的反斯托克波长一致。第二激光的斯托克信号被用于校 准在第一激光的反斯托克波长时的衰减。但是，该校准不是独立或明确的，因为所观察到的第 一激光的斯托克强度的衰减是激光强度在去 程上的衰减和斯托克强度在返程上的衰减之和。此外，该结构需要使 用费事的第二激光，并且在第一激光的斯托克波长时没有进行校准。6发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种开头所述类型的更为有效 的装置。此外还要提供一种开头所述类型的方法。在装置方面，这是通过具有权利要求1特征部分特征的开头所述类型的装置解决的，在方法方面，这是通过具有权利要求13的特征 部分特征的开头所述类型的方法解决的。从属权利要求涉及本发明的 优选实施方式。根据权利要求l，光源是宽带光源。这种光源例如可以是超发光 二极管(SLED)。这种二极管与半导体激光器的结构类似，但是没 有谐振器。其中可以在光纤中设置可耦合的SLED，该SLED具有在 100nm范围中的带宽以及几mW的功率。由此，与纤维光学温度测 量相关的整个波长范围都可以被覆盖，而且功率完全足以借助于瑞利 散射测量纤维衰减。在此有利的可以是，除了光源和输入耦合装置和/或输出耦合装 置，可以使用与在温度测量中相同的测量结构。此外，与激光源的光 谱相比，宽带光源的光谱明显更相似于拉曼散射。其优点是，温度测 量系统的特性、如滤波通带曲线、检测器和放大器的非线性、时间响 应曲线以及背景信号和干扰信号以类似的方式作用于校准测量和温 度测量。这样的特性因此可以通过该校准同时得到补偿。如果为校准 和温度测量采用同一测量系统，则该补偿甚至可以一起釆集各设备的 各自特性。用于校准的装置既可以作为独立的设备实现，也可以被集成到温 度测量系统中。为了集成，优选可以使用用于交替地无损地输入耦合 (Einkopphmg )测量激光器和光源的几何耦合装置，或者还有(纤 维光学)开关。如果纤维衰减例如由于油输送中诸如H2S这样的化学 影响而相对迅速地改变，则需要被集成到温度测量系统中的校准。作 为独立设备的装置实施方式在以下情况下是有意义，即只期望衰减随 时间发生很小的变化，以及为了将实际测量设备的成本保持得很低。尤其有利的是，SLED辐射源用于校准OFDR-DTS。 SLED可以按照与对于用于温度测量的半导体激光器所采用的类似的方式调 制，并在通常很小的峰值功率的情况下具有实际上无限的寿命。当然，这种光源还可以与OTDR - CTS结合使用。但是，在峰值功率高的情 况下，期望与在采用脉冲激光器的情况下类似的磨损现象。宽带光源的简单的输入耦合以及从纤维反向散射的辐射到检测 器的输出耦合(Auskopplung)可以通过宽带分束器进行。但是，在 此通常既在输入耦合时又在输出耦合时分别损失一半的辐射功率。这 对校准来说可能是可接受的，但是无论如何，同一分束器也被用于输 入耦合测量激光器是有缺陷的。作为分束器的替代，优选可以-至少在具有多模传感器纤维 (Sensorfaser )的测量系统的情况下-使用几何耦合。其中产生具 有很小损耗的有效输入耦合和输出耦合。根据权利要求13的方法具有以下方法步骤-产生宽带光，-将光输入耦合到温度测量系统的光导纤维中，-将光的在光导纤维中被反向散射的部分从光导纤维输出耦合，-分析光的被反向散射的部分，-基于该分析校准温度测量系统。在此可以使用根据本发明的装置来执行该方法。
本发明的其它特征和优点借助下面参照附图对优选实施例的描述而变得明显。其中图1示出在通过测量激光激励之后超发光二极管的发射光谱与光导纤维的拉曼光镨的比较(任意(willkuerlich )单位的强度对任意单位的波长)；图2示出根据本发明的装置的第一实施方式的示意图；图3示出根据本发明装置的第二实施方式的细节的示意图；图4示出根据本发明的装置的第三实施方式的细节的示意图。8具体实施方式
从图1可以看到在通过测量激光激励之后光导纤维的拉曼光镨。在此，用l表示瑞利散射光，其波长等于测量激光的波长。用2表示 斯托克散射辐射，用3表示反斯托克散射辐射。测量激光的典型波长 是980nm，其中斯托克-拉曼带于是可以延伸直到大约1020nm的波 长，反斯托克-拉曼带可以延伸直到940nm的波长。测量激光的另一 典型波长是1064nm,其中斯托克-拉曼带于是可以延伸直到大约 1110nm的波长，反斯托克-拉曼带可以延伸直到1020nm的波长。 测量激光的再一典型波长是1550nm，其中斯托克-拉曼带于是可以 延伸直到大约1650nm的波长，反斯托克-拉曼带可以延伸直到 1460nm的波长。此外，在图1中示出典型的超发光二极管的发射光谱4。可以明 显看出，该发射光镨4既具有在斯托克散射辐射2的区域内的部分， 也具有在反斯托克散射辐射3的区域内的部分。在此，超发光二极管 的光的带宽大于斯托克散射辐射2和/或反斯托克散射辐射3的带宽。 尤其地，超发光二极管的发射光谱4既具有比斯托克散射辐射2的最 长波部分波长更长的部分，也具有比反斯托克散射辐射3的最短波部 分波长更短的部分。由此，发射光镨4很好地覆盖了斯托克散射辐射 2以及反斯托克散射辐射3的语范围，并且相似于拉曼光镨。这尤其 适用于能够通过下面还要详细描述的在同样还要描述的检测器之前 的带通滤波器的谱范围。根据本发明的装置的图2中所描绘的实施方式包括被实施为超 发光二极管的宽带光源5，该光源可以由未示出的控制装置控制。光 源5的光6通过输入耦合装置被输入耦合到温度测量系统的用于温度 测量的光导纤维9中，其中该输入耦合装置包括宽带的分束器7和透 镜8。除了光导纤维9之外，温度测量系统还具有测量激光器10，该 测量激光器的光11可以同样通过分束器7和透镜8而被输入耦合到光导纤维9中。此外，温度测量系统还包括示意性示出的分析装置12。 在根据图2的实施例中，分析装置12包括用于激光波长和拉曼散射 辐射的谱分离器(Spektralteiler) 12a、用于斯托克散射辐射以及反 斯托克散射辐射的谱分离器12b、以及用于斯托克散射辐射以及反斯 托克散射辐射的两个滤波器12c、 12d和两个检测器12e、 12f。此外， 示意性示出的分析装置12另外还应当包括测量放大器以及分析单元。 此外，还可以设置用于瑞利波长的检测器。透镜8和分束器7还用作输出耦合装置，并且可以将光源5所产 生的光6的在光导纤维9中被反向散射的部分13馈送到分析装置12。 分析装置12还可以用于分析被实施为超发光二极管的宽带光源5的 被反向散射的部分13,其中分析装置12尤其可以确定、尤其是空间 分辨地确定特定斯托克波长以及反斯托克波长在光导纤维9中的衰 减。其中，空间分辨地确定特定斯托克波长以及反斯托克波长在光导 纤维9中的衰减可以通过与如在EP0692705A1中所描述的OFDR方 法对应的方法进行。其中，尤其地，被实施为超发光二极管的宽带光 源5的光6可以被频率调制，并在分析装置12中执行傅立叶变换。 基于该分析，可以校准实际的温度测量系统。用附图标记14表示光的不参与校准或温度测量、并因此提高损 耗的部分。图3和图4中所示的实施方式至少部分地避免了这种损耗。作为 分束器7的替代，可以-至少在具有多模传感器纤维的测量系统中-优选采用几何耦合。根据图3和图4的实施方式的区别在于，在根据 图3的实施方式中，被实施为超发光二极管的宽带光源5的光6从左 边被馈送，测量激光器10的光11从下面被馈送；相反，在图4的实 施方式中，光源5的光6以及测量激光器10的光11都从左边被馈送。 在图4中，出于清楚的原因没有显示在下面所描述的几何耦合中设置 的部分的右边和下面(为此还参见图3)。在根据图4的实施方式中，测量激光器10的光11以及被实施为超发光二极管的宽带光源5的光6首先分别被输入耦合到单模纤维 15、 16中。单模纤维15、 16具有典型的直径为4到10pm的纤维芯。 单模纤维15、 16的纤维芯的端部以适当方式通过透镜17a、 17b、 18 被成像到特定的、倾斜设置的、例如由被涂覆后的玻璃制成的反射镜 19的背面上。反射镜19具有至少一个开口 20或至少一个透光区域， 其中光源5的光6以及测量激光器10的光11可以穿过该区域。温度测量系统的用于温度测量的光导纤维9被实施为典型芯直 径为50pm或62.5^n的多模纤维(参见图3)。光导纤维9的芯的端 部通过透镜21被成像到反射镜19的正面上，使得两次成像的数值孔 径大致相等。于是，用于温度测量的光导纤维9的图像明显大于单模 纤维15、 16的图像。因此，通过反射镜19，光的从光导纤维9出射 的部分13的大部分可以被反射，并经由另一透镜22被输入耦合到另 一光导纤维23中。该另一光导纤维23同样可以被实施为典型芯直径 为50nm或62.5|am的多模纤维，并且将反向散射的部分13馈送到分 析装置12。代替输入耦合到另一光导纤维23，还可以将光的在反射 镜19处被反射的部分13直接馈送到分析装置12。由于反射镜19在单模纤维15、 16的图像的区域内具有至少一个 开口 20或对于其辐射是透光的，而其佘反射镜19反射斯托克信号和 反斯托克信号的测量波长，因此实现了有效的输入耦合和输出耦合。在此同样还可以的是，单模纤维15的图像的区域对于测量激光 器10的光11反射斯托克信号和反斯托克信号的测量波长。在根据图3的实施方式中，仅设置单模纤维15，其中只有被实 施为超发光二极管的宽带光源5的光6才通过该单模纤维15被馈送。 相反，测量激光器10的光11从下面通过光导纤维23或直接被馈送 到反射镜19上。因此，在光导纤维23的背离反射镜19的一侧上设 置分束器装置，其中该分束器装置使得可以一方面输入耦合测量激光 器10的光11，另一方面输出耦合待分析的部分13。
权利要求
1.一种用于校准纤维光学温度测量系统的装置，包括光源(5)，输入耦合装置，所述输入耦合装置可以将由所述光源(5)所产生的光(6)输入耦合到所述温度测量系统的光导纤维(9)中以用于校准，输出耦合装置，所述输出耦合装置可以将由所述光源(5)所产生的光(6)的在所述光导纤维(9)中被反向散射的部分从所述光导纤维(9)输出耦合，分析装置(12)，所述分析装置可以基于所述光源(5)的光(6)的被反向散射的部分(13)进行对所述温度测量系统的校准，其特征在于，所述光源(5)是宽带光源(5)。
2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，由所述光源(5) 所产生的光(6)的带宽大于10nm，尤其大于30nm,优选大于50nm， 例如大于IOO腿。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光源(5) 是超发光二极管。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所 述装置可以被用于校准这样一种温度测量系统，即该温度测量系统利 用测量激光器(10)的被输入耦合到所述光导纤维(9)中的光(11) 的斯托克散射辐射(2)的强度与反斯托克散射辐射(3)的强度之比 来进行温度测量。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，由所述光源(5) 所产生的光(6)至少具有在所述测量激光器(10)的被输入耦合到所述光导纤维(9)中的光(11)的斯托克散射辐射(2)和/或反斯托 克散射辐射(3)的镨范围中的部分。
6. 根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，由所述光源 所产生的光的带宽至少为所述测量激光器(10)的被输入耦合到所迷 光导纤维(9)中的光(11)的斯托克散射辐射(2)和/或反斯托克散 射辐射(3)的带宽的一半。
7. 根据权利要求4至6中任一项所述的装置，其特征在于，由 所述光源所产生的光的带宽至少等于、尤其是大于所述测量激光器(10)的被输入耦合到所述光导纤维(9)中的光(11)的斯托克散 射辐射(2)和/或反斯托克散射辐射(3)的带宽。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，输 入耦合装置和/或输出耦合装置被实施为几何耦合装置，并且尤其包括 反射镜(19)，其中所述反射镜具有开口 (20)或对于所述光源(5) 的光(6)至少部分透光的区域。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，输 入耦合装置和/或输出耦合装置包括分束器(7)。
10. 根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，输 入耦合装置和/或输出耦合装置包括光学开关，尤其是纤维开关。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于， 所述装置被集成到所述温度测量系统中，其中尤其地，所述分析装置(12)是所述温度测量系统的分析装置。
12. 根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被实施为与所述温度测量系统分离的设备。
13. —种用于校准纤维光学温度测量系统的方法，其特征在于具 有以下方法步骤-产生宽带光(6)，-将所述光(6)输入耦合到所述温度测量系统的光导纤维(9)中，-将所述光(6 )的在所述光导纤维(9 )中被反向散射的部分(13 ) 从所述光导纤维(9)输出耦合，-分析所述光(6)的被反向散射的部分(13)， -基于所述分析校准所述温度测量系统。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，为了执行所述 方法，使用根据权利要求1至12中任一项所述的装置。
全文摘要
一种用于校准纤维光学温度测量系统的装置，包括宽带光源(5)、输入耦合装置、输出耦合装置以及分析装置(12)，输入耦合装置可以将光源(5)所产生的光(6)输入耦合到温度测量系统的光导纤维(9)中以用于校准，输出耦合装置可以将光源(5)所产生的光(6)在光导纤维(9)中被反向散射的部分从光导纤维(9)输出耦合，分析装置可以基于光源(5)的光(6)的被反向散射的部分(13)进行对温度测量系统的校准。
文档编号G01K15/00GK101556193SQ200910133040
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月2日 优先权日2008年4月7日
发明者J·屈布勒, M·弗罗梅, W·希尔 申请人:Lios技术有限公司