一種雙端注入環形結構的拉曼傳感測溫系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及測溫系統及方法，尤其設及一種雙端注入環形結構的拉曼傳感測溫系 統及方法。
【背景技術】
[0002] 分布式拉曼光纖傳感器具有長距離分布式測量、抗電磁干擾、體小質輕等許多優 點，在城市煤氣管道、輸電/通信電纜、水庫大巧、橋梁、隧道、高速公路等許多需要實時溫 度監測的領域中具有廣泛應用。傳統的拉曼光纖傳感方案采用單端注入方式，同時探測自 發拉曼散射中的斯托克斯光和反斯托克斯信號，利用二者的比值進行溫度解調。
[0003] 其中，反斯托克斯光功率為：
[0007] 式（1)、（2)中，Cas、Cs分別是與入射功率、反斯托克斯波長/斯托克斯波長和拉曼 散射捕獲因子有關的常數，h為普朗克常數，k為玻爾茲曼常數，AV為拉曼散射光與入射 光的頻率差，aAS、aS和aP分別為反斯托克斯光、斯托克斯光和累浦光與位置、波長相關的 損耗值，T(z)是與位置相關的溫度。
[0008] 反斯托克斯信號與斯托克斯信號的比值為：
[0010] 其中，Ck是與拉曼散射波長和拉曼散射捕獲因子有關的常數。
[0011] 運種單端注入的方式在實際應用中能方便地進行傳感光纖布局。然而，由于斯托 克斯光和反斯托克斯光在光纖中傳輸存在波長相關損耗，傳感系統得到的測溫曲線并不能 完全真實地反應光纖沿線溫度信息。在實際應用中，環境變化也會使傳感光纖波長相關損 耗和局部損耗隨時變化，導致傳感系統解調出來的測溫曲線發生緩慢、不易察覺的測量誤 差，因此拉曼散射光功率不僅與傳感光纖溫度相關，在實際應用中，由于存在入射光波長 漂移、傳輸損耗、局部損耗（光纖烙接、彎曲等）、惡劣環境下光纖老化等影響，式（3)中的 a AS (X) - a S (X)是隨時間變化的，運種變化反應在拉曼散射功率的測量值上，將增大測溫誤 差D
【發明內容】
[0012] 本發明提供了一種于分布式拉曼光纖的測溫系統及方法，其克服了【背景技術】中所 述的現有技術的不足。
[0013] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案之一是：
[0014] 一種雙端注入環形結構的拉曼傳感測溫系統，它包括光源、波分復用器、光電轉換 模塊、傳感光纖和信號采集處理模塊，所述光源與波分復用器光信號連接，所述光電轉換模 塊與波分復用器光信號連接并與數據采集處理模塊電信號連接；還包括1x2光開關，所述 傳感光纖的首尾兩端分別與所述1x2光開關對應連接并使所述傳感器光纖呈環形結構布 置，所述波分復用器與所述1x2光開關連接，通過1x2光開關分時切換接通所述傳感光纖的 首端或尾端光通路。
[0015] 一實施例之中：還包括自校正裝置，該自校正裝置包括一溫控模塊和傳感光纖上 的部分光纖段，該部分光纖段處于該溫控模塊控制的恒溫狀態下。
[0016] 一實施例之中：所述部分光纖段繞制形成光纖環。
[0017] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案之二是：
[0018] 一種雙端注入環形結構的拉曼傳感測溫方法，基于方案之一所述的一種雙端注入 環形結構的拉曼傳感測溫系統，它包括如下測量步驟：
[0019] 步驟1，所述光源發出累浦光并通過光開關分時注入傳感光纖的首尾兩端，并相應 地從傳感光纖的首端和尾端分別獲得前向反斯托克斯信號和后向反斯托克斯信號，則所述 前向反斯托克斯信號為：
[0021] 所述后向反斯托克斯信號為：
[0023] 將上述兩式相乘并取幾何平均可得環形反斯托克斯信號為：
和拉曼散射捕獲因子相關的常數，h為普朗克常數，k為玻爾茲曼常數，AV為拉曼散射光 與入射光的頻率差，aA,和aP分別為反斯托克斯光和累浦光與位置、波長相關的損耗值， T(Z)是與位置相關的溫度，L為傳感光纖的總長度；
[0026] 步驟2,取一條光纖溫度已知的拉曼散射曲線IVhw(Z，T。）對(Z)進行定標， 得到解調傳感光纖溫度隨位置的變化關系為： CN105115621A 說明書 3/8 頁
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[0028] 一實施例之中：還包括，
[0029] 步驟3,若aAs(x)和ap(x)是隨時間不斷變化的，那么引入隨時間變化的 曰AS(X，t)和aP(X，t)，則環形反斯托克斯信號為：
[0031] 取一條光纖溫度已知的拉曼散射曲線用于對
進行參 考定標，可得：
陽〇3引其中：Pas_lwP(Z，t。）是在時間t。測得的光纖溫度T。的拉曼散射曲線；
[0034] 步驟4，取傳感光纖中的部分光纖段置于恒溫狀態，對
/作進一步參考定標，可得下式：
[0036] 其中：Z。為部分光纖段位置，T。為t。時刻恒溫狀態下部分光纖段的溫度。
[0037]步驟5,根據步驟3和步驟4,整理得在aAS(X)和aP(X)是隨時間不斷變化的情 況下，該傳感光纖溫度隨位置的變化關系為：
[0040] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案之=是：
[0041] 一種雙端注入環形結構的拉曼傳感測溫方法，基于方案之一所述的一種雙端注入 環形結構的拉曼傳感測溫系統，其中，傳感光纖的首端和尾端之間具有斷裂處，根據已知的 上一時刻的傳感光纖溫度隨位置的變化曲線T(Z，ti)、前向反斯托克斯信號(Z，ti)和 后向反斯托克斯信號Pasjgek(z，ti)并W此為按比變換基準，獲得當前時刻的傳感光纖溫度 隨位置的變化為： CN105115621A說明書 4/8頁
[0045]本技術方案與【背景技術】相比，它具有如下優點：
[0046] 1、通過將前向反斯托克斯信號與后向反斯托克斯信號相乘求幾何平均后，傳感光 纖上的每個點的損耗都是
即光纖各處損耗與位置無關，說 明本發明所述系統與測量方法可W消除靜態波長相關損耗和局部損耗，提高測量精度。
[0047] 2、在傳感光纖上設恒溫光纖環（部分光纖段置于恒溫狀態），該恒溫光纖環處的 環形反斯托克斯信號可實時獲取，且位置和溫度已知，將該恒溫光纖環作為隨時間變化的
相關損耗 的參考定標來進行自校正和歸一化，進一步提高測 量精度。
[0048] 3、當方案之一中所述的分布式拉曼光纖的測溫系統中傳感光纖的首端和尾端之 間具有斷裂處，根據已知的上一時刻的傳感光纖溫度隨位置的變化曲線T(z，ti)、前向反斯 托克斯信號(Z，ti)和后向反斯托克斯信號PAsjgtk(Z，ti)并W此為按比變換基準，仍然 可獲得當前時刻的傳感光纖溫度隨位置的變化曲線，通過該方法可對傳感光纖出現斷裂時 起到應急測溫的作用，提高本測量系統的實用性。
[0049] 4、該系統和方法只需測量反斯托克斯信號，系統結構簡單，選用器件少，成本低， f目噪比局。
【附圖說明】
[0050] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0051] 圖1繪示了雙端注入環形結構的分布式拉曼光纖傳感測溫系統的系統框圖。
[0052] 圖2繪示了前向和后向的歸一化反斯托克斯信號圖。
[0053] 圖3繪示了經過幾何平均的環形反斯托克斯信號。
[0054] 圖4繪示了經過定標的環形反斯托克斯信號。 陽化5] 圖5繪示了不同溫度下經過定標的環形反斯托克斯信號。
[0056] 圖6繪示了不同溫度下解調得到的傳感光纖溫度曲線。
[0057] 圖7(a)繪示了加3地衰減的前向和后向反斯托克斯信號。 陽化引圖7化）繪示了校正和未校正的溫度解調曲線。
[0059] 圖8(a)繪示了傳感光纖出現斷裂時的前向和后向反斯托克斯信號。
[0060]圖8(b)繪示了單端注入單通道解調的溫度曲線。
【具體實施方式】
[0061] 請查閱圖1，為消除【背景技術】中所述的光纖損耗因素對測溫的影響，本發明采用 雙端注入的環形結構搭建雙端注入環形結構的拉曼傳感測溫系統，該系統包括光源、波分 復用器、光電轉換模塊、傳感光纖和信號采集處理模塊，光源與波分復用器光信號連接，光 電轉換模塊與波分復用器光信號連接并與數據采集處理模塊電信號連接；還包括1x2光開 關，傳感光纖的首尾兩端分別與所述1x2光開關對應連接并使所述傳感器光纖呈環形結構 布置，波分復用器與所述1x2光開關連接，通過1x2光開關分時切換打開與關閉來對應切換 接通所述傳感光纖的首端或尾端光通路。
[0062] 該測溫系統還包括自校正裝置，該自校正裝置包括一溫控模塊和傳感光纖上的部 分光纖段，該部分光纖段處于該溫控模塊控制的恒溫狀態下。較佳方案中，該部分光纖段繞 制形成光纖環。
[0063] 將光源發出的累浦脈沖分時注入傳感光纖首端和尾端，并相應地從首端和尾端獲 得反斯托克斯信號。若從首端散射回來的反斯托克斯信號稱為前向反斯托克斯信號，從尾 端散射回來的反斯托克斯信號稱為后向反斯托克斯信號，則有：
[0064] 前向反斯托克斯信號為：
[0071] 對無法確定的(Z)，需要采用一條光纖溫度已知的拉曼散射曲線 u"p(z，T。）進行定標，得到解調公式如下：
[007引從式（6)可知，光纖上每個點的損耗都是
運說明光 纖各處損耗與位置無關，說明雙端注入環形結構傳感系統可W消除靜態波長相關損耗和局 部損耗，運是雙端注入環形結構傳感系統與傳統單端注入傳感系統的關鍵區別。
[0074] 式（7)是在不考慮aAs(x)和ap(x)變化的情況下得到的，利用上式進行測溫只 能保證系統在較短的時間內穩定工作。由于環境變化會使傳感光纖波長相關損耗和局部損 耗隨時變化，使測溫曲線發生緩慢、不易察覺的測量誤差，為使系統長時間穩定可靠工作， 需要引入隨時間變化的aAS(x，t)和ap(x，t)，并對此變化因素進行校正解調。公式（6)變 為：
[0076] W-條光纖溫度已知的拉曼散射曲線進行定標，可得：
[007引式（9)中，Pas