专利名称：自校正功能的光纤分布式温度传感器系统及其温度测量方法
技术领域：
本发明涉及具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统以及使用其测量温度的方法，更具体地，涉及具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统和使用其测量温度的方法，在其中，可以通过在分布式温度传感器系统中提供反射装置来使用一个光源和一个光检测器，因此可以仅使用反斯托克斯拉曼散射光信号测量沿着光纤分布的温度。
背景技术：
通常，使用光纤的背向散射光测量被测光纤中分布的温度的原理如下面所描述的。如果激发光源的光脉冲进入被测光纤，则在该光纤中生成散射光，并且散射光的一部分反馈至被测光纤的进入端，因此，形成背向散射光。大部分背向散射光是波长与入射光的波长相等的瑞利散射光，并且在背向散射光中还包括具有被拉曼散射改变波长的少量拉曼散射光。瑞利散射光的强度通常是入射光的强度的大约1/100，而拉曼散射光与瑞利散射光的1/10，000 一样弱。拉曼散射光包括:相对于入射光其波长朝向长波长改变的斯托克斯光；和相对于入射光其波长朝向短波长改变的反斯托克斯光。当进入到光纤的光与二氧化娃分子碰撞时，发生拉曼散射。由于二氧化娃分子的运动量根据温度而改变，所以散射量根据温度改变。即，斯托克斯光和反斯托克斯光的强度取决于绝对温度。因此，如果获得斯托克斯光和反斯托克斯光之间的比率，则可以获得被测光纤的纵长方向上的温度分布。在这点上，温度仅影响反斯托克斯光，而为了补偿光源的迁移，通过测量散射量来测量斯托克斯光。为了通过基于上述原理从被测光纤的背向散射光中分离和提取散射光来被测光纤的分布式温度，确实需要光纤分布式温度传感器。
图1示意性地示出了传统拉曼传感器系统的结构的图。图1所示的拉曼传感器系统使用拉曼现象按照距离测量温度。拉曼传感器系统通常包括:电源单元、激光二极管、脉冲发生器、光循环器、拉曼散射测量滤波器、光检测器、模拟数字转换器(ADC)等。如果将通过激光二极管生成的脉冲调制入射光传送至被测光纤中，则取决于距离发生光的延迟。因此，脉冲形式的输入光信号被转换成具有背向距离分辨率的散射光。将使用拉曼滤波器将通过光纤产生的散射信号分成具有不同波长的散射信号。波长与通过激光二极管生成的入射光的波长相同的的瑞利散射信号接收在瑞利散射区域中，以及能够根据温度改变测量信号变化的反斯托克斯散射信号和斯托克斯散射信号接收在反斯托克斯散射区域和斯托克斯散射区域中。通过光检测器独立地检测各散射区域所接收的瑞利散射信号、反斯托克斯散射信号、斯托克斯散射信号，并且通过模拟数字转换器将检测到的信号转换为数字信号。然而，在拉曼传感器系统中背向散射光的强度分布的不正确性已成为严重的问题。不正确性不仅受温度影响，而且由光纤中的物理干扰所产生的局部衰减也会引起不正确性。为了避免由强度分布的不正确性所导致的测量误差，需要去除局部衰减的影响。这种不正确性主要由斯托克斯光和反斯托克斯光之间范围在IOOnm至200nm内的波长差和对入射光的波长的依赖性所导致。另外，以不同制造工艺制造的光纤具有差分衰减分布。此夕卜，当光纤受弯曲、张力、压缩、辐射以及化学污染防碍时，差分衰减进一步增加。在弯曲和压缩的情况下，差分衰减相对较小，因此，可以通过瑞利波或斯托克斯波来补偿这种差分衰减。另外，在核结构中的伽马射线辐射是差分衰减导致温度误差的典型原因。尽管为了解决该问题已经提出了使用瑞利带和反斯托克斯带的一些方法，但是波长差的问题仍然存在，因此，不能完全去除因波长差所导致的差分衰减。为了解决该问题，已提出用于自动校正差分衰减的双端方法。然而，尽管该方法具有很多优点，当被测光纤损坏时，仍存在需要被测光纤的两倍长度的光纤和附加分布的温度传感器信道的问题。此后，为了解决双端方法的问题，提出了使用双光源的方法。然而，使用双光源的方法仍具有需要一个附加的光源、一个光学开关以及两个光检测器的问题。因此，需要开发一种使用一个光源和一个光检测器进一步简单和完整地测量自动校正温度的方法。
发明内容
技术问题因此，考虑到上述问题提出了本发明，本发明的第一目的是提供具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统和使用该系统测量温度的方法，其中，可以使用一个光源和一个光检测器测量自动校正的温度。本发明的第二目的是提供具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统和使用该系统测量温度的方法，其中，取决于入射光的斯托克斯光和反斯托克斯光之间的波长差以及光纤中存在的实际障碍可以克服。本发明的第三目的是提供具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统和使用该系统测量温度的方法，其中，由差分衰减导致的被测温度的不正确性可以简单地并完全消除，因此，节省了其成本。问题的解决方案为了实现以上目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统，该系统包括:用于生成脉冲调制的光信号的光源，包括电源单元100、脉冲发生器110以及激光二极管105 ;与光源单元连接的被测光纤120，其中光信号通过被测光纤进入和传输；设置在被测光纤120的一端处的反射装置125，用于沿着被测光纤120反射通过被测光纤120传输的光信号；设置在被测光纤120和光源单兀之间的光循环器115,用于在与从光源单兀进入的光信号的方向不同的方向上分离并传输从被测光纤120进入的光信号；与光循环器115连接的拉曼滤波器130,用于分离光学循环器115所分离和传输的光信号和仅通过在光学循环器115所分离和传输的光信号中的反斯托克斯拉曼散射光信号；与拉曼滤波器130连接的光检测器135，用于将反斯托克斯拉曼散射光信号转化为可以进行信号处理的电信号；与光检测器135连接的放大器140，用于放大被转换的电信号；与放大器140连接的数字转换器145，用于将放大的电信号转换为数字形式；以及与数字转换器145连接的信号处理单元150，用于在使用拉曼效应测量温度时，输出在被测光纤120的纵长方向上分布的温度数据。另外，光纤分布式温度传感器系统进一步包括光放大器160，用于放大光源单元所生成的光信号并且位于光源单兀和光学循环器115之间。
另外，光放大器160包括EDFA和ASE滤波器。另外，反射装置125是镜子。另外，反射装置125反射从光源单元进入的光信号并且反射由被测光纤120产生的对于所反射的光信号的背向散射光。另外，从被测光纤120进入光检测器135的光信号包括:由被测光纤120产生的常规背向散射光信号、对于被反射装置125反射的光信号由被测光纤120产生的反射的背向散射光信号以及由被测光纤120生成的前向散射光信号。另外，光检测器135是APD，并且AH)检测拉曼散射光信号中的反斯托克斯光信号并且将反斯托克斯光信号转换为电信号。另外，Aro通过反复检测常规背向散射光信号、反射的背向散射光信号以及前向散射光信号来计算平均值。另外，放大器140包括电流放大器和电压放大器。另外，沿被测光纤120分布的温度仅使用反斯托克斯拉曼散射光来测量。另外，使用以下数学公式计算被测光纤120中的某点z处的温度:
权利要求
1.一种具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统，所述系统包括: 光源单元，包括电源单元(100)、脉冲发生器(110)以及激光二极管(105)，并用于生成脉冲调制的光信号； 被测光纤(120)，与所述光源单元连接，所述光信号通过所述被测光纤进入和传输； 反射装置(125)，被设置在所述被测光纤(120)的一端处，用于沿着所述被测光纤(120)反射通过所述被测光纤(120)传输的所述光信号； 光学循环器(115)，被设置在所述被测光纤(120)和所述光源单元之间，用于在与从所述光源单兀进入的光信号的方向不同的方向上分离和传输从所述被测光纤(120)进入的光信号; 拉曼滤波器(130)，与光学循环器(115)连接，用于分离由所述光学循环器(115)所分离和传输的光信号并且仅通过该光信号中的反斯托克斯拉曼散射光信号； 光检测器(135)，与所述拉曼滤波器(130)连接，用于将所述反斯托克斯拉曼散射光信号转换为可以进行信号处理的电信号； 放大器(140)，与所述光检测器(135)连接，用于放大所转换的电信号； 数字转换器(145)，与所述放大器(140)连接，用于将放大的电信号转换为数字形式；以及 信号处理单元(150)，与所述数字转换器(145)连接，用于在使用拉曼效应测量温度时，输出在所述被测光纤(120)的纵长方向上分布的温度数据。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括:光放大器(160)，用于放大所述光源单元生成的所述光信号，并且位于所述光源单元和所述光学循环器(115)之间。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光放大器(160)包括EDFA和ASE滤波器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述反射装置(125)是镜子。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述反射装置(125)反射从所述光源单元进入的所述光信号以及反射由所述被测光纤(120)产生的对于所反射的光信号的背向散射光。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，从所述被测光纤(120)进入所述光检测器(135)的光信号包括:由所述被测光纤(120)产生的常规背向散射光信号、对于被所述反射装置(125)反射的光信号由所述被测光纤(120)产生的反射的背向散射光信号以及由所述被测光纤(120)产生的前向散射光信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光检测器(135)是APD，并且所述AH)检测拉曼散射光信号中的反斯托克斯光信号并且将所述反斯托克斯光信号转换为所述电信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述APD通过反复检测常规背向散射光信号、反射的背向散射光信号和前向散射光信号来计算平均值。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述放大器(140)包括电流放大器和电压放大器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，仅使用反斯托克斯拉曼散射光测量沿着所述被测光纤(120)分布的所述温度。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，使用以下数学公式来计算所述被测光纤120的某点z处的温度:
12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括显示单元，用于根据所述信号处理单元(150)输出的数据在屏幕上显示整个被测光纤(120)上的温度的信息。
13.一种使用具有自动校正功能的光纤分布式温度传感器系统测量温度的方法，所述方法包括以下步骤: 通过光源单元生成脉冲调制的光信号(S410)； 所生成的光信号通过设置在被测光纤(120)的一端处的光学循环器(115)进入所述被测光纤(120) (S420)； 在所进入的光信号沿着被测光纤传输时产生散射光信号，沿着所述被测光纤120传输所述散射光信号中的背向散射光信号，并且所述背向散射光信号进入所述光循环器115(S430)； 通过设置在所述被测光纤(120)的另一端处的反射装置(125)对所进入的光信号产生反射的光信号，并且在所述反射的光信号在至所述光循环器115的方向上沿着所述被测光纤120传输时产生散射光信号(S4 40)； 通过所述反射装置(125)反射对于所述反射的光信号的所述散射光信号中的背向散射光信号，沿着所述被测光纤(120)传输所述背向散射光信号，以及所述背向散射光信号进入所述光学循环器(115) (S450)； 通过所述光学循环器(115)将所进入的光信号传输至拉曼滤波器(130)，通过所述拉曼滤波器(130)分离所述光信号并且仅通过所述光信号中的反斯托克斯拉曼散射光信号(S460)； 通过光检测器(135)将所通过的反斯托克斯拉曼散射光信号转换为电信号，通过放大器(140)放大所述电信号并且通过数字转换器(145)将放大的电信号转换为数字信号(S470);以及， 通过所述信号处理单元(150)根据所转换的数字信号数据输出在所述被测光纤120的纵长方向上分布的温度数据(S480)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，生成所述光信号的步骤(S410)进一步包括:通过连接至所述光源单元的光放大器(160)来放大所生成的光信号。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，生成温度数据的步骤(S480)进一步包括:通过连接至所述信号处理单元(150)的显示单元基于数据显示整个被测光纤(120)上的温度信息的步骤。
全文摘要
本发明对使用一个光源和光检测器测量自动校正温度是有效的。
文档编号G02B6/00GK103180702SQ201180038312
公开日2013年6月26日 申请日期2011年8月1日 优先权日2010年8月5日
发明者权日凡, 尹东珍, 黄斗善 申请人:韩国标准科学研究院