光纤温度信号解调方法、装置及光纤温度解调仪与流程

本发明涉及光纤温度解调仪技术领域，具体而言，涉及一种光纤温度信号解调方法、装置及光纤温度解调仪。

背景技术：

现有的基于拉曼散射原理的温度测量仪器利用光的拉曼散射效应来测量光纤内的温度值。温度测量仪器发射激光信号在光纤中传播，会反向反射回温度测量仪器，通过反射回的信号中的斯托克斯信号及反斯托克斯信号可以确定光纤的温度值。

然而，现有的基于拉曼散射效应的温度测量仪器中，仅仅考虑了由于光纤材料对光的衰减、微弯引入的衰减、注入光脉冲功率的变化及温度测量仪器对光信号响应的差异等问题造成的温度值测量误差，未考虑斯托克斯信号及反斯托克斯信号自身的差异对温度值造成的影响。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种光纤温度信号解调方法、装置及光纤温度解调仪，以解决现有技术的不足。

根据本发明的一个实施方式，提供一种光纤温度信号解调方法，该方法包括：

获取拉曼散射光子信号，其中，所述拉曼散射光子信号包括斯托克斯信号与反斯托克斯信号；

将所述斯托克斯信号转换为第一电流信号，及将所述反斯托克斯信号转换为第二电流信号；

对所述第一电流信号及所述第二电流信号进行调试，以使所述第一电流信号的波形与所述第二电流信号的波形在预定时间区间内的重合程度达到预设重合阈值；

根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值。

在上述的光纤温度信号解调方法中，所述“获取拉曼散射光子信号”包括：

获取激光在光纤中的反射信号；

将所述反射信号进行傅里叶变换得到频域的反射信号，根据拉曼散射光子信号的频谱范围在所述频域的反射信号中获取拉曼散射光子信号。

在上述的光纤温度信号解调方法中，所述“获取拉曼散射光子信号”之后还包括：

根据预先建立的噪声模型对获取的所述拉曼散射光子信号进行去噪处理，其中，所述噪声模型通过对预先设定的预设个数的拉曼散射光子信号中的噪声进行学习得到。

在上述的光纤温度信号解调方法中，所述“根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值”包括：

在所述重合程度达到预设重合阈值部分波形中预先设定参考位置；

根据所述参考位置的温度值、所述参考位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量及待测位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量计算所述待测位置的温度值。

在上述的光纤温度信号解调方法中，通过以下公式计算所述待测位置的温度值：

其中，t为待测位置的温度值，t0为参考位置的温度值，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，δv为光纤的拉曼声子频率，为一常数，φs(t)为所述待测位置对应的斯托克斯信号光通量，φas(t)为所述待测位置对应的反斯托克斯信号光通量，φs(t0)为所述参考位置对应的斯托克斯信号光通量，φas(t0)为所述参考位置对应的反斯托克斯信号光通量。

在上述的光纤温度信号解调方法中，还包括：

根据所述激光的发射时间及所述反射信号的达到时间确定所述待测位置。

在上述的光纤温度信号解调方法中，所述“根据所述激光的发射时间及所述反射信号的达到时间确定所述待测位置”包括：

根据所述激光的发射时间及所述反射信号的达到时间确定所述激光信号在所述光纤中的传播距离；

根据所述激光的发射位置及所述传播距离确定所述待测位置。

根据本发明的另一个实施方式，提供一种光纤温度信号解调装置，该装置包括：

获取模块，用于获取拉曼散射光子信号，其中，所述拉曼散射光子信号包括斯托克斯信号与反斯托克斯信号；

转换模块，用于将所述斯托克斯信号转换为第一电流信号，及将所述反斯托克斯信号转换为第二电流信号；

调试模块，用于对所述第一电流信号及所述第二电流信号进行调试，以使所述第一电流信号的波形与所述第二电流信号的波形在预定时间区间内的重合程度达到预设重合阈值；

计算模块，用于根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值。

根据本发明的又一个实施方式，提供一种光纤温度解调仪，所述光纤温度解调仪包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述光纤温度解调仪执行上述的光纤温度信号解调方法。

根据本发明的再一个实施方式，提供一种计算机可读存储介质，其存储有上述的光纤温度解调仪中所使用的所述计算机程序。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括如下有益效果：

本发明中一种光纤温度信号解调方法、装置及光纤温度解调仪，对斯托克斯信号及反斯托克斯信号对应的电流信号的波形进行调试，以消除斯托克斯信号及反斯托克斯信号的自身的差异对温度的影响；根据调试后的斯托克斯信号及反斯托克斯信号的光通量计算温度值，提高温度值计算精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明第一实施例提供的一种光纤温度信号解调方法的流程示意图。

图2示出了本发明第一实施例提供的一种反射信号的波形示意图。

图3示出了本发明第一实施例提供的一种调试后的第一电流信号和第二电流信号的波形示意图。

图4示出了本发明第二实施例提供的一种光纤温度信号解调方法的流程示意图。

图5示出了本发明第三实施例提供的一种光纤温度信号解调方法的流程示意图。

图6示出了本发明第四实施例提供的一种光纤温度信号解调装置的结构示意图。

主要元件符号说明：

400-光纤温度信号解调装置；410-获取模块；420-转换模块；430-调试模块；440-计算模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1示出了本发明第一实施例提供的一种光纤温度信号解调方法的流程示意图。

该光纤温度信号解调方法包括如下步骤：

在步骤s110中，获取拉曼散射光子信号。

由于拉曼散射产生的

进一步地，获取拉曼散射光子信号包括：

获取激光在光纤中的反射信号；将所述反射信号进行傅里叶变换得到频域的反射信号，根据拉曼散射光子信号的频谱范围在所述频域的反射信号中获取拉曼散射光子信号。

具体地，在测量光纤的温度值时，首先发射激光信号至待测温度的光纤中，激光信号在该光纤中传播，由于光纤的非结晶材料在微观空间的不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射光包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，其中，拉曼散射光子中的斯托克斯光子和非斯托克斯光子中携带的为光纤的温度值，是影响光纤温度分辨率的主要因素。

由于接收到的从光纤中反射回的反射信号中包括瑞利散射光子信号、布里渊散射光子信号及拉曼散射光子信号。由于瑞利散射光子信号的频谱范围与布里渊散射光子信号的频谱范围、拉曼散射光子信号的频谱范围不同，那么，可将接收到时域的反射信号进行傅里叶变换，得到频域的反射信号。

例如，可通过下式对时域的反射信号进行傅里叶变换：

其中，f(ω)为频域的反射信号，f(t)为时域的反射信号。

如图2所示为频域的反射信号的频谱曲线，根据瑞利散射光子信号的频谱范围、布里渊散射光子信号的频谱范围与拉曼散射光子信号的频谱范围可知，与入射的激光信号频率相同的谱线a1为瑞利散射光子信号的谱线，与瑞利散射光子信号的谱线a1邻近的两条谱线a2为布里渊散射光子信号的谱线，布里渊散射光子信号的谱线a2与瑞利散射光子信号的谱线a1的频差一般在10^-1～100cm量级。距离瑞利散射光子信号的谱线a1较远些的谱线为拉曼散射光子信号的谱线a31和a32。

在频域里，拉曼散射光子信号分为斯托克斯信号与反斯托克斯信号，斯托克斯信号的频率为：

vs＝v0-δv

其中，vs为斯托克斯信号的频率，v0为光纤中入射的激光信号的频率，δv为光纤声子的震动频率，其中，δv＝1.32×10¹³hz。

反斯托克斯信号的频率为：

va＝v0+δv

其中，va为反斯托克斯信号的频率。

根据斯托克斯信号的频率范围和反斯托克斯信号的频率范围确定斯托克斯信号的谱线a31和反斯托克斯信号的谱线a32。

在步骤s120中，将斯托克斯信号转换为第一电流信号，及将反斯托克斯信号转换为第二电流信号。

具体地，由于时域中的斯托克斯信号和反斯托克斯信号为均光信号，为了便于根据所述斯托克斯信号和反斯托克斯信号的参数计算温度值，可通过光电转换方式将所述斯托克斯信号能量传递给电子使其运动形成第一电流信号，将反斯托克斯信号能量传递给电子使其运动形成第二电流信号。

在步骤s130中，对第一电流信号及第二电流信号进行调试，以使第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预定时间区间内的重合程度达到预设重合阈值。

具体地，第一电流信号中包括对温度敏感的频率成分及对温度不敏感的频率成分；第二电流信号中同样包括对温度敏感的频率成分及对温度不敏感的频率成分。

如图3所示，第一电流信号中的对温度敏感的频率成分对应的波形为s31，对温度不敏感的频率成分对应的波形为n31；第二电流信号中对温度敏感的频率成分对应的波形为s32，对温度不敏感的频率成分对应的波形为n32。

值得注意的是，所述预定时间区域间可以为所述第一电流信号中对温度敏感的频率成分对应的时间区间，也可以是第二电流信号中对温度敏感的频率成分对应的时间区间，由于，斯托克斯信号和反斯托克斯信号为拉曼信号中的不同成分，所以，该第一电流信号中对温度敏感的频率成分对应的时间区间和第二电流信号中对温度敏感的频率成分对应的时间区间一致，比如图3中的δt1区间。另外，该预定时间区间还可以为属于δt1区间内的某一个子区间。

具体地，如图3所示，在预定时间区间δt1内，判断第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预定时间区间δt1内的重合程度是否达到预设重合阈值。

如果第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预定时间区间δt1内的重合程度没有达到预设重合阈值，可通过不断调节第一电流信号及第二电流信号的光电参数(比如偏置电压、增益等)，最终使该第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预定时间区间δt1内的重合程度达到预设重合阈值。

其中，在预定时间区间δt1内，所述重合程度与所述第一电流信号的波形与第二电流信号的波形之间的距离相关，所述第一电流信号的波形与第二电流信号的波形之间的距离越大，第一电流信号的波形和第二电流信号的波形的重合程度越小；所述第一电流信号的波形与第二电流信号的波形之间的距离越小，第一电流信号的波形和第二电流信号的波形的重合程度越大。

在步骤s140中，根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值。

进一步地，所述“根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值”包括：

在所述重合程度达到预设重合阈值部分波形中预先设定参考位置；根据所述参考位置的温度值、所述参考位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量及待测位置对应的斯托克斯信号光通量和反斯托克斯信号光通量计算所述待测位置的温度值。

进一步地，通过以下公式计算待测位置的温度值：

其中，t为待测位置的温度值，t0为参考位置的温度值，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，δv为光纤的拉曼声子频率，为一常数，φs(t)为所述待测位置对应的斯托克斯信号光通量，φas(t)为所述待测位置对应的反斯托克斯信号光通量，φs(t0)为所述参考位置对应的斯托克斯信号光通量，φas(t0)为所述参考位置对应的反斯托克斯信号光通量。

具体地，在第一电流信号中的对温度敏感的频率成分的波形s31与第二电流信号中的对温度敏感的频率成分的波形s32在预定时间区间δt1内重合程度达到预设重合阈值时，计算第一电流信号在波形重合程度达到预设重合阈值时对应的预定时间区间δt1内的参考位置处的光通量φs(t0)：

φs(t0)＝ks·s·vs⁴·φe·exp[-(α0+αs)·l]·rs(t0)

其中，ks为斯托克斯散射截面有关的系数，s为光纤的背向散射因子，vs为斯托克斯信号的频率，φe在光纤入射端的激光信号的光子通量，α0为入射激光信号的光纤传输损耗，αs为斯托克斯信号的光纤传输损耗，l为波参考位置，rs(t0)为与光纤分子低能级上的布居数有关的系数，与光纤l处的温度有关。

rs(t0)＝[1-exp(-hδv/kt0)]^-1

其中，h为普朗克常数，δv为光纤声子的震动频率，k为玻尔兹曼常数，t0为参考位置的温度值。

计算第二电流信号在波形重合程度达到预设重合阈值时对应的预定时间区间δt1内的参考位置处的光通量φas(t0)：

φas(t0)＝kas·s·va⁴·φe·exp[-(α0+αa)·l]·ras(t0)

其中，kas为与反斯托克斯散射截面有关的系数，va为反斯托克斯信号的频率，αa为反斯托克斯信号的光纤传输损耗，ras(t0)为与光纤分子高能级上的布居数有关的系数，与光纤l处的温度有关。

ras(t0)＝[exp(hδv/kt0)-1]^-1

同样，可通过以上方式计算第一电流信号在待测位置对应的光通量φs(t)及第二电流信号在待测位置对应的光通量φas(t)，本实施例中，所述光通量为所述电流信号的幅值。

实施例2

图4示出了本发明第二实施例提供的一种光纤温度信号解调方法的流程示意图。

该光纤温度信号解调方法包括如下步骤：

在步骤s210中，获取拉曼散射光子信号。

该步骤与步骤s110相同，在此不再赘述。

在步骤s220中，根据预先建立的噪声模型对获取的拉曼散射光子信号进行去噪处理。

具体地，由于拉曼散射光子信号中携带温度值的斯托克斯信号及反斯托克斯信号非常微弱，其中包含了大量的噪声，因此，如何实现对微弱的拉曼散射光子信号进行有效的处理，成为测量光纤温度过程中的一个非常重要的部分。

本实施例中，可预先对预设个数的拉曼散射光子信号中的噪声进行学习，将多个噪声通过拟合的方式得到拉曼散射光子信号对应的噪声模型。

在一些其他的实施例中，还可以预先建立噪声模型，该噪声模型可以为神经网络模型，通过预设个数的拉曼散射光子信号及该拉曼散射光子信号对应的噪声对该神经网络模型进行训练，得到训练好的噪声模型。

具体地，在获得噪声模型后，即拉曼散射光子信号中的噪声的分布规律。通过该噪声模型将拉曼散射光子信号中的噪声滤除，得到去噪后的拉曼散射光子信号。

在步骤s230中，将斯托克斯信号转换为第一电流信号，及将反斯托克斯信号转换为第二电流信号。

此步骤与步骤s120相同，在此不再赘述。

在步骤s240中，对第一电流信号及第二电流信号进行调试，以使第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预定时间区间内的重合程度达到预设重合阈值。

此步骤与步骤s130相同，在此不再赘述。

在步骤s250中，根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量和第二电流信号的光通量计算温度值。

此步骤与步骤s140相同，在此不再赘述。

实施例3

图5示出了本发明第三实施例提供的一种光纤温度信号解调方法的流程示意图。

该光纤温度信号解调方法包括如下步骤：

在步骤s310中，获取拉曼散射光子信号。

此步骤与步骤s110相同，在此不再赘述。

在步骤s320中，将斯托克斯信号转换为第一电流信号，及将反斯托克斯信号转换为第二电流信号。

此步骤与步骤s120相同，在此不再赘述。

在步骤s330中，对第一电流信号及第二电流信号进行调试，以使第一电流信号的波形与第二电流信号的波形在预定时间区间内的重合程度达到预设重合阈值。

此步骤与步骤s130相同，在此不再赘述。

在步骤s340中，根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值。

此步骤与步骤s140相同，在此不再赘述。

在步骤s350中，根据激光的发射时间及反射信号的到达时间确定待测位置。

进一步地，“根据激光的发射时间及反射信号的到达时间确定待测位置”包括：

根据所述激光的发射时间及所述反射信号的达到时间确定所述激光信号在所述光纤中的传播距离；根据所述激光的发射位置及所述传播距离确定所述待测位置。

具体地，在通过计算得到温度值后，还可以根据激光信号的发射时间、反射时间的到达时间及激光信号在真空中的传播速度计算该温度值对应的位置信息。

例如，可通过下式计算激光信号在光纤中的传播距离len：

其中，c为激光信号在真空中的传播速度，t为激光信号发射到反射信号接收之间的时间间隔，即激光信号的发射时间与反射信号的接收时间时间差值的绝对值，n为光纤的折射率。

在距离激光信号发射位置(即发射所述激光信号的器件所在的位置)的len处的位置即为待测位置。

实施例4

图6示出了本发明第四实施例提供的一种光纤温度信号解调装置的结构示意图。

该光纤温度信号解调装置400包括获取模块410、转换模块420、调试模块430及计算模块440。

获取模块410，用于获取拉曼散射光子信号，其中，所述拉曼散射光子信号包括斯托克斯信号与反斯托克斯信号。

转换模块420，用于将所述斯托克斯信号转换为第一电流信号，及将所述反斯托克斯信号转换为第二电流信号。

调试模块430，用于对所述第一电流信号及所述第二电流信号进行调试，以使所述第一电流信号的波形与所述第二电流信号的波形在预定时间区间内的重合程度达到预设重合阈值。

计算模块440，用于根据重合程度达到预设重合阈值的第一电流信号的光通量及第二电流信号的光通量计算温度值。

本发明还提供了一种光纤温度解调仪，所述光纤温度解调仪包括存储器及处理器，存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

所述处理器用于运行所述存储器中所存储的计算机程序以使所述光纤温度解调仪执行上述的实施例中的光纤温度信号解调方法或光纤温度信号解调装置中各模块的功能。

可选的，处理器可包括一个或多个处理单元；优选的，处理器可集成应用处理器，应用处理器主要处理操作系统、用户界面和应用程序等。处理器可以集成调制解调处理器，调制解调处理器也可以不集成到处理器中。

本领域技术人员可以理解，上述的光纤温度解调仪结构并不构成对光纤温度解调仪的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

本实施例还提供了一种计算机存储介质，用于储存上述光纤温度解调仪中使用的所述计算机程序。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。