本发明涉及分布式光纤传感系统中的温度解调领域，具体是一种面向分布式光纤拉曼传感器的高精度温度解调方法。
背景技术
分布式光纤传感器是工业数据的来源，是实现智能化转型升级的基础。光纤传感技术具备大范围连续监测、加工空间精确定位、故障及时准确诊断以及良好的扩展升级能力，可应付结构复杂、功能日新月异的智能制造需求。由于传统电子传感系统接线繁复，系统使用过程中易受电磁干扰、雷击、潮湿天气干扰等各种问题，所以在诸多智能制造关键领域未能被广泛应用，连续精密测量亦无法普及。故此，新型光纤传感技术已经成为实现智能制造与工业生产链条网络化的关键技术。
在分布式光纤拉曼测温系统中，测温精度是系统性能的重要参数之一。目前分布式光纤拉曼传感器的测温精度基本维持在±1℃，但是随着科学技术的发展，一些工业监控领域对光纤传感系统的测温精度提出了更高方面的要求，例如石化反应堆、智能电网、隧道渗水的温度监测领域，要求测温精度需达到±0.1℃。在分布式光纤拉曼测温系统中，温度解调方法是实现光纤沿线温度高精度在线监测的关键技术。目前常用的温度解调方法是利用stokes后向散射光作为参考通道，利用anti-stokes后向散射光作为信号通道，然后利用这两种后向散射光的光强比值来解调光纤沿线的温度信息。但是光纤中的stokes和anti-stokes散射信号非常微弱，散射信息基本完全淹没在噪声中。系统是通过拉曼波分复用器(wdm)将anti-stokes和stokes信号分离出来，如果wdm不能很好地实现滤光作用，那么会有部分的瑞利散射光掺杂在拉曼散射光中，由于anti-stokes信号强度过于微弱，残留的瑞利散射光成分将会成为系统严重的噪声干扰。目前，实际工程中使用的拉曼波分复用器通常能提供35～40db的隔离度，已经基本达到人们对高隔离度的要求。对于光纤中的布里渊散射光，经过波分复用器后，其强度比拉曼散射光弱了好几个数量级，对系统的温度信息提取已经难以造成干扰，可以忽略不计，因此这部分未被wdm滤掉的瑞利散射光会和anti-stokes散射光一同输出，并通过光电探测器和数据采集卡，此时系统采集到的数据实际包含两种成分：anti-stokes散射信号和瑞利散射信号。这种情况下，使用系统检测的数据直接进行温度解调显然会受到瑞利光噪声的影响，与真实情况存在一定程度的误差，使其测温精度难以达到±0.1℃，要想进一步提高系统的测温精度，必须提出针对性的数据处理算法，因此，消除瑞利噪声的干扰已经成为实现光纤沿线高精度检测的关键技术问题。
基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，以解决瑞利噪声对光纤拉曼传感系统温度解调的影响，导致系统测温精度降低的问题。
技术实现要素：
本发明为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统由于瑞利噪声干扰等现象导致系统测温精度急剧下降的问题，提出了一种面向分布式光纤拉曼温度传感系统的高精度温度解调方法，使其测温精度有望达到±0.1℃。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种面向光纤拉曼温度传感系统的温度解调方法，包括如下步骤：
步骤一、搭建上述面向分布式光纤拉曼传感系统的高精度温度检测装置
该装置包括脉冲激光器、wdm、2个apd、2个lna、数据采集卡、计算机；其中，脉冲激光器的输出端与wdm的输入端连接；wdm的2个输出端分别与第一apd和第二apd的输入端连接；第一apd的输出端与第一lna的输入端连接；第二apd的输出端与第二lna的输入端连接；第一lna和第二lna的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接；wdm的公共端与待测传感光纤的输入端连接。
步骤二、定标阶段stokes光和anti-stokes光的信号处理
脉冲激光器发出的激光脉冲经wdm入射到待测传感光纤，激光脉冲在多模传感光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得多模传感光纤的各个位置均产生的stokes光和anti-stokes光；其中在光纤中产生的后向stokes光和anti-stokes光经wdm首先分别到达第一apd、第一lna和第二apd、第二lna进行光电转换和放大，最后进入高速采集卡和计算机进行数据采集得到光纤沿线的stokes光和anti-stokes光的位置和光强信息。
在测温前，需将全部传感光纤放置在恒温下进行定标处理，定标阶段总共进行两次定标过程。数据采集卡第一次定标阶段得到anti-stokes光和stokes光的后向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，ks、ka和kr为与光纤散射端截面有关的系数，vs、va和v0为斯托克斯光、反斯托克斯光和入射光的频率，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，δv为光纤的拉曼频移量为13.2thz，αs、αa、α0分别为stokes光、anti-stokes光和瑞利散射光在光纤中单位长度下的衰减系数；tc0表示第一次定标阶段待测传感光纤的温度值；l表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离，p0为入射光的强度。
数据采集卡第二次定标阶段得到anti-stokes光和stokes光的后向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，tc1表示第二次定标阶段待测传感光纤的温度值。
步骤三、测量阶段stokes光和anti-stokes光的信号处理
数据采集卡测量阶段得到anti-stokes光和stokes光的后向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，t表示测量阶段待测传感光纤l处的温度值。
步骤四、面向分布式光纤拉曼传感系统的高精度温度解调方法
公式(3)减去公式(1)可得：
公式(3)减去公式(2)可得：
公式(4)与公式(5)做比值可得：
公式(6)化解后可得
与现有分布式光纤传感系统相比，本发明所述的面向光纤拉曼传感系统的自校准温度检测装置及温度解调方法具有如下优点：
第一、本发明在无增加任何器件的基础上，创造性的利用两次定标数据和测温数据进行温度解调，避免了瑞利噪声对测温结果的影响，有望使其测温精度达到±0.1℃以内。
第二、本发明的定标阶段在测量阶段的前期进行，定标完成后，后续测量时期无需重复进行定标，加快了分布式光纤传感系统更加便捷的面向工业化的进程。
本发明设计合理，有效解决了现有分布式光纤拉曼测温系统中的由于瑞利光串扰导致系统的测温精度低的问题，有望使其测温精度达到±0.1℃以内，适用于分布式光纤拉曼测温系统。
附图说明
图1表示本发明中面向分布式光纤拉曼传感系统的高精度检测装置示意图。
图中：1-脉冲激光器，2-wdm(波分复用器1550nm/1450nm/1650nm)，3-待测传感光纤，4-第一apd(雪崩光电二极管)，5-第二apd(雪崩光电二极管)，6-第一lna(低噪放大器)，7-第二lna(低噪放大器)，8-高速数据采集卡，9-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种面向分布式光纤拉曼传感系统的高精度温度解调方法由以下装置来实现。该装置包括1550nm大功率脉冲激光器、波分复用器(wdm)、2个雪崩光电二极管(apd)、2个低噪放大器(lna)、待测传感光纤(普通多模光纤)、数据采集卡和计算机。
具体方法分为以下四个步骤。
步骤一、搭建面向分布式光纤拉曼传感系统的高精度温度检测装置
如图1所示，光纤拉曼测温仪包括脉冲激光器、wdm、2个apd、2个lna、数据采集卡、计算机；其中，脉冲激光器1的输出端与wdm2的输入端连接。待测传感光纤3的输入端与wdm2的公共端连接。wdm2的2个输出端分别与第一apd4和第二apd5的输入端连接；第一apd4的输出端与第一lna6的输入端连接；第二apd5的输出端与第二lna7的输入端连接；第一lna6和第二lna7的输出端与数据采集卡8的输入端连接；数据采集卡8的输出端与计算机9的输入端连接。
具体实施时，脉冲激光器的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为8khz。wdm的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm。apd的带宽为100mhz、光谱响应范围为900～1700nm。lna的带宽为100mhz。数据采集卡的通道数为4、采样率为100m/s、带宽为100mhz。待测传感光纤为普通多模光纤。
步骤二、定标阶段stokes光和anti-stokes光的信号处理
启动光纤拉曼测温仪，大功率脉冲激光器发出的激光脉冲经wdm入射到待测传感光纤；激光脉冲在待测传感光纤中传播时发生自发拉曼散射，由此使得多模传感光纤的各个位置均产生的stokes光和anti-stokes光。
其中，stokes光依次经wdm、第一apd、第一lna入射到数据采集卡，数据采集卡对stokes光进行模数转换，由此得到stokes光的光强曲线。
anti-stokes光依次经wdm、第二apd、第二lna入射到数据采集卡，数据采集卡对anti-stokes光进行模数转换，由此得到anti-stokes光的光强曲线。
在测温前，需将全部传感光纤放置在恒温下进行定标处理，定标阶段总共进行两次定标过程。数据采集卡第一次定标阶段得到anti-stokes光和stokes光的后向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，ks、ka和kr为与光纤散射端截面有关的系数，vs、va和v0为斯托克斯光、反斯托克斯光和入射光的频率，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，δv为光纤的拉曼频移量为13.2thz，αs、αa、α0分别为stokes光、anti-stokes光和瑞利散射光在光纤中单位长度下的衰减系数；tc0表示第一次定标阶段待测传感光纤的温度值；l表示该位置与多模传感光纤的前端之间的距离，p0为入射光的强度。
数据采集卡第二次定标阶段得到anti-stokes光和stokes光的后向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，tc1表示第二次定标阶段待测传感光纤的温度值。
步骤三、测量阶段stokes光和anti-stokes光的信号处理
数据采集卡测量阶段得到anti-stokes光和stokes光的后向散射光强曲线，其光强比值表示为：
式中，t表示测量阶段待测传感光纤l处的温度值。
步骤四、面向分布式光纤拉曼传感系统的高精度温度解调方法
公式(10)减去公式(8)可得：
公式(10)减去公式(9)可得：
公式(12)与公式(11)做比值可得：
公式(13)化解后可得
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。