一种具有多级测量结构的分布式拉曼光纤温度测量系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有多级测量结构的分布式拉曼光纤温度测量系统，该系统包括：脉冲激光器单元，光纤复用器单元，光电探测单元，双路放大器，AD数据采集电路，控制计算单元，传感光纤以及多级光控制器单元。分布式光纤测温系统的多级测量结构是通过多级光控制器单元实现多级测温，控制计算单元与多级光控制器单元之间有通信链路，用于发送控制信息给多级光控制器单元，多级光控制器单元对连接的多根传感光纤进行控制，实现光纤测温链路的切换。本发明方便实现多级分层网络结构的物理线路的温度测量，通过控制计算单元生成多级光控制器的控制策略，构建多级测温通道。
【专利说明】
一种具有多级测量结构的分布式拉曼光纤温度测量系统和方法
技术领域
[0001]本发明涉及光纤传感温度测量领域，更具体地，涉及一种具有多级测量结构的分布式拉曼光纤温度测量系统和方法。
【背景技术】
[0002]目前，随着中国工业化、信息化、现代化进程建设的快速发展，光纤传感技术被大量的应用。光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤技术和光纤通信技术的发展而兴起的一种新型传感技术。它以光波为传感信号，以光纤为传输介质，感知和探测外界信号，在传感方式、传感原理以及信号探测与处理等方面都与传统的电学传感器有很大差异。与传统的电温度传感器相比，光纤温度传感器具有灵敏度高、能够抗电磁干扰、重量轻、寿命长等优点，因此可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐以及大型建筑的温度监控和火灾报警中。
[0003]目前，基于后向拉曼散射原理的分布式光纤温度传感器的应用也日趋成熟，国内外已经有各种类型的全分布式光纤传感器产品，并开始嵌入和装备到电力、港口，石油、石化输运、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝煤矿等各种设施中。但其在测量长度或距离、空间分辨率、测温精度、可靠性、多参量和智能化方面尚不能满足应用的要求。特别是在距离要求较高的长距离油气管线，对分布式光纤测温的传输距离提出了更高的要求。
[0004]分布式光纤测温传感器是基于光纤拉曼散射效应和光时域反射原理的实时、在线、连续测温技术，可连续高密度、大频次采集温度信息并能进行空间定位，描述温度变化方向、速度和受热面积。把分布式拉曼测温技术应用到电力光纤到户领域实现电力光纤的温度在线监测具有重要意义，利用测量的温度信息可以掌握电力光纤运行安全状态，在建立安全预警分析模型的基础上，可以对电力光纤绝缘安全、光纤损伤和光纤附加损耗的风险预测。但是光纤到户网络特点是多级，需要开发适应这种多级网络特点的拉曼测温系统方案，解决多级测温通道构建、测温通道敷设和接续技术等问题。
[0005]现有技术对拉曼测温系统的研究主要是在温度测量距离的提升，并没有对多级测温应用的拉曼测温技术进行研究。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明提供了一种系统，该系统包括:脉冲激光器单元，光纤复用器单元，光电探测单元，双路放大器，AD数据采集电路，控制计算单元，传感光纤以及多级光控制器单元;其中
[0007]控制计算单元，用于控制多级光控制器单元，所述多级光控制器单元包括级联的多个光控制器单元，所述多个光控制器单元中的每个光控制器单元连接多于I根的传感光纤;所述控制计算单元与所述多级光控制器单元通过通信链路建立通信连接;所述控制计算单元能够给所述多级光控制器单元发出测温光纤切换的命令，所述多级光控制器单元对所述传感光纤进行控制，实现光纤测温链路的切换；
[0008]所述控制计算单元控制所述脉冲激光器产生脉冲光，所述脉冲光通过所述光纤复用器单元进入所述多级光控制器单元;根据所述控制计算单元的指令，所述每个光控制器单元控制建立所述传感光纤之间的测温链路以现测温功能，所述脉冲光在所述传感光纤中产生后向散射光；
[0009]光纤复用器单元，对所述后向散射光进行处理以得到带温度的后向拉曼反斯托克斯散射光和带参考信号的后向拉曼斯托克斯散射光，所述后向拉曼反斯托克斯散射光和后向拉曼斯托克斯散射光均进入所述光电探测单元进行光电转换，从而得到双路电信号；
[0010]双路放大器，对所述双路电信号进行放大，所述经过放大后的双路电信号经过所述AD采集电路进行处理，得到数字信号；以及
[0011]所述控制计算单元对所述数字信号进行分析计算，得到多级分层物理网络的温度数据。
[0012]优选地，所述控制计算单元切换与所述多级光控制器单元建立的通信链路，所述通信链路为光纤介质的通信链路。
[0013]优选地，所述脉冲激光器单元为组合脉冲激光器单元，所述组合脉冲激光器单元包括:栗浦激光器和激光功率放大器，所述组合脉冲激光器单元产生的所述脉冲光的输出激光的中心波长为1550nm、光谱宽度为0.lnm，并且所述栗浦激光器脉冲宽度为5ns?I OOns、重复频率为I OOHz?IMHz、峰值功率为IW?10W。
[0014]优选地，所述光纤复用器单元包括:中心波长1450nm的后向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的后向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片以及Ray I e igh散射光滤波片，所述光滤波片隔离度大于60dB。
[0015]优选地，所述光电探测器单元的响应波长为100nm?1700nm、响应度为6A/W?9A/W、以及带宽为10MHz?300MHz。
[0016]优选地，所述AD数据采集单元的采样率为100MSPS?500MSPS、采样精度为8bits?14bits，并且所述AD数据采集单元支持硬件累加功能。
[0017]优选地，其中采用光开关技术来实现所述多级光控制器单元，使得所述多级光控制器单元的插入损耗小于IdB并且时延控制在ms级别。
[0018]优选地，所述控制计算单元和多级光控制器单元采用总线方式建立通信链路，所述通信链路为基于光纤介质的通信链路。
[0019]优选地，所述传感光纤为G651-50/125ym或62.5/125μπι多模传感光纤，或G652-9/125μπι通信用单模传感光纤，或涂有聚酰亚胺、碳涂覆、金属涂覆材料之一的涂覆传感光纤。
[0020]优选地，所述传感光纤包括用于级联所述多级光控制器单元的上联传感光纤和由所述多级光控制器单元进行控制的下联传感光纤。
[0021]优选地，基本本发明的又一实施例，本发明提供一种具有多级测量结构的分布式拉曼光纤温度测量方法，其中所述多级测量结构包括脉冲激光器单元，光纤复用器单元，光电探测单元，双路放大器，AD数据采集电路，控制计算单元，传感光纤以及多级光控制器单元；
[0022]所述方法包括:
[0023]控制多级光控制器单元，所述多级光控制器单元包括级联的多个光控制器单元，所述多个光控制器单元中的每个光控制器单元连接多于I根的传感光纤;所述控制计算单元与所述多级光控制器单元通过通信链路建立通信连接;所述控制计算单元能够给所述多级光控制器单元发出测温光纤切换的命令，所述多级光控制器单元对所述传感光纤进行控制，实现光纤测温链路的切换;控制所述脉冲激光器产生脉冲光，所述脉冲光通过所述光纤复用器单元进入所述多级光控制器单元;根据所述控制计算单元的指令，所述每个光控制器单元控制建立所述传感光纤之间的测温链路以现测温功能，所述脉冲光在所述传感光纤中产生后向散射光；
[0024]所述后向散射光经过所述光纤复用器单元后得到带温度的后向拉曼反斯托克斯散射光和带参考信号的后向拉曼斯托克斯散射光，所述后向拉曼反斯托克斯散射光和后向拉曼斯托克斯散射光均进入所述光电探测单元进行光电转换，从而得到双路电信号；
[0025]所述双路电信号经过所述双路放大器进行放大，所述经过放大后的双路电信号经过所述AD采集电路进行处理，得到数字信号；以及
[0026]对所述数字信号进行分析计算，得到多级分层物理网络的温度数据。
[0027]本发明实现了多级网络结构的物理线路的温度测量，通过控制计算单元生成多级光控制器的控制策略，构建多级测温通道。本发明创新性的提出了时分复用、同步技术、光路控制技术，实现光纤到户的多级网络结构的电力光纤线路分布式光纤温度的实时测量。本发明温度的测量方法，降低了电力光纤线路分布式测温系统应用复杂度，提高了测温定位精度和故障预测准确性，从而可以预测载流量异常，高温导致的电缆绝缘安全预测和风险报警功能，以及电力光纤中敷设光纤的强度损伤和光纤附加衰减变化预测。
【附图说明】
[0028]通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式:
[0029]图1为一种多级结构的分布式拉曼光纤温度测量系统结构图；
【具体实施方式】
[0030]现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0031]除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0032]图1为一种多级结构的分布式拉曼光纤温度测量系统结构图。根据本发明的实施例，一种具有多级测量结构的分布式拉曼光纤温度测量系统，该系统包括:脉冲激光器单元102，光纤复用器单元103，光电探测单元104，双路放大器105，AD数据采集电路109，控制计算单元101，传感光纤以及多级光控制器单元107-1至107-n。本发明通过控制计算单元101实现测温通道的多方式切换，在时分复用和同步技术的基础上完成多级网络结构的测温网络的构建。本发明基于拉曼散射效应实现的光纤测温技术解决了电力光纤到户低压光电复合缆温度的实时测量，在线掌握电力光纤温度变化情况，可以为温度异常导致的电缆绝缘安全提供预测和风险报警功能，以及预测电力光纤中敷设光纤的强度损伤和光纤附加衰减变化特性。
[0033]优选地，如图1所示，控制计算单元101用于控制多级光控制器单元，多级光控制器单元包括级联的多个光控制器单元，多个光控制器单元上联I根传感光纤，下联多于I根的传感光纤，传感光纤包括用于级联多级光控制器单元的连接传感光纤106-1至106-n，和多级光控制器单元的下联传感光纤108-1至108-n。控制计算单元101与多级光控制器单元通过通信链路建立通信连接，通过控制策略多级光控制器单元选择建立传感光纤之间的连接，以实现测温功能。优选地，光纤复用器单元103通过连接传感光纤106-1连接第一级光控制器单元，第一级光控制器单元连接的下联传感光纤108-1，下联传感光纤108-1可以为多根。第一级光控制器单元通过下联传感光纤106-2连接第二级光控制器单元，第二级光控制器单元的下联传感光纤108-2，下联传感光纤108-2可以为多根。第二级光控制器单元通过下联传感光纤106-3连接第三级光控制器单元，第三级光控制器单元的下联传感光纤108-3，下联传感光纤108-3可以为多根。以此类推，可以建立η级的测温网络(η不小于I)。优选地，光控制器单元采用光开关技术实现，插入损耗小于IdB，时延控制在ms内级别。控制计算单元101和多级光控制器单元可采用多种通信方式实现，典型的可采用总线方式。基于光纤通信链路建立起控制计算单元101与所有光控制器单元的通信网络链接，实现通信链接通道切换命令的传输。传感光纤可以为G651-50/125um或62.5/125um多模光纤或G652-9/125um通信用单模光纤或涂覆有特殊材料的涂覆光纤，特殊的涂覆材料可以为聚酰亚胺、碳涂覆或金属涂覆。例如，可以通过多级光控制器单元选择建立传感光纤的通信链路，如建立第一级第I根下联传感光纤、第二级第5根下联传感光纤以及第三级第5根下联传感光纤之间的测温链路连接，每一级光控制器单元可以选择控制其下联的不同编号的传感光纤的切换。
[0034]优选地，控制计算单元101控制脉冲激光器单元102产生脉冲光，脉冲光由光纤复用器单元103通过连接传感光纤106-1至106-n进入多级光控制器单元和每一级光控制器单元下的多根下联传感光纤108-1至108-n，脉冲光在传感光纤中产生后向散射光。控制计算单元101控制脉冲激光器产生中心波长1550nm的脉冲光，脉冲光与光纤复用器单元103的1550nm输入端相连接，光纤复用器单元103的com输出端与连接传感光纤106-1相连，连接传感光纤106-1与第一级光控制器单元相连接。脉冲光在传感光纤中产生后向散射光。优选地，脉冲激光器单元102是组合单元，包括栗浦激光器、激光功率放大器，可输出激光的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.lnm，栗浦激光器脉冲宽度为5ns至100ns，重复频率为10Hz至IMHz，峰值功率为IW至100W。优选地，光纤复用器单元103包括中心波长1450nm的后向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Ray I e igh散射光滤波片，光滤波片的隔离度大于60dB。
[0035]优选地，后向散射光经过光纤复用器单元103后得到带温度的后向拉曼反斯托克斯散射光和带参考信号的后向斯托克斯拉曼散射光，后向反斯托克斯拉曼散射光和后向斯托克斯拉曼散射光均进入光电探测单元104进行光电转换，从而得到双路电信号。后向散射光经过光纤复用器单元103进行耦合、滤波和分离后得到携带温度信号的后向拉曼反斯托克斯散射光和作为参考信号的后向斯托克斯拉曼散射光。经传感光纤产生的背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号分别从光纤复用器单元103的1450nm和1660nm输出的端口输出。后向拉曼反斯托克斯散射光和后向拉曼斯托克斯散射光再分别进入光电探测单元104进行光电转换，再经前级放大，从而完成信号的光电探测功能，从而得到双路电信号。优选地，光电探测器单元响应波长100nm至1700nm，响应度为6A/W至9A/W，带宽为100M Hz至300M Hz0
[0036]优选地，双路电信号经过双路放大器105进行放大，经过放大后的双路电信号经过AD采集电路进行处理，得到数字信号。光电探测器单元的输出端与双路放大器105连接，得到放大后的双路电信号，电信号输入到AD采集电路进行处理，得到数字信号。优选地，AD采集电路采样率为100MSPS至500MSPS，采样精度为8bits至14bits，AD采集电路支持硬件累加功能。
[0037]优选地，控制计算单元101对数字信号进行分析计算，得到多级的温度数据。
[0038]本发明实现了多级分层网络结构的物理线路的温度测量，通过控制计算单元生成多级光控制器的控制策略，构建多级测温通道。本发明创新性的提出了时分复用、同步技术、光路控制技术，实现光纤到户的多级分层网络结构的电力光纤线路分布式光纤温度的实时测量。本发明温度的测量方法，降低了电力光纤线路分布式测温系统应用复杂度，提高了测温定位精度和故障预测准确性，从而可以预测载流量异常，高温导致的电缆绝缘安全预测和风险报警功能，以及电力光纤中敷设光纤的强度损伤和光纤附加衰减变化预测。
[0039]已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
[0040]通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
【主权项】
1.一种具有多级测量结构的分布式拉曼光纤温度测量系统，该系统包括:脉冲激光器单元，光纤复用器单元，光电探测单元，双路放大器，AD数据采集电路，控制计算单元，传感光纤以及多级光控制器单元;其中 控制计算单元，用于控制多级光控制器单元，所述多级光控制器单元包括级联的多个光控制器单元，所述多个光控制器单元中的每个光控制器单元连接多于I根的传感光纤;所述控制计算单元与所述多级光控制器单元通过通信链路建立通信连接;所述控制计算单元能够给所述多级光控制器单元发出测温光纤切换的命令，所述多级光控制器单元对所述传感光纤进行控制，实现光纤测温链路的切换； 所述控制计算单元控制所述脉冲激光器产生脉冲光，所述脉冲光通过所述光纤复用器单元进入所述多级光控制器单元;根据所述控制计算单元的指令，所述每个光控制器单元控制建立所述传感光纤之间的测温链路以现测温功能，所述脉冲光在所述传感光纤中产生后向散射光； 光纤复用器单元，对所述后向散射光进行处理以得到带温度的后向拉曼反斯托克斯散射光和带参考信号的后向拉曼斯托克斯散射光，所述后向拉曼反斯托克斯散射光和后向拉曼斯托克斯散射光均进入所述光电探测单元进行光电转换，从而得到双路电信号； 双路放大器，对所述双路电信号进行放大，所述经过放大后的双路电信号经过所述AD采集电路进行处理，得到数字信号；以及 所述控制计算单元对所述数字信号进行分析计算，得到多级分层物理网络的温度数据。2.根据权利要求1所述的系统，所述控制计算单元与所述多级光控制器单元建立通信链路，所述通信链路为光纤介质的通信链路。3.根据权利要求1所述的系统，所述脉冲激光器单元为组合脉冲激光器单元，所述组合脉冲激光器单元包括:栗浦激光器和激光功率放大器，所述组合脉冲激光器单元产生的所述脉冲光的输出激光的中心波长为1550nm、光谱宽度为0.1nm,并且所述栗浦激光器脉冲宽度为5ns?100ns、重复频率为10Hz?1MHz、峰值功率为IW?100W。4.根据权利要求1所述的系统，所述光纤复用器单元包括:中心波长1450nm的后向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的后向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片以及Ray lei gh散射光滤波片，所述光滤波片隔离度大于60dB。5.根据权利要求1所述的系统，所述光电探测器单元的响应波长为100nm?1700nm、响应度为6A/W?9A/W、以及带宽为10MHz?300MHz。6.根据权利要求1所述的系统，所述AD数据采集单元的采样率为100MSPS?500MSPS、采样精度为8bits?14bits，并且所述AD数据采集单元支持硬件累加功能。7.根据权利要求1所述的系统，其中采用光开关技术来实现所述多级光控制器单元，使得所述多级光控制器单元的插入损耗小于IdB并且时延控制在ms级别。8.根据权利要求1所述的系统，所述控制计算单元和多级光控制器单元采用总线方式建立通信链路，所述通信链路为基于光纤介质的通信链路。9.根据权利要求1所述的系统，所述传感光纤为G651-50/125ym或62.5/125μπι多模传感光纤，或G652-9/125μπι通信用单模传感光纤，或涂有聚酰亚胺、碳涂覆、金属涂覆材料之一的涂覆传感光纤。10.根据权利要求1所述的系统，所述传感光纤包括用于级联所述多个光控制器单元的上联传感光纤和由所述多级光控制器单元进行控制的下联传感光纤。11.一种具有多级测量结构的分布式拉曼光纤温度测量方法，其中所述多级测量结构包括脉冲激光器单元，光纤复用器单元，光电探测单元，双路放大器，AD数据采集电路，控制计算单元，传感光纤以及多级光控制器单元;其中所述多级光控制器单元包括级联的多个光控制器单元，所述多个光控制器单元中的每个光控制器单元连接多于I根的传感光纤;所述控制计算单元与所述多级光控制器单元通过通信链路建立通信连接;所述控制计算单元能够给所述多级光控制器单元发出测温光纤切换的命令，所述多级光控制器单元对所述传感光纤进行控制，实现光纤测温链路的切换；所述方法包括: 控制所述脉冲激光器产生脉冲光，所述脉冲光通过所述光纤复用器单元进入所述多级光控制器单元;根据所述控制计算单元的指令，所述每个光控制器单元控制建立所述传感光纤之间的测温链路以现测温功能，所述脉冲光在所述传感光纤中产生后向散射光； 所述后向散射光经过所述光纤复用器单元后得到带温度的后向拉曼反斯托克斯散射光和带参考信号的后向拉曼斯托克斯散射光，所述后向拉曼反斯托克斯散射光和后向拉曼斯托克斯散射光均进入所述光电探测单元进行光电转换，从而得到双路电信号； 所述双路电信号经过所述双路放大器进行放大，所述经过放大后的双路电信号经过所述AD采集电路进行处理，得到数字信号；以及 对所述数字信号进行分析计算，得到多级分层物理网络的温度数据。
【文档编号】G01K11/32GK105938023SQ201610389040
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】雷煜卿, 张大华, 朱朝阳
【申请人】中国电力科学研究院, 国家电网公司