一种基于分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法与流程

本发明涉及分布式光纤拉曼测温系统中的温度解调方法，具体是一种基于分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法。

背景技术：

分布式光纤拉曼测温系统是利用光纤中的自发拉曼散射效应，结合光时域反射技术(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)实现的可用于分布式、连续式、实时测量空间温度场分布的一种新型传感系统。与传统的电子温度传感器相比，分布式光纤拉曼测温系统具有抗电磁干扰、耐高压、精度高、结构简单等优点，所以被广泛应用于电力电缆温度监测、结构健康监测、大坝泄漏监测等领域。

在分布式光纤拉曼测温系统中，目前常用的温度解调方法是利用Stokes光作为参考通道，利用anti-Stokes光作为信号通道，然后利用这两种光的波长比值来解调温度信息。然而实践表明，现有温度解调方法由于自身原理所限，存在如下问题：其一，由于Stokes光和anti-Stokes光的波长不同，其在光纤中的传播速度存在差异，因此同一位置散射回来的Stokes光和anti-Stokes光到达数据采集卡的时间不同，导致数据采集卡在同一时间采集到的Stokes光和anti-Stokes光并不是来自同一位置，由此导致信号错位，从而导致系统的测温精度低。其二，在现有温度解调方法中，为了消除光纤损耗来解调出温度信息，必须在测温前将整条待测光纤置于恒温下进行定标处理(倘若更换待测光纤、调整激光器功率或更换任意系统器件，则必须重新进行定标处理)，由此导致操作繁琐，从而导致系统的测温效率低。基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，以解决现有分布式光纤拉曼测温系统中的温度解调方法导致系统的测温精度低和测温效率低的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有分布式光纤拉曼测温系统中的温度解调方法导致系统的测温精度低和测温效率低的问题，提供了一种基于分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：搭建分布式光纤拉曼测温系统；

所述分布式光纤拉曼测温系统包括拉曼测温仪、第一高精度恒温槽、第二高精度恒温槽、待测光纤、第一温度传感器、第二温度传感器；

所述拉曼测温仪包括脉冲激光器、WDM、第一APD、第二APD、第一LNA、第二LNA、数据采集卡、计算机；其中，脉冲激光器的输出端与WDM的输入端连接；WDM的两个输出端分别与第一APD的输入端和第二APD的输入端连接；第一APD的输出端与第一LNA的输入端连接；第二APD的输出端与第二LNA的输入端连接；第一LNA的输出端和第二LNA的输出端均与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接；计算机与脉冲激光器双向连接；

待测光纤的前端与WDM的公共端连接；待测光纤的中间部分分别绕制有第一参考光纤环和第二参考光纤环；第一参考光纤环放置于第一高精度恒温槽中；第二参考光纤环放置于第二高精度恒温槽中；第一温度传感器安装于第一高精度恒温槽上；第二温度传感器安装于第二高精度恒温槽上；第一温度传感器和第二温度传感器均与计算机双向连接；

步骤二：将第一高精度恒温槽的温度值设置为T₁，将第二高精度恒温槽的温度值设置为T₂；然后，启动拉曼测温仪，脉冲激光器发出的激光脉冲经WDM入射到待测光纤；激光脉冲在待测光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤的各个位置均产生背向传输的Stokes光和anti-Stokes光；

Stokes光依次经WDM、第一APD、第一LNA入射到数据采集卡，数据采集卡对Stokes光进行模数转换，由此得到Stokes光的光强曲线，该光强曲线中包含一个因菲涅尔反射导致的尖峰；

anti-Stokes光依次经WDM、第二APD、第二LNA入射到数据采集卡，数据采集卡对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到anti-Stokes光的光强曲线，该光强曲线中同样包含一个因菲涅尔反射导致的尖峰；

步骤三：根据Stokes光的光强曲线中的尖峰位置和anti-Stokes光的光强曲线中的尖峰位置，对Stokes光进行插值处理，由此使得待测光纤的同一位置产生的Stokes光和anti-Stokes光到达数据采集卡的时间相同；

步骤四：根据第一参考光纤环的位置和第二参考光纤环的位置，对Stokes光和anti-Stokes光进行损耗补偿；

步骤五：根据损耗补偿后的Stokes光和anti-Stokes光，对待测光纤进行温度解调。

与现有分布式光纤拉曼测温系统中的温度解调方法相比，本发明所述的一种基于分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法具有如下优点：其一，本发明通过对Stokes光进行插值处理，使得同一位置散射回来的Stokes光和anti-Stokes光到达数据采集卡的时间相同，由此有效避免了信号错位，从而有效提高了系统的测温精度。其二，本发明通过对Stokes光和anti-Stokes光进行损耗补偿，使得在测温前无需将待测光纤进行定标处理，由此有效简化了操作，从而有效提高了系统的测温效率。

本发明有效解决了现有分布式光纤拉曼测温系统中的温度解调方法导致系统的测温精度低和测温效率低的问题，适用于分布式光纤拉曼测温系统。

附图说明

图1是本发明中分布式光纤拉曼测温系统的结构示意图。

图2是插值处理前Stokes光和anti-Stokes光的测量位置示意图。

图3是插值处理前Stokes光和anti-Stokes光的光强曲线示意图。

图4是插值处理后Stokes光和anti-Stokes光的测量位置示意图。

图5是插值处理后Stokes光和anti-Stokes光的光强曲线示意图。

图6是损耗补偿前Stokes光和anti-Stokes光的光强曲线示意图。

图7是损耗补偿后Stokes光和anti-Stokes光的光强曲线示意图。

图1中：1-脉冲激光器，2-WDM(波分复用器)，3-第一APD(第一雪崩光电二极管)，4-第二APD(第二雪崩光电二极管)，5-第一LNA(第一低噪放大器)，6-第二LNA(第二低噪放大器)，7-数据采集卡，8-计算机，9-第一高精度恒温槽，10-第二高精度恒温槽，11-待测光纤，12-第一温度传感器，13-第二温度传感器，虚线框部分表示拉曼测温仪。

图2中：a表示拉曼测温仪，虚线框部分表示待测光纤。

图4中：a表示拉曼测温仪，虚线框部分表示待测光纤。

具体实施方式

一种基于分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：搭建分布式光纤拉曼测温系统；

所述分布式光纤拉曼测温系统包括拉曼测温仪、第一高精度恒温槽9、第二高精度恒温槽10、待测光纤11、第一温度传感器12、第二温度传感器13；

所述拉曼测温仪包括脉冲激光器1、WDM2、第一APD3、第二APD4、第一LNA5、第二LNA6、数据采集卡7、计算机8；其中，脉冲激光器1的输出端与WDM2的输入端连接；WDM2的两个输出端分别与第一APD3的输入端和第二APD4的输入端连接；第一APD3的输出端与第一LNA5的输入端连接；第二APD4的输出端与第二LNA6的输入端连接；第一LNA5的输出端和第二LNA6的输出端均与数据采集卡7的输入端连接；数据采集卡7的输出端与计算机8的输入端连接；计算机8与脉冲激光器1双向连接；

待测光纤11的前端与WDM2的公共端连接；待测光纤11的中间部分分别绕制有第一参考光纤环和第二参考光纤环；第一参考光纤环放置于第一高精度恒温槽9中；第二参考光纤环放置于第二高精度恒温槽10中；第一温度传感器12安装于第一高精度恒温槽9上；第二温度传感器13安装于第二高精度恒温槽10上；第一温度传感器12和第二温度传感器13均与计算机8双向连接；

步骤二：将第一高精度恒温槽9的温度值设置为T₁，将第二高精度恒温槽10的温度值设置为T₂；然后，启动拉曼测温仪，脉冲激光器1发出的激光脉冲经WDM2入射到待测光纤11；激光脉冲在待测光纤11中传播时发生自发拉曼散射，由此使得待测光纤11的各个位置均产生背向传输的Stokes光和anti-Stokes光；

Stokes光依次经WDM2、第一APD3、第一LNA5入射到数据采集卡7，数据采集卡7对Stokes光进行模数转换，由此得到Stokes光的光强曲线，该光强曲线中包含一个因菲涅尔反射导致的尖峰；

anti-Stokes光依次经WDM2、第二APD4、第二LNA6入射到数据采集卡7，数据采集卡7对anti-Stokes光进行模数转换，由此得到anti-Stokes光的光强曲线，该光强曲线中同样包含一个因菲涅尔反射导致的尖峰；

步骤三：根据Stokes光的光强曲线中的尖峰位置和anti-Stokes光的光强曲线中的尖峰位置，对Stokes光进行插值处理，由此使得待测光纤11的同一位置产生的Stokes光和anti-Stokes光到达数据采集卡7的时间相同；

步骤四：根据第一参考光纤环的位置和第二参考光纤环的位置，对Stokes光和anti-Stokes光进行损耗补偿；

步骤五：根据损耗补偿后的Stokes光和anti-Stokes光，对待测光纤11进行温度解调。

所述步骤三中，插值处理的具体步骤如下：

设Stokes光的光强曲线中的尖峰位置为L_1max，设anti-Stokes光的光强曲线中的尖峰位置为L_2max，则其差值L_c＝|L_1max-L_2max|；然后，对差值L_c采用就最近整数取整处理，并令其中，φ_s(L)表示待测光纤11的某一位置产生的Stokes光的光强值；L表示该位置与待测光纤11的前端之间的距离。

所述步骤四中，损耗补偿的具体步骤如下：

设第一参考光纤环的位置与待测光纤11的前端之间的距离为L₁，设第二参考光纤环的位置与待测光纤11的前端之间的距离为L₂；

根据Stokes光的光强曲线，确定第一参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值为φ_s1，确定第二参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值为φ_s2；

计算待测光纤11对Stokes光的损耗系数α_o+α_s；具体计算公式如下：

公式(1)中：α_o表示激光脉冲在待测光纤11中单位长度下的损耗系数；α_s表示Stokes光在待测光纤11中单位长度下的损耗系数；h表示普朗克常数；Δv表示光纤的拉曼频移量；K表示玻尔兹曼常数；

根据anti-Stokes光的光强曲线，确定第一参考光纤环的位置产生的anti-Stokes光的光强值为φ_a1，确定第二参考光纤环的位置产生的anti-Stokes光的光强值为φ_a2；

计算待测光纤11对anti-Stokes光的损耗系数α_o+α_a；具体计算公式如下：

公式(2)中：α_o表示激光脉冲在待测光纤11中单位长度下的损耗系数；α_a表示anti-Stokes光在待测光纤11中单位长度下的损耗系数；h表示普朗克常数；Δv表示光纤的拉曼频移量；K表示玻尔兹曼常数。

所述步骤五中，具体温度解调公式如下：

公式(3)中：T表示待测光纤11的某一位置的温度值；φ_s表示该位置产生的Stokes光的光强值；φ_a表示该位置产生的anti-Stokes光的光强值；L表示该位置与待测光纤11的前端之间的距离；φ_s1表示第一参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值；φ_a1表示第一参考光纤环的位置产生的anti-Stokes光的光强值；φ_s2表示第二参考光纤环的位置产生的Stokes光的光强值；φ_a2表示第二参考光纤环的位置产生的anti-Stokes光的光强值；L₁表示第一参考光纤环的位置与待测光纤11的前端之间的距离；L₂表示第二参考光纤环的位置与待测光纤11的前端之间的距离；h表示普朗克常数；Δv表示光纤的拉曼频移量；K表示玻尔兹曼常数。

具体实施时，所述脉冲激光器的波长为1550.1nm、脉宽为10ns、重复频率为8KHz。所述WDM的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm。所述第一APD的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm。所述第二APD的带宽为80MHz、光谱响应范围为900～1700nm。所述第一LNA的带宽为100MHz。所述第二LNA的带宽为100MHz。所述数据采集卡的通道数为4、采样率为100M/s、带宽为100MHz。所述待测光纤为普通多模光纤。