分布式光纤测温方法和系统与流程

本申请涉及光纤传感
技术领域：
，具体涉及一种分布式光纤测温方法和系统。
背景技术：
目前，三维立体仓储是物流运输及仓储的一大趋势。针对立体仓库的温度测量方案，主要有基于传感器网络的点式温度传感系统，基于火焰识别的视频检测方案，以及基于光纤测温的分布式温度监测方案。近年来，基于拉曼散射的分布式光纤测温(distributedtemperaturesensing，dts)系统被深入研究和发展。由于具有抗电磁干扰、测量距离长的特性，分布式光纤测温在众多工业领域被广泛应用，例如火灾预警、电线安全监测以及输油管路的泄露检测。然而，dts系统的测量结果会受到光纤插入损耗、光纤传输损耗(也称为光纤衰减)及apd(avalanchephotodiode，雪崩光电二极管)暗电流噪声的影响。相关技术中，解调方案侧重于降低暗电流噪声及光纤衰减的影响，因此需要测量apd电路的暗电流噪声并将其去除，还需要求解斯托克斯光、反斯托克斯光的衰减系数来消除光纤衰减的影响。相关技术中，认为apd电路组装完成后暗电流噪声趋于稳定，人为给出一个定值作为暗电流噪声值；然而，apd电路工作时的温度、偏置电压都会影响到输出结果，所以暗电流噪声在不同测量周期内呈现出波动，将暗电流噪声当做定值会造成测量结果的波动较大、误差也较大。此外，由于布线方案和光纤老化等因素，衰减系数可能在不同时刻呈现不同结果；因而求解衰减系数的过程比较繁琐，使解调方案变得复杂，且计算量较大。技术实现要素：为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种分布式光纤测温方法和系统。根据本申请实施例的第一方面，提供一种分布式光纤测温方法，包括：采用两个测温通道，分别从传感光纤的两端交替向所述传感光纤中注入信号光；一个所述测温通道在所述传感光纤的一端采集从该端注入的信号光的后向散射光，另一个所述测温通道在所述传感光纤的另一端进行同样的操作；对采集到的后向散射光进行处理，得到温度解调公式，从而能够求解所述传感光纤上各点的温度值。进一步地，该方法还包括：在所述传感光纤上选取一部分作为测温光纤段；在所述传感光纤上不属于测温光纤段的部分选取至少一个参考光纤段，并将所述参考光纤段置于恒温环境下。进一步地，所述对采集到的后向散射光进行处理，包括：根据后向散射光的信号值变化，分离出属于所述测温光纤段的散射光数据；根据分离后的结果，将所述测温光纤段上的同一点在两个所述测温通道上的测温结果进行位置匹配。进一步地，所述对采集到的后向散射光进行处理，还包括：进行位置匹配后，采集所述参考光纤段的散射光数据；根据测量结果解出所述温度解调公式中的待定参数，并将待定参数代入所述温度解调公式中。进一步地，所述温度解调公式为：其中：即为待定参数，t(l)为与待测点位置有关的温度函数，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，δv为传感光纤的拉曼频移量。进一步地，所述分离出属于所述测温光纤段的散射光数据，包括：考察信号值i随着距离值l增大而变化的对应关系；选取信号值i与距离值l之间具有平稳的线性关系的数据，即为属于所述测温光纤段的散射光数据；其中，i为采集到的后向散射光的信号值，l为发生该后向散射的点与信号采集点之间的距离值。进一步地，两个所述测温通道采用一个波分复用器实现，所述传感光纤的两端连接到同一个波分复用器上。根据本申请实施例的第二方面，提供一种分布式光纤测温系统，包括脉冲光源、数据采集卡和计算机；还包括两个测温通道、传感光纤、两个apd电路和两个信号放大器；所述脉冲光源向两个所述测温通道提供信号光；所述传感光纤的两端分别与两个所述测温通道连接，两个所述测温通道分别从所述传感光纤的两端交替向所述传感光纤中注入信号光；两个所述测温通道分别从所述传感光纤的两端采集散射光信号，并各自依次通过一个所述apd电路和一个所述信号放大器将信号传输至所述数据采集卡；所述数据采集卡与所述计算机连接，计算机对数据进行计算并将结果显示；所述传感光纤包括测温光纤段和至少一个参考光纤段；所述参考光纤段设置在恒温环境下。进一步地，两个所述测温通道采用一个波分复用器实现；所述传感光纤包括两个参考光纤段；两个所述参考光纤段分别设置在两个温度不同的恒温水浴箱中。进一步地，该系统还包括同步控制器，所述脉冲光源、所述同步控制器和所述数据采集卡依次电连接。本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本申请的方法采用两个测温通道进行测量，免去了求解两光路温度衰减系数的流程，从而降低了温度解调公式的复杂度且还能够减小测量误差。此外，本方法所对应的测量系统对内部的硬件改动较少。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。图1是根据一示例性实施例示出的一种分布式光纤测温方法的流程图。图2是一固定波长光信号在光纤中所产生的散射光谱图。图3是一个实施例中所采集的后向散射光的原始数据曲线图。图4是同一光纤在不同测量时间测量所得到的斯托克斯光及反斯托克斯光光路的暗电流噪声值曲线图。图5是同一光纤在室温下不同时间测量所得到的斯托克斯光及反斯托克斯光的原始数据曲线图。图6是两个测温通道从光纤的两端所注入的脉冲光在同一点引发的后向拉曼散射示意图。图7是根据一示例性实施例示出的一种分布式光纤测温系统的框图。图8是一个实施例中所采集的后向散射光的原始数据曲线图。图9是图8中的原始数据经解调方案处理后的数据曲线图。图10(a)是两种不同测温方法在40℃环境下求解的温度曲线对比图。图10(b)是两种不同测温方法在50℃环境下求解的温度曲线对比图。图10(c)是两种不同测温方法在60℃环境下求解的温度曲线对比图。图10(d)是两种不同测温方法在70℃环境下求解的温度曲线对比图。具体实施方式这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。根据本申请实施例的第一方面，提供一种分布式光纤测温方法，该方法应用于dts系统中。图1是根据一示例性实施例示出的一种分布式光纤测温方法的流程图，包括以下步骤：步骤1：采用两个测温通道，分别从传感光纤的两端交替向所述传感光纤中注入信号光；步骤2：一个所述测温通道在所述传感光纤的一端采集从该端注入的信号光的后向散射光，另一个所述测温通道在所述传感光纤的另一端进行同样的操作；步骤3：对采集到的后向散射光进行处理，得到温度解调公式，从而能够求解所述传感光纤上各点的温度值。在一些实施例中，该方法还包括：步骤301：在所述传感光纤上选取一部分作为测温光纤段；步骤302：在所述传感光纤上不属于测温光纤段的部分选取至少一个参考光纤段，并将所述参考光纤段置于恒温环境下。在一些实施例中，所述对采集到的后向散射光进行处理，包括：步骤303：根据后向散射光的信号值变化，分离出属于所述测温光纤段的散射光数据；步骤304：根据分离后的结果，将所述测温光纤段上的同一点在两个所述测温通道上的测温结果进行位置匹配。在一些实施例中，所述对采集到的后向散射光进行处理，还包括：步骤305：进行位置匹配后，采集所述参考光纤段的散射光数据；步骤306：根据测量结果解出所述温度解调公式中的待定参数，并将待定参数代入所述温度解调公式中。为了更加清楚地阐述本申请的方案，结合分布式光纤测温的原理以及现有技术的解调方案进行拓展说明。当一个固定频率的光注入光纤中之后，光子与光纤内产生碰撞及能量转移，产生低于入射光波长的反斯托克斯光及高于原入射光波长的斯托克斯光。图2展示的是一固定波长的光信号所产生的散射光谱。与其他非弹性散射相比，拉曼散射所产生的散射光频移较大，因而更为便于分离；此外，拉曼散射光中含有与温度相关的信息，因此可通过分离产生的拉曼散射光结合温度解调公式来求出在发生散射处的温度情况。现有技术中，基于拉曼散射的分布式测温系统采用的是基于斯托克斯光及反斯托克斯光光路的解调方案。在该方案中，系统采集所得的斯托克斯及反斯托克斯光信号值满足如下公式：其中，ias(l,t)与is(l,t)分别是测量所得的反斯托克斯光及斯托克斯光信号值，该测量值与测量点的距离l，以及测量点的温度t有关。p0代表入射光的光功率。αp(l),αas(l),αs(l)分别表示入射光、反斯托克斯光、斯托克斯光的光衰减系数。nas和ns分别是反斯托克斯光光路及斯托克斯光光路上的apd电路在无输入情况下的输出值(即暗电流噪声)。γas及γs分别是反斯托克斯光及斯托克斯光的散射系数。现有技术中，求解光纤上各点温度值的公式为：现有技术是借助公式(3)和(4)来测量温度。为了提高精度，这些方法需要测量系统中apd输出的暗电流噪声或者光纤的衰减系数。然而，无论测量暗电流噪声还是测量衰减系数，都存在难以克服的缺陷。如图3所示，在距离为0～300m的区间内，呈现出传感光纤经光纤跳线插入测温设备时产生的光纤插入损耗；随后的500～1600m区间内，斯托克斯光及反斯托克斯光信号强度随着距离的提升而逐渐衰减。测温光纤总体长度约1700m，超过测量距离的输出信号值是apd电路在无光输入情况下的输出值。由于原始测量结果中包含有两光路上apd电路在无输入情况下的输出值，因此将apd电路在无输入情况下输出的信号值看作暗电流噪声，这一噪声在进行温度解调时需要进行去除。如图4所示，展示了不同测量时间所得到的斯托克斯光及反斯托克斯光光路的暗电流噪声值。可见，暗电流噪声在不同测量周期内呈现出波动，因此将nas和ns视为定值会对测量结果产生影响。如图5所示，展示了同一光纤在室温下不同时间测量所得原始数据。对图中的数据进行拟合所得斯托克斯光的衰减系数αs(l)拟合结果分别为-4.869e-5以及-4.94e-5；而反斯托克斯光的衰减系数αas(l)拟合结果为-5.568e-5以及-5.616e-5。可见，同一光纤在布线后不同时间测量的散射光衰减系数存在波动，这一波动会导致系统在对远端进行温度测量时产生误差。为了克服上述现有技术方案的缺陷，本申请提供一种分布式光纤测温方法，使用两个测温通道来完成温度测量任务。在一个测量周期中，两测温通道交替向光纤中注入脉冲光，根据两频道采集到的原始数据进行温度解调。这样能够免去求解两光路温度衰减系数的流程，从而降低温度解调公式的复杂度，并且还能够减小测量误差。本申请的方法还对暗电流噪声做动态处理；具体做法是取多次测量结果的平均值作为nas(或ns)，这样能够尽量减少测量结果的波动。如图6所示，(a)、(b)分别表示两个测温通道从光纤的两端所注入的脉冲光在同一点引发的后向拉曼散射。以散射光中的反斯托克斯光为例：公式(5)和(6)中的积分环节代表入射光(p1、p2)和后向散射光(i1、i2)的总光能量衰减，即：入射光从注入点到达散射点l处的光能量衰减，再加上由l处反向传播的散射光在传播过程中的光能量衰减。两个公式中与l有关的积分部分可以通过如下公式变为整条光纤的光纤衰减常数：经公式(7)变换后，仅与待测点的温度值有关，其分子部分为常数。将公式中的分子部分用kas表示，则可被写为：同理，对斯托克斯光而言，可被简化为：将公式(8)与公式(9)相除，可得：因此，在本申请的实施例中，所述温度解调公式为：其中：即为待定参数，t(l)为与待测点位置有关的温度函数，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，δv为传感光纤的拉曼频移量。可以通过设置参考光纤段，并将其置于恒温环境下，根据测量结果求解待定参数。只需一个参考光纤段即可解出待定参数。具体做法是，参考光纤段的距离值l0是已知的；由于参考光纤段处于恒温环境，因此t(l0)也是已知的；根据l0处的测量结果，可以计算出和在l0处的值，代入公式(10)即可得出rs(l0)；再根据rs(l0)和t(l0)由公式(10)即可算出待定参数至此，已求解出完整的温度解调公式。在本申请实施例的整个求解过程中，关键点在于，匹配同一待测温度点在两个测温通道的测量结果中的位置。参见图3，在l为300～500m的区间内，采集的散射光的信号值i出现两次上升沿的跳变；在l为500～1600m的区间内，信号值i缓慢平稳地降低；在l为1600～1700m的区间内，信号值i又出现两次上升沿的跳变。这是由于，光纤在插入设备中后，与设备接口处的光纤端面产生入射光反射，导致测量结果中的斯托克斯光及反斯托克斯光都有所增强，因而数据出现多次上升沿的跳变。而在测温光纤段上，散射光随距离的增大，呈现出线性的衰减。在光纤的另一端，也会出现端面反射的情况。因此，根据光纤近端及远端的这一信号突增现象，可以将光路中的测温光纤部分从系统整体光路中予以分离，从而实现同一测温点在两个不同测温通道的测量结果中的位置匹配。在一些实施例中，所述分离出属于所述测温光纤段的散射光数据，包括：考察信号值i随着距离值l增大而变化的对应关系；选取信号值i与距离值l之间具有平稳的线性关系的数据，即为属于所述测温光纤段的散射光数据。其中，i为采集到的后向散射光的信号值(图3中纵轴)，l为发生该后向散射的点与信号采集点之间的距离值(图3中横轴)。在一些实施例中，两个所述测温通道采用一个波分复用器实现，所述传感光纤的两端连接到同一个波分复用器上。以节省硬件成本，硬件资源的利用效率。根据本申请实施例的第二方面，提供一种分布式光纤测温系统，用以实施上述的温度检测方法。如图7所示，该系统包括脉冲光源、数据采集卡和计算机；还包括两个测温通道、传感光纤、两个apd电路和两个信号放大器。所述脉冲光源向两个所述测温通道提供信号光；所述传感光纤的两端分别与两个所述测温通道连接，两个所述测温通道分别从所述传感光纤的两端交替向所述传感光纤中注入信号光。两个所述测温通道分别从所述传感光纤的两端采集散射光信号，并各自依次通过一个所述apd电路和一个所述信号放大器将信号传输至所述数据采集卡；所述数据采集卡与所述计算机连接，计算机对数据进行计算并将计算结果显示。所述传感光纤包括测温光纤段和至少一个参考光纤段；所述参考光纤段设置在恒温环境下。在一些实施例中，两个所述测温通道采用一个波分复用器实现。在一些实施例中，所述传感光纤包括两个参考光纤段；两个所述参考光纤段分别设置在两个温度不同的恒温水浴箱中。可以分别使用两个参考光纤段求解两次待定参数，互相对照以防止出现计算错误。在一些实施例中，该系统还包括同步控制器，所述脉冲光源、所述同步控制器和所述数据采集卡依次电连接。在一个具体的实施例中，系统中各装置的详细参数见表1。表1系统参数主要设备系统参数激光头中心波长:1550nm，脉冲宽度:10ns波分复用器运行波长:1550,1450,1663nm数据采集卡12bit,105mhz参见图7，高速脉冲光源产生的脉冲光，经波分复用器入射到传感光纤；传感光纤中的后向散射光经波分复用器输出至apd电路，apd电路将光信号转换成电信号输出，经信号放大器放大后送入数据采集卡；数据采集卡对电信号进行处理后输出给计算机，计算机进行运算并将最终结果显示出来。数据采集卡用于进行双通道数据采集及处理，数据采集卡还通过同步控制器控制高速脉冲光源的工作。采用本申请的实施例所提供的温度检测系统进行验证。图8表示的是系统采集得到的初始测量数据，图9表示的是经此解调方案处理后所得的和由图可见，由光纤衰减导致的信号强度下降得到有效抑制。图10(a)、(b)、(c)、(d)展示的是采用本申请的方法及传统算法在测温光纤段分别处于40℃、50℃、60℃、70℃环境下的测量结果。由图像可以看出，本申请的双通道测温方法与传统算法相比，最终结果的曲线更为平滑，尤其是在温度上升区部分与常温区部分的测量温度波动得到了抑制。表2给出了两种不同测量方式的测量结果对比，表中数据是光纤在1800～1812m处的测量结果。表2数据结果对比由表2中的数据可知，本申请的方法及相应系统，能够将测量误差由1℃降低至0.5℃以内。本申请提出了双通道的分布式光纤测温方法和系统，来解决拉曼测温系统中的光纤衰减及apd输出信号的波动问题。经实验验证，同一光纤在布线后不同时间测量时的散射光衰减系数存在波动，本申请的方法将原本温度解调公式中与距离有关的功率衰减积分部分变换为整条光纤的功率衰减部分，降低了温度解调公式的复杂度且免去了求解两光路温度衰减系数的流程。且本方法对系统内部的硬件改动较少，在实际测温时不必先对光纤的衰减系数进行计算。并且与传统方法相比，本方法降低了测量误差。本申请的方案可用于危险化学品仓库的货架温度监测。对于危险化学品仓库而言，货架上各个堆垛位置的温度检测可以通过将光纤缠绕于货架上来实现。可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。当前第1页12