基于光纤的环境温度监测装置及方法与流程

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤的环境温度监测装置及方法。

背景技术：

随着全球气候变暖以及城市化的推进，城市热环境问题日益成为人们关注的焦点。以空气温度和下垫面表面温度为核心的城市热环境是一个城市环境在热力场中的综合表现，包括太阳辐射、人为产热、大气状况(风速、大气混浊度、空气湿度等)和下垫面状况(下垫面类型、反照率、发射率、热导率、热容等)共同组成的一个影响人及人类活动的物理系统。

通过对城市热环境的研究，可以帮助人们更好的认识城市规模和空间结构的变化。目前对于城市热环境的监测手段主要是气象站点固定观测和遥感监测，但是气象站监测主要集中在城市典型站点上，气象站点少并且分布不均，随着城市化的推进，一个城市内部的微气候现象变得更加复杂，仅通过气象站无法准确地描绘出一个城市热环境的具体分布，对城市局部人为热环境污染无法及时取证。对于遥感技术监测，它的优点是覆盖面积广，但是对于高度异质的城市地表温度，现有卫星遥感还存在着时间分辨率、空间分辨率和测量精度的短板。基于这种现状，必须有一套空间分辨率高、精度高的可以适用于城市高度异质性热环境的装置系统。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种基于光纤的环境温度监测装置及方法，以期至少部分地解决所述技术问题。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种基于光纤的环境温度监测装置，其特征在于，包括：

光纤，布设在待测试的环境中；

光源，用于向所述光纤中发射探测光；

检测单元，用于检测经过所述光纤的探测光，得到所述探测光与参比光束的拉曼散射光强的变化；

信号处理单元，基于所述检测单元的检测结果，以及所述探测光到达所述检测单元的时间，计算得到待测试的环境中不同位置处对应的温度。

其中，所述检测单元中包括雪崩光电二极管；

作为优选，所述光纤为单芯多模光纤；

作为优选，所述光纤装于铠装螺旋管内，且所述螺旋管表面印有刻度。

其中，所述检测单元中包括分光模块，用于滤除瑞利散射光。

其中，所述光纤水平铺设在待测试的环境的地表上，用于研究不同类型下垫面地表温度之间的差异；或者

所述光纤竖直悬空设置，用于监测某位置处空间温度的垂直分布。

其中，在同种下垫面类型的范围内以弯曲、圆盘或围绕的方式铺设所述光纤，以降低测量误差；

作为优选，所述光纤在水平铺设时紧贴地表。

其中，所述探测光到达检测单元的时间是基于r-otdr技术采集散射信号的回波时间来得到的。

作为优选，所述信号处理单元能够设置时间间隔参数，所述时间间隔参数以秒为单位，最大可输入间隔参数为3600秒；

作为优选，所述信号处理单元还能够设置空间分辨率参数，所述空间分辨率参数在1～100米的范围内进行选择。

其中，所述信号处理单元基于以下公式计算得到待测试的环境中不同位置处对应的温度：

其中，t0为参考光纤的温度值，h表示普朗克常数，k表示玻尔兹曼常数，δv表示拉曼频移，以石英光纤为例，δv＝1.32×10¹³hz，z为测温光纤的位置，r(t)为测温光纤处反斯托克斯光和斯托克斯光的光强之比，r(t0)为测温参考点处反斯托克斯光和斯托克斯光的光强之比，αas、αs为反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤中的衰减系数。

该环境温度监测装置还包括电源适配器，用于为信号处理单元供电；以及搭载数据处理、存储、展示软件的笔记本电脑，用于存储温度测量数据及数据可视化，其中数据存储功能可以由用户自行选择存储的时间分辨率与空间分辨率。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种基于光纤的环境温度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照实际需求在待测试的环境中布设光纤；

将所述光纤接入如上所述的基于光纤的城市热环境监测装置的信号处理单元上，启动监测程序。

其中，所述监测程序中包括设置温度存储时间间隔参数的步骤，所述时间间隔参数以秒为单位，最大可输入间隔参数为3600秒。

其中，所述监测程序中包括设置空间分辨率参数的步骤，所述空间分辨率参数在1～100米的范围内选择。

基于上述技术方案可知，本发明的装置和方法具有如下有益效果：

(1)能从另一个角度获取城市热环境的现场真实数据，具有精度高、实时性好、误差小等特点；

(2)本发明的基于光纤的城市街区热环境监测装置是一种测温装置，定位精度小于1米，空间分辨率高，可以探测出街区尺度下不同下垫面类型地表温度的时空变化规律以及一定高度范围内温度的垂直变化规律，适用于城市高度异质性的热环境；(3)本装置使用的光纤保护层上印有刻度，解决了在具体应用中，由于需要经常移动测温光纤和变换铺设方式而造成的实际测温点位定位困难问题，增强了装置的灵活性和普适性。

(4)信号处理单元使用开放通信协议，可以通过不同类型的协议接口输出数据，兼容性好。

附图说明

图1是本发明的基于光纤的城市热环境监测装置的结构示意图及监测方法的原理示意图；

图2是本发明的基于光纤的城市热环境监测装置应用于不同类型下垫面的示意图；

图3是作为一个示例的不同类型下垫面地表温度的监测结果曲线图；

图4是本发明的测温光纤的三种水平布设方式；

图5是本发明的数据存储与处理流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种基于光纤的环境温度监测装置及方法，其使用光纤直接作为传感器传递温度信息。光纤测温的优势有不受电磁干扰、耐腐蚀、无源实时监测、电绝缘、体积小、重量轻、灵敏度高、使用寿命长、传输距离远等优点。最大的特点是只需要一根光纤就能实现对周围温度场的测量，并且所测的温度信息不需要依靠其他通道，光纤自身就可以进行信号传送，它的普适性决定了它可以在城区铺设时具有比较大的灵活性。同时本装置选用拉曼散射型光纤温度传感技术，它利用光纤作为温度传感器和信号的传输介质，拉曼散射光的强度只对温度敏感，通过监测拉曼散射光强的变化，对光信号处理后就可以知道温度的变化。将光纤铺设在待测环境，尤其是城市，再尤其是城市街区的地表，可研究待测环境不同类型下垫面地表温度之间的差异，尤其是监测城市中的异常热源和热排放，研究分析城市热环境；将光纤通过一定方式悬空，可连续监测某个点上空间温度，即空气温度的垂直分布，捕捉玻璃幕墙等异常光反射程度和方向。

本发明公开的基于光纤的城市街区热环境监测装置，以及基于其的环境温度的采集和处理方法，创新性地对城市下垫面温度和城市局部空气温度进行高时间精度和高空间精度的测量，使用光纤直接作为温度传感器和信号传送通道，运用拉曼散射型光纤传感技术，通过特定的光纤铺设方法和轨迹，获得城市热环境的温度信息。该基于光纤的城市街区热环境监测装置，包括信号处理单元，用于发生光脉冲信号以及处理光纤探测到的温度信息；电源适配器，用于为信号处理单元供电；以及搭载数据处理、存储、展示软件的笔记本电脑，用于存储温度测量数据及数据可视化，其中数据存储功能可以由用户自行选择存储的时间分辨率与空间分辨率。本发明的装置和方法能够从另一个角度获取城市热环境的真实数据，具有精度高、实时性好、误差小等特点。

此外，本发明的测温装置是基于光纤的监测装置，定位精度(空间分辨率参数)可以在1～100米内进行选择，最小可以小于1米。

具体地，本发明的基于光纤的城市热环境监测装置及方法主要包括以下几个方面：

按照实验设计路径水平或垂直铺设感温探测光缆，利用拉曼散射光强度对温度的敏感性、采用r-otdr(拉曼光学时域反射)技术通过连续分布式光纤温度传感系统探测光纤铺设方向上的温度变化趋势，工作原理如图1所示，由脉冲激光二极管产生的脉冲进入到光纤内部后，与光纤分子相互作用产生瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射等，进而产生后向散射光，其中拉曼散射光波长与热能相关，即光强与温度相关，所以取其中的后向拉曼散射光计算相关温度。拉曼散射光分为斯托克斯光和反斯托克斯光。光纤中的后向散射光经过分光模块滤除瑞利散射光，再经过雪崩光电二极管探测出光功率的值，通过光功率与温度的关系计算出所测温度。位置的确定则是基于r-otdr技术采集散射信号的回波时间，从而计算出该点温

度对应的光纤上的相对位置。其中，关键参数温度的计算公式是：

其中t0为参考光纤的温度值，h表示普朗克常数，k表示玻尔兹曼常数，δv表示拉曼频移，以石英光纤为例，δv＝1.32×10¹³hz，z为测温光纤的位置，r(t)为测温光纤处反斯托克斯光和斯托克斯光的光强之比，r(t0)为测温参考点处反斯托克斯光和斯托克斯光的光强之比，αas、αs为反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤中的衰减系数。

本发明所涉及的硬件主要包括：封装于带刻度的铠装螺旋管内的单芯多模光纤、信号处理单元、220v转24伏电源适配器、室外太阳能应急供电系统。信号处理单元使用开放式通信协议，数据接口有10m/100m以太网口、rs232、rs485串口，可以实现4个独立通道同时测温，可连接的光纤长度最大为10km。

作为优选，本发明的单芯多模光纤装于铠装螺旋管内，其中螺旋管表面印有刻度。光纤测温测试得到的温度与位置的对应关系是相对的，即只能得出光纤何位置处对应什么温度，需要通过对比软件端显示的光纤位置和读取光纤上的刻度得出相对位置与实际测量位置的对应关系。

本发明的地表温度测量方法具体如下：

将光纤按照设定路线铺在如图2所示的不同类型下垫面的地表上，光纤的铺设形式比较自由，出于更好识别高度异质性下垫面类型地表温度的考虑，可以参考图4所示的三种铺设方式，注意紧贴地表，避免因光纤没有直接接触地表而造成测量误差。同时，光纤测温测试得到的温度与位置的对应关系是相对的，即通过数据处理和计算只能得出光纤多少米位置处的温度是多少，而测温光纤铺设过程中光纤有弯曲、缠绕等现象，所以要借助光纤的保护层(铠装螺旋管)的表面的刻度来寻找到光纤测温点和现实中实际测温位置的对应关系，并且记录下来。

将光纤按照实际需求和实验设计进行布设，布设方式有两种：

(1)水平铺设方式：沿实验设计路径紧贴地表放置测温光纤，为了适应城市地表类型的高异质性，在光纤长度足够覆盖到实验设计路径时，一般不采用直线铺设方式，可以根据实际需要选择弯曲、圆盘、围绕等铺设方式，示意图如图4所示。

(2)垂直布设方式：将测温光纤用无人机或其他方式垂直挂起至所需高度，使光纤暴露于空气中且不和建筑物外墙、电线杆、树木等介质接触。

将铺设好的光纤接入信号处理单元，即可开始对不同下垫面类型的地表温度开始监测，温度及相对距离的计算在信号处理单元内完成，发明人基于tcp/ip协议使用python编程语言实现信号处理单元与pc端的数据传输，并设计图形界面进行温度的实时展示与存储。发明人自行开发的程序的存储与处理部分的伪代码如下，具体流程参见图5：

begin

系统初始化

创建套接字

创建指向服务方的远程地址

使用远程地址将套接字连接到服务方

接收数据

温度校正

数据存储

图形界面的设计

绘图显示实时温度位置信息

if

存储芯片发出中断请求：

关闭套接字

end

为了节省存储空间，在数据存储中，设计温度存储的时间间隔可以由使用者根据实际情况中不同的使用需求自行选择，可选间隔最小为1秒，最大为1小时(3600秒)。相应地，在空间尺度上，也可以根据需求设定一米到一百米的空间分辨率。

考虑到温度具有连续性，在一定的时间和空间范围内变化不大，为了避免数据冗余，设定存储时光纤每米、每分钟只存储一个平均值，存储的数据最后以excel表格的形式导出，方便进行下一步操作。

实际案例

如图3是选用一个下垫面类型高度异质性的园区进行监测得到的结果，每米每小时有60个数据记录，为了体现出总体的变化趋势，选用每米光纤每小时温度监测值求平均的方法得到测试时间内对应位置的地表温度。

所测试区域的具体下垫面类型为(以下对太阳直晒的描述仅限于测试时间段)：0-12m是绿地、12-25.8m是园区马路，材质是沥青路面、25.8-28.2m是绿地并经过了一个较湿润的树坑、28.2-31.5m是硬化水泥的地面、31.5-35m是绿地并经过了一个比较湿润的树坑、35-36.6m是鹅卵石铺成的公园小路与石材路面交错、36.6-42m是一片生长在建筑的阴面的月季丛、42-47.1m是石头材质的台阶、47.1-58.7m是被树木遮荫的绿地、58.7-62.2m是太阳直晒的绿地、62.2-77.1m是太阳直晒的灌木丛、77.1-79.3m为太阳直射的透水砖铺设的公园小路、79.3-92.1m为太阳直晒的绿地、92.1-94.4m为有树荫遮蔽的透水砖铺设的人行道、94.4-97.7m是一个比较湿润的树坑、97.7-100m是沥青马路的边缘。将下垫面类型按照①硬化下垫面②非硬化下垫面粗分，本次测试场地的高异质性下垫面类型大体为：非硬化下垫面——硬化下垫面——非硬化下垫面——硬化下垫面——非硬化下垫面——硬化下垫面——非硬化下垫面——非硬化下垫面——非硬化下垫面——硬化下垫面——非硬化下垫面——硬化下垫面——非硬化下垫面——硬化下垫面。结合图3的温度监测图可以看到，在每个非硬化下垫面类型与硬化下垫面类型的交界处，地表温度有上升趋势；在每个硬化下垫面类型与非硬化下垫面类型的交界处，地表温度有下降趋势，表现在图上出现一个一个小尖峰。由此可见，本发明在空间分辨率上可以满足对城市空间里街区尺度下高度异质性下垫面类型地表温度的识别。不同类型下垫面地表温度的差异也和实时天气情况、空气湿度以及太阳是否直射等有关。

本发明的光纤在铺设时需要把握一些技术要点(注意事项)：

对于常规应用，本发明的装置需要工作人员三人，预计布设设备时间为30分钟，包括(1)布设信号处理单元及笔记本电脑10分钟；(2)布设光纤10分钟；(3)校正光纤测温起点与实际位置对应关系8分钟；(4)测量参考温度t02分钟。预计监测时间可以根据实际需求及电源情况灵活调整。预计收回时间20分钟，包括：(1)信号处理单元及笔记本电脑的收回10分钟；(2)光纤的收回10分钟。但上述数据只是参考，并不用于限制本发明。

在实践过程中，本发明的基于光纤的城市街区热环境监测装置及方法在具体使用过程中，应注意以下使用要点：

光纤相对来说比较脆弱，即使外面有保护层，但在强烈的压力或扭力条件下，仍然有断裂的风险，造成不能正常测温，影响测量的精确度和稳定性，因此在实际操作过程中，光纤应该尽量避免来回挤压、泡水、拉扯、扭曲等可能对测温光纤造成损害的操作，作用于光纤上的拉力不应超过100牛顿，光纤弯折弧度半径不能小于20厘米。避免因为硬件问题影响到监测数据的质量。

出于节省数据存储空间的考虑，数据存储时要手动选择时间起点和终点，还有时间间隔，并选择数据文件的存储路径。

参考温度是在光纤测温过程中的关键指标之一，要得出光纤各点的实际温度，必须将测量位置的散射信号强度与参考温度所在位置的散射信号强度作对比，所以参考温度值会影响系统测温的精度(影响绝对值不影响相对值)，在实际测量过程中一定要合理选择参考温度测量点，保持参考温度的精确性，减少参考温度的测量误差。

由于基于光纤的城市街区热环境监测装置成本比较高，但出于监测小尺度城市热环境的需求，会经常移动位置、重复测温，在移动过程中应将信号处理单元放置在专用的防水、防尘、防摔的仪器箱内，并保持输入电压稳定、接地良好，以保证信号处理单元内的精密器件不会受到损害。

基于热环境监测可能需要连续长时间在户外工作，监测系统的信号处理单元应尽可能布设在光照条件较好的点位或者有电源的园区内，以保障数据处理单元的能量供应，防止由于没电导致基于光纤的城市街区热环境监测系统无法正常工作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。