一种复杂环境下分布式光纤测温方法与流程

本发明属于光纤测温技术领域，具体涉及一种复杂环境下分布式光纤测温方法。

背景技术：

温度是一切物理、化学和生物过程的重要状态参量之一，温度测量在工程应用和科学研究中具有十分重要的地位。由于光纤本身不受射频场和其他电磁辐射干扰的影响、不产生电火花并且绝缘性好等特性，使得光纤温度传感技术成为温度测量领域应用广泛、最值得深入研究并具有深远意义的新技术。

分布式光纤温度传感系统能够连续测量光纤沿线所在处的温度，测量距离在几千米范围，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适用于需要大范围测量的应用场合。分布式光纤温度传感系统中测量温度较为传统的做法是，使用斯托克斯光对反斯托克斯光进行解调，即求得反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值，然后对光强比值信号进行衰减补偿。但在实际应用中，APD模块接收到的信号不是反斯托克斯光与斯托克斯光在光纤不同位置的光强，而是反斯托克斯光与斯托克斯光经过在光纤中的向后传播，衰减损耗过后的光强，所以要对APD模块接收到的信号首先进行衰减补偿。

现有技术在进行衰减补偿时只是让反斯托克斯光与斯托克斯光的比值信号乘以一个以10为底的指数函数，这种方法在光纤质量比较好的条件下是可以应用的(如图1所示)。但是在有些条件下，上述方法是不能应用的。比如：在现场某些环境中，光纤已经铺设完毕，我们应用别人的光纤进行测温，而施工单位在铺设光纤过程中受到环境的制约，光纤熔点较多，光纤上多点受应力影响严重，使反斯托克斯光与斯托克斯光的比值不再是呈现指数函数的形式，而是呈现多间断点的形式(如图2所示)。因此，如何在复杂环境中应用分布式光纤进行测温成为亟待解决的问题。

中国发明专利文献(专利号：200810060190.0)公开了一种分布式光纤温度传感器系统的温度测量方法，包括以下步骤：(1)计算出系统中瑞利散射信号和反斯托克斯信号的测量值与理论值之间的偏差；(2)将系统实际瑞利散射信号和反斯托克斯信号的实际测量值分别减去其偏差值得到其改进值；(3)根据瑞利散射信号与反斯托克斯信号的改进值的比值确定光纤上各点的温度值。该方法较为精确的实现了系统在某一恒定温度下，例如25℃下，测量理想状态光纤上各点温度值。显然的，该方法存在以下问题，首先，在工程实际应用中，如上段所述，光纤存在质量差、熔点多等问题，那么光在光纤中传输其产生的瑞利信号和反斯 托克斯信号不可能如这篇专利公开的图3中所示的第一组原始值那么平滑，在这种情况下该专利方法难以实现对光纤上各点的温度值解调，更不用说测量精度的保证。再者，该专利方法没有具体公开如何确定光纤上各点的温度值，现有较为普遍的做法是，当得到反斯托克斯光信号与瑞利光信号的改进值的比值曲线后，使用一个二元一次方程的数学模型去得到温度值曲线，具体的说就是将最终得到反斯托克斯信号与瑞利信号的改进值的比值乘以一个二元一次方程的一次项系数并加上其常数项的手段，得到温度值曲线。该数学模型的缺陷在于，没有将光纤距离与光纤上每一点的温度值联系起来。当光纤首尾升高相同的温度时，该数学模型解调出的温度值首尾存在差异，不够精确。

技术实现要素：

本发明为了实现在分布式光纤所处环境复杂，光纤质量较差、熔点较多等情况下能够满足工程需求进行精确温度测量，提出了一种复杂环境下分布式光纤测温方法。

本发明提供了一种复杂环境下分布式光纤测温方法，包括获取反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值曲线，对所述光强比值曲线进行衰减补偿，并根据衰减补偿后的反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值确定光纤上各点的温度值，本发明在现有技术的基础上，形成一个全新的可适应处于复杂环境中光纤的测温方法：所述方法首先对分布式光纤传感系统进行标定，即首先获取实验光纤的基线数据并存储在分布式光纤传感系统中，然后在实际测温时，读取分布式光纤传感系统存储的标定好的基线数据，并根据公式(1)得到与温度成非线性关系的RadioResult(L)，最后对RadioResult(L)进行非线性解调得到光纤上各点的温度，

$\mathrm{RadioResult}\left(L\right)={10}^{[\log \frac{I_a\left(L\right)}{I_s\left(L\right)}-C_z]}\×D\left(L\right)---\left(1\right)$

其中，L为光纤长度，为反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值，C_z为差值基线数据，D(L)为补偿系数基线数据与光纤长度L相关的函数。

进一步的，所述对分布式光纤传感系统进行标定的方法为，获取实验光纤的反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值的以10为底的对数函数并进行整体多项式拟合，拟合结果记为B_zn，以及对所述实验光纤反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值的以10为底的对数函数进行分段多项式拟合，拟合结果记为B_fn，求B_zn与B_fn的差值，定义为差值基线数据，结果记为C_z，所述整体多项式拟合后的函数的系数定义为补偿系数基线数据，所获得的差值基线数据和补偿系数基线数据均存储在分布式光纤传感系统中作为基线数据供实际测温时使用。

进一步的，D(L)为分布式光纤传感系统存储的实验光纤反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值求以10为底的对数函数之后进行整体多项式拟合后的函数的系数去掉常数项，将高次项取反，并求其与光纤长度L相关的以10为底的指数函数。

进一步的，所述实际测温求解出RadioResult(L)后，通过一数学模型对RadioRe sult(L)曲线进行温度解调，所述数学模型为

Temperature(L)＝A₁×L+A₂×RadioResult(L)ⁿ+A₃×RadioResult(L)^(n-1)+...+A_n×RadioResult(L)²+A_n+1×RadioResult(L)+A_n+2 n≤3，

求解光纤每一点的实际温度值，其中，L代表实际采样点数，也代表光纤长度，Temperature(L)是待测环境光纤每一点的实际温度，RadioResult(L)是待测环境下经过衰减补偿后的反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值，A₁、A₂……A_n+2为系数。

更进一步的，所述对实验光纤反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值的以10为底的对数函数进行分段多项式拟合的方法为：由分布式光纤传感系统获取实验光纤的衰减点数据，以衰减点数据为分段点对经以10为底对数计算后的反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值进行分段多项式拟合。

再进一步的，所述衰减点数据通过以下方法获得：使用分布式光纤传感系统获取实验光纤反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号，并求取反斯托克斯光与斯托克斯光的比值信号后，观察所述比值信号，对有熔点和信号有明显衰减的地方进行标记和记录，并将记录的数据定义为衰减点数据。

优选的，所述分段多项式拟合与整体多项式拟合均采用的是二阶多项式拟合。

优选的，所述求解出RadioResult(L)后，通过一数学模型对衰减补偿后的反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值RadioResult(L)曲线进行温度解调，所述数学模型为

Temperature(L)＝A₁×(L)+A₂×RadioResult(L)²+A₃×RadioResult(L)+A₄，其中，L代表实际采样点数，也代表光纤长度，Temperature(L)是待测环境下光纤每一点的实际温度，A₁、A₂、A₃、A₄为系数。

本发明的有益效果为：

1.实现了在工作现场用已铺设好的光纤，且光纤质量较差、熔接点较多的情况下对光纤上每一点进行测温，拓宽了分布式光纤测温的适用范围，即不仅可以在光纤处于理想状态下测量光纤上每一点的温度值，还可以在光纤处于复杂环境中测量光纤上每一点的温度值。

2.温度解调的数学模型相较于其它类型的数学模型，将光纤距离与光纤每一点的温度值联系起来，更加确保解调温度值的精确性，达到工程要求。

3.通过在分布式光纤传感系统中存储大量基线数据，在实际测温时直接调用，系统可以更加方便快捷的进行衰减补偿工作。

4.拉曼散射中反斯托克斯光子数与斯托克斯光子数都会随温度改变而变化，反斯托克斯光对温度的灵敏度更高，斯托克斯光可消除光源功率波动影响，更适合测量光纤上各点温度值。

5.将反斯托克斯光与斯托克斯光比值信号求出之后再进行衰减补偿，比分别对反斯托克斯光信号与斯托克斯光信号进行衰减补偿后求比值再进行温度解调少进行一次衰减补偿的过程，流程更为简化。

附图说明

图1为光纤情况较为理想状态下反斯托克斯光与斯托克斯光比值曲线，

图2为光纤情况较为复杂状态下反斯托克斯光与斯托克斯光比值曲线，

图3为本发明实施例标定过程流程图，

图4为本发明实施例衰减补偿过程流程图，

图5为本发明实施例反斯托克斯光与斯托克斯光原始比值曲线以及B_fn、B_zn、R_n曲线图，

图6为本发明实施例反斯托克斯光与斯托克斯光原始比值曲线和B_fn曲线局部放大图，

图7为本发明实施例衰减补偿以及温度解调后的反斯托克斯光与斯托克斯光比值曲线图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

本实施例提供的一种复杂环境下分布式光纤测温方法，依次包括1.标定，2.衰减补偿，3.温度解调的步骤，如图3所示，标定具体步骤如下：

(1.1)使用分布式光纤传感系统获取该条实验光纤反斯托克斯信号和斯托克斯信号，观察上述信号，对有熔点和信号有明显衰减的数据进行标记和记录，并将记录的数据定义为衰减点数据，

(1.2)求取所述实验光纤反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值，并对光强比值取以10为底的对数，

(1.3)以衰减点数据为分段点对经以10为底对数计算后的光强比值数据进行分段，

(1.4)根据分段信息，将每一段经以10为底对数计算后的光强比值数据进行二阶多项式拟合，拟合结果记为B_fn，所得B_fn曲线如图5所示，实验光纤原始反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值曲线与分段拟合后的B_fn曲线放大图详见图6，

(1.5)对步骤(1.2)求取的反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值的以10为底的对数函数进行二阶多项式拟合，拟合结果记为B_zn，所得B_zn曲线如图5所示，将得到的二阶多项式拟合系数定义为补偿系数基线数据并进行存储，

(1.6)求B_zn与B_fn的差值，定义为差值基线数据，结果记为C_z，C_z与步骤(1.5)所得补偿系数基线数据定义为分布式光纤传感系统基线数据，并存储在分布式光纤传感系统中。

如图4所述，衰减补偿具体步骤如下：

(2.1)由所述标定步骤录入基线数据的分布式光纤传感系统获取光纤的反斯托克斯光与斯托克斯光数据，

(2.2)求步骤(2.1)的反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值，

(2.3)根据步骤(2.1)分布式光纤传感系统读取该系统测温所需的基线数据，

(2.4)将步骤(2.2)的反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值取以10为底的对数，并用经以10为底的对数计算的反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值减去C_z，结果记为R_n，所得R_n曲线如图5所示，并对R_n求以10为底的指数，结果记为R_n1，

(2.5)将步骤(2.1)分布式光纤传感系统二阶多项式拟合系数读出，去掉常数项系数，将高次项系数取反，对经处理后的二阶多项式系数求其与光纤长度L相关的以10为底的指数函数，结果记为D(L)，

(2.6)将R_n1与D(L)一一对应相乘得Radio Re sult(L)，即通过公式 $Radio\mathrm{Re}sult\left(L\right)={10}^{\[\log \frac{I_a\left(L\right)}{I_s\left(L\right)}-C_z\]}\×D\left(L\right)$求出经过衰减补偿后的反斯托克光与斯托克斯光光强比值，所得Radio Re sult(L)曲线详见图7。

温度解调具体步骤如下：

(3.1)建立数学模型：

Temperature(L)＝A₁×L+A₂×RadioResult(L)²+A₃×RadioResult(L)+A₄，其中， L代表实际采样点数，也代表光纤长度，Temperature(L)是待测环境光纤每一点的实际温度，RadioResult(L)是待测环境下经过衰减补偿后的反斯托克光与斯托克斯光光强比值，A₁、A₂、A₃、A₄为系数；

(3.2)求解所述数学模型的系数A₁、A₂、A₃、A₄；

(3.2.1)将一段实验光纤首尾两端缠出光纤圈，并进行升温操作；

(3.2.2)从分布式光纤测温设备中读出首尾光纤圈的长度L；

(3.2.3)读取光纤圈所升温的温度值，计算整条实验光纤反斯托克斯光与斯托克斯光的光强比值，并进行衰减补偿，获取首尾光纤圈所对应的数据点相应的经过衰减补偿以后的比值数据，并求这些数据点对应的比值数据的均值；

(3.2.4)对步骤(3.2.1)至(3.2.3)重复至少4次，获得首尾光纤圈在至少4个不同温度下的温度数据，以及在至少4个不同温度下首尾光纤圈所对应的数据点相应的经过衰减补偿以后的比值数据的均值；

(3.2.5)将首尾光纤圈在相同温度下的反斯托克斯光与斯托克斯光的比值数据的均值进行线性拟合，对步骤(3.2.4)获取的每一个比值数据的均值进行拟合，至少得到4条拟合线；

(3.2.6)求解实验光纤上每一点的A₁、A₂、A₃、A₄系数：

(a)从步骤(3.2.5)拟合数据中获取实验光纤某一点至少4个均值数据，

(b)将获得的均值数据带入到

Temperature(L)＝A₁×L+A₂×RadioResult(L)²+A₃×RadioResult(L)+A₄中，解方程组求得该点的A₁、A₂、A₃、A₄系数，并进行存储，

(c)遍历光纤上的每一个点，重复步骤(a)至(b),得到光纤上每一点的系数A₁、A₂、A₃、A₄，并进行存储；

(3.3)在实际测温时，经过衰减补偿步骤，待测环境中光纤反斯托克光与斯托克斯光光强比值RadioResult(L)已知，光纤每一点的A₁、A₂、A₃、A₄系数已存储，即可带入Temperature(L)＝A₁×L+A₂×RadioResult(L)²+A₃×RadioResult(L)+A₄中求解光纤每一点的实际温度值，经过温度解调后，待测环境中光纤反斯托克光与斯托克斯光的光强比值经衰减补偿后的RadioResult(L)曲线详见图7。采用本发明专利技术方案后所计算的温度曲线线性度好，无扭曲，实现了光纤质量较差、熔接点较多的情况下对光纤上每一点进行测温。