专利名称：一种实时校准的分布式光纤测温装置及校准方法
技术领域：
本发明涉及一种分布式光纤传感技术，特别涉及一种实时校准的分布式光纤测温装置及校准方法。
背景技术：
分布式光纤温度传感装置(DTS)是一种新兴的线型火灾探测系统，它利用自发拉曼散射效应以及光时域反射技术获得沿光纤分布的实时温度测量。该装置不仅可以实时测 量温度的大小，而且可以精确定位火灾位置，具有测量距离长、无测量盲区、抗电磁干扰、适合易燃易爆等恶劣环境下工作等优点，在公路交通隧道、高压电缆沟、输煤皮带、油井、大坝等领域有较广泛应用。分布式光纤测温装置的应用场合均属于重大关键基础设施，对温度测量准确性的要求较高，并且需要保持长期的稳定性，尤其是大坝渗漏监测以及稠油热采井井下温度测量等应用对温度长期测量稳定性的要求更高。理论上，利用传感光纤背向散射信号中的反斯托克斯Anti-stokes信号与斯托克斯信号Stokes的强度之比即可光纤各点的温度值。事实上，由于分布式光纤测温装置中的分光、耦合存在差异以及雪崩光电二极管Aro光电探测响应有较大离散性，因此，如同叶宗顺等人的论文中报道的装置(叶宗顺，刘艳平，刘果等.分布式光纤测温系统的研制及其应用，水电厂自动化，2012，Vol. 33，No. I, pp. 43-45，68)，常规的分布式光纤测温装置是通过在一段内置的长度为数十米或者数百米的参考光纤作为基准，参考光纤可以置于温度已知的恒温盒内，也可以用热敏电阻、钼电阻等测温元件实时测得参考光纤周围的温度，根据参考光纤的反斯托克斯Anti-stokes信号与斯托克斯Stokes信号的强度比以及参考光纤的温度，可以消除由于分光、耦合差异以及雪崩光电二极管Aro离散性造成的测量误差。此外，受限于分光器的隔离度，反斯托克斯Anti-stokes信号以及斯托克斯Stokes信号中将不可避免地混入一定比例的瑞利Rayleigh散射光,混入的瑞利Rayleigh散射光会影响温度测量值，因此分布式光纤测温装置在出厂前或者投运前需进行温度标定。在常用的_4(T+300°C范围内，反斯托克斯Anti-stokes信号与斯托克斯Stokes信号的比值与温度成近似线性关系，因此温度标定可采用两点法标定将一段传感光纤先后置于低温区域(如室温)和高温区域(如100°C恒温水槽)。然后，由于分布式光纤测温装置中的激光二极管、分光器、雪崩光电二极管APD等光电器件容易受温度影响或者随时间逐步老化，从而影响温度标定系数；如果不采取必要的措施，分布式光纤测温装置的温度测量会出现误差，难以满足工业环境长期在线稳定测量的要求。
发明内容
为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种结构简单的实时校准的分布式光纤测温装置，以消除因光电器件受温度影响或者随时间逐步老化而导致温度标定系数变化而造成的测量误差。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种实时校准的分布式光纤测温装置，包括脉冲激光源、分光器、探测器、参考光纤盒、校准光纤盒、测量光纤和电路模块。脉冲光源的输出端与分光器的输入端相连，分光器的第一输出端依次与参考光纤盒、校准光纤盒、测量光纤相连，分光器的第二输出端和第三输出端与探测器的输入端相连，探测器的输出端与电路模块相连。所述的参考光纤盒和校准光纤盒均盘绕有一段长度为数十米至数百米的光纤，并且所述的参考光纤盒和校准光纤盒的温度不相同，参考光纤盒的温度处于(T45°C的低温区，校准光纤盒的温度处于50°C以上的高温区。所述的脉冲光源为窄脉冲宽度、高峰值功率的半导体激光光源或者光纤激光光源。所述的探测器为雪崩光电二极管APD，用于探测器微弱的光纤散射信号反斯托克斯光Pa iz)和斯托克斯光Ps {z)。由于雪崩光电二极管APD的离散性较大，为减小雪崩光电二极管APD—致性问题， 本发明还提出一种单一探测器的结构。所述的分光器与探测器之间还有1X2光开关，其中分光器的第二输出端和第三输出端与1X2光开关的两个输入端相连,1X2光开关的输入端与探测器的输入端相连。这样，通过控制1X2光开关，可以选择性地使反斯托克斯光PM或者斯托克斯光夂fe)进入探测器，即通过分时探测的方式实现单一探测器对温度敏感的反斯托克斯光A fe)和温度不敏感的斯托克斯光^fe)的探测，减小探测器一致性的问题，提高分布式光纤测温装置的长期测温精度。本发明还提供了一种分布式光纤测温装置的实时校准方法，该方法包含以下步骤
(1)采集从参考光纤盒、校准光纤盒以及测量光纤返回的背向反斯托克斯光怂(Z)和斯托克斯光怂⑴;
(2)计算参考光纤盒区段内的反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值;
(3)利用参考光纤盒的实际温度Ttl以及反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值Ao，计算得到光纤上各点的测量温度值T⑴;
(4)计算校准光纤盒区段内的测量温度平均值I；；
(5)如果校准光纤盒的测量温度平均值I；与校准光纤盒的实际温度Tf的误差大于1°C，则调整装置的温度标定系数，并重新进行步骤(3)、(4)，实现光纤各点测量温度的实时校准T {z)。与现有技术相比，本发明的优点在于
(1)本发明的分布式光纤测温装置利用两个温度不同的参考光纤盒和校准光纤盒，其中处于低温区的参考光纤盒用于消除由于分光、耦合差异以及雪崩光电二极管Aro离散性造成的测量误差，处于高温区的校准光纤盒用于实时温度校准，消除因光电器件受温度影响或者随时间老化导致的温度标定系数变化所造成测量误差；
(2)本发明的分布式光纤测温装置结构简单，成本低，可操作性强；
(3)本发明还提出一种利用单一探测器的结构，减小了探测器的不一致性问题，提高了长期测温精度。
图I是本发明的一种实时校准的分布式光纤测温装置。图2是本发明的一种分布式光纤测温装置的实时校准方法。图3是本发明的一种单一探测器的实时校准的分布式光纤测温装置。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详尽描述。实施例I :
如图I所示，一种实时校准的分布式光纤测温装置，包括脉冲激光源I、分光器2、探测器3、参考光纤盒4、校准光纤盒5、测量光纤6和电路模块7。脉冲光源I的输出端与分光器2的输入端相连,分光器2的第一输出端依次与参考光纤盒4、校准光纤盒5、测量光纤6相连，分光器2的第二输出端和第三输出端与探测器3的输入端相连,探测器3的输出端与 电路模块7相连。所述的脉冲光源I为窄脉冲宽度、高峰值功率的半导体激光光源或者光纤激光光源。本实施例优选中心波长为1550nm的光纤激光光源，脉冲宽度2 100ns可调，峰值功率
0.5 100W可调。所述的分光器2用于分离光纤背向散射信号,本实施例米用1X3拉曼WDM分光器，其中输入端为1550nm光透射,第一输出端为公共端,第二输出端为1450nm光透射,第三输出端为1660nm光透射。所述的参考光纤盒4和校准光纤盒5均盘绕有一段光纤，根据测量需要盘绕的光纤长度为数十米至数百米。所述的参考光纤盒4的温度处于(T45°C的低温区，可以采用恒温控制的方式，也可以钼电阻等测温元件实时测量的方式。所述的校准光纤盒5的温度处于50°C以上的高温区，校准光纤盒5的温度可根据分布式光纤测温装置的实际测温范围选择，尽量接近实际测温范围的上限。本实施例中参考光纤盒4内盘绕有约50米的裸光纤，盒内温度采用恒温控制的方式，温度控制在25±0. 50C ;校准光纤盒5内盘绕有约50米的裸光纤，盒内温度米用恒温控制的方式，温度控制在80±0. 5°C。所述的测量光纤5可以是单模光纤或者多模光纤。本实施例为增加背向散射信号强度，优选GI62. 5/125的通信多模光纤。所述的探测器3包括第一探测器31和第二探测器32，分别与分光器2的第二输出端和第三输出端相连，用于探测从测量光纤6返回的反斯托克斯光和斯托克斯光PM，由于信号极为微弱，本实施例优选具有内部增益的雪崩光电二极管InGaAs APD0所述的电路模块7接收第一探测器31和第二探测器32的电信号。如图2所示，本发明还提供了一种分布式光纤测温装置的实时校准方法，该方法包含以下步骤
(1)采集从参考光纤盒、校准光纤盒以及测量光纤返回的背向反斯托克斯光怂fe)和斯托克斯光怂⑴;
(2)计算参考光纤盒区段内的反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值；
(3)利用参考光纤盒的实际温度Ttl以及反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值Ao，计算得到光纤上各点的测量温度值T⑴；
(4)计算校准光纤盒区段内的测量温度平均值I；；(5)如果校准光纤盒的测量温度平均值I；与校准光纤盒的实际温度Tf的误差大于1°C，则调整装置的温度标定系数，并重新进行步骤(3)、(4)，实现光纤各点测量温度的实时校准T {z)。在此具体实施例中，高功率、窄脉宽的激光脉冲光源I经分光器2后依次进入参考光纤盒4、校准光纤盒5和测量光纤6，从测量光纤6返回背向拉曼散射信号再次经分光器2分离出温度敏感的反斯托克斯光怂fe)和温度不敏感的斯托克斯光^fe)，并分别被第一探测器31和第二探测器32所探测。参考光纤盒4的温度处于室温附近的低温区，利用参考光纤盒4作为参考单元，即以参考光纤盒4的反斯托克斯平均值和斯托克斯平均值的强度之比/^cl/ Ps0以及参考光纤盒4的实测温度Ttl,计算出校准光纤盒5以及测量光纤6上任何一点的温度值Tfe)，消除由于分光、耦合差异以及雪崩光电二极管APD离散性造成的测量误差。而校准光纤盒5的温度T^1处于大于50°C的高温区，由于校准光纤盒5采用恒温控制，盒内温度已通过高精度的测温元件获得，因此利用校准光纤盒5的实测温度I；。以及以参考光纤盒4为参考基准的计算温度平均值I；可以对装置的温度标定系数进行实时校准，得到校准后的温度分布T fe)，消除因光电器件受温度影响或者随时间老化所造成的测量误差。该装置在参考光纤盒的基础上增加了一个高温段的校准光纤盒，可以对分布式光纤测温装置进行实时校准，消除器件老化的影响，提高装置的长期测量准确性。实施例2
如图3所示，一种单一探测器的实时校准的分布式光纤测温装置，包括脉冲激光源I、分光器2、探测器3、参考光纤盒4、校准光纤盒5、测量光纤6、电路模块7和1X2光开关8。与实施例I不同的是，在所述的分光器2与探测器3之间增加了一个I X 2光开关8，探测器3为单一探测器。所述的分光器2的第二输出端及第三输出端分别与所述的IX 2光开关8的两个输入端相连，所述的I X 2光开关8的输出端与探测器3的输入端相连，探测器3的输出端和电路模块7相连。I X 2光开关8可选用MEMS结构或者机械结构式的光开关，本实施例优选MEMS结构的光开关。分光器2的第二输出端及第三输出端分离出温度敏感的反斯托克斯光信号PM和温度不敏感的斯托克斯光^fe)信号，这两路信号与1X2光开关8的两个输入端相连，此时可通过控制1X2光开关8，可以选择性地使反斯托克斯光Afe)或者斯托克斯光 PM进入探测器3，此时通过分时探测的方式实现单一探测器3对温度敏感的反斯托克斯%PM和温度不敏感的斯托克斯光的探测，减小探测器一致性的问题，提高分布式光纤测温装置的长期测温精度。
权利要求
1.一种实时校准的分布式光纤测温装置，包括脉冲激光源、分光器、探测器、参考光纤盒、测量光纤和电路模块，其特征在于还包括校准光纤盒，所述的脉冲光源的输出端与所述的分光器的输入端相连，所述的分光器的第一输出端依次与所述的参考光纤盒、所述的校准光纤盒以及所述的测量光纤相连，所述的分光器的第二输出端和第三输出端与所述的探测器的输入端相连，所述的探测器的输出端与所述的电路模块相连。
2.根据权利要求I所述的一种实时校准的分布式光纤测温装置，其特征在于所述的参考光纤盒和校准光纤盒的温度不相同，所述的参考光纤盒的温度处于(T45°C的低温区，所述的校准光纤盒的温度处于50°C以上的高温区。
3.根据权利要求I所述的一种实时校准的分布式光纤测温装置，其特征在于所述的脉冲光源为窄脉冲宽度、高峰值功率的半导体激光光源或者光纤激光光源。
4.根据权利要求I所述的一种实时校准的分布式光纤测温装置，其特征在于所述的探测器为雪崩光电二极管APD。
5.根据权利要求I所述的一种实时校准的分布式光纤测温装置，其特征在于所述的分光器和所述的探测器之间还设置有1X2光开关，所述的第二输出端和第三输出端分别与所述的1X2光开关的两个输入端相连，所述的1X2光开关的输出端与所述的探测器的输入端相连。
6.一种分布式光纤测温装置的实时校准方法，其特征在于包含以下步骤 (1)采集从参考光纤盒、校准光纤盒以及测量光纤返回的背向反斯托克斯光Pa(Z)和斯托克斯光怂⑴; (2)计算参考光纤盒区段内的反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值; (3)利用参考光纤盒的实际温度Ttl以及反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值Ao，计算得到光纤上各点的测量温度值T⑴； (4)计算校准光纤盒区段内的测量温度平均值I；； (5)如果校准光纤盒的测量温度平均值I；与校准光纤盒的实际温度Τε(ι，的误差大于1°C，则调整装置的温度标定系数，并重新进行步骤(3)、(4)，实现光纤各点测量温度的实时校准T {z)。
全文摘要
本发明公开了一种分布式光纤测温装置及校准方法，装置包括脉冲激光源、分光器、探测器、参考光纤盒、校准光纤盒、测量光纤和电路模块，参考光纤盒的温度处于低温区，校准光纤盒的温度处于高温区，利用校准光纤盒的实测温度和计算温度可以对分布式光纤测温装置进行实时校准，消除因光电器件受温度影响或者随时间逐步老化导致的温度标定系数变化所造成的测量误差影响，提高装置的长期测量准确性，满足工业应用需求。
文档编号G01K11/32GK102967389SQ201210446739
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月11日 优先权日2012年11月11日
发明者蒋俊, 丘栋荣, 卢海洋, 余俊云, 肖棽柏 申请人:杭州山旭光电有限公司