CN110231106A - 一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法，本发明通过温度解调原理获得斯托克斯光与反斯托克斯光衰减系数差方程，通过拟合曲线获得衰减系数差关于温度的拟合曲线方程，通过拟合曲线方程与光通量之比，得出温度解调方程，解调后实现温度的初步修正，再结合斯托克斯光与反斯托克斯光信号与瑞利噪声的关系，解出瑞利噪声，进一步获得修正后的温度解调公式，解调后实现再次修正，达到温度自修正的目的，与传统方法消除瑞利噪声相比较提高了温度修正量，实现了温度的精确测量，避免了将斯托克斯光与反斯托克斯光衰减系数近似相等处理带来的误差问题，满足了煤矿采空区及相邻老空区温度的精确检测。

Description

一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法

技术领域

本发明涉及光纤传感仪器技术领域，具体涉及一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法。

背景技术

随着经济持续高速的发展，我国对能源的需求越来越大，为了保证煤矿的开采安全，防止自燃发火，必须对煤矿采空区和相邻老空区温度进行检测，目前煤矿自燃温度监测采用的分布式光纤拉曼测温系统，由于拉曼散射光中斯托克斯光和反斯托克斯光对温度的敏感不同，通过比值解调法结合光时域反射技术准确测量出光纤上各个点的位置及温度信息，实现对光纤温度场的检测。

由于光纤中斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光的波长不同会产生本质损耗，光纤弯曲，应力及环境温度变化会产生附加损耗，因此斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光衰减不同，而在温度解调时，往往将两者进行近似相等处理或直接使用经验值，这使解调结果产生较大误差，故需要一种新的方法克服衰减系数带来的温度误差问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法，具备了在温度解调时用拟合衰减差代替本质损耗和附加损耗的优点，解决了将两个衰减系数进行近似相等处理带来的误差问题。

一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法，温度修正方法包括以下步骤；

步骤(1)：取一根总长L的单模光纤作为传感光纤6，将传感光纤6上的长度相等的光纤段Ⅰ8和光纤段Ⅱ9置于恒温箱7中，光纤段Ⅰ8的中心点与传感光纤6首端的距离和光纤段Ⅱ9的中心点与传感光纤6末端的距离相等，传感光纤6的其他部分置于室温环境下，设置恒温箱7的温控范围，并按相同温度间隔从温控范围最小值依次递增至最大值，通过分布式光纤拉曼测温系统测出每次温度变化后对应的输出信号值；

步骤(2)：根据光纤段Ⅰ8和光纤段Ⅱ9中的斯托克斯光通量与反斯托克斯光通量之比，获得斯托克斯与反斯托克斯光的衰减系数差方程，根据输出信号值及衰减差方程，获得衰减差与温度的关系图，拟合后获得衰减差关于温度的拟合曲线方程；

步骤(3)：根据斯托克斯光与反斯托克斯光的光通量之比及其衰减差关于温度的拟合曲线方程，可获得引入拟合衰减差的温度解调方程，并通过该方程获得两段光纤所测温度值；

步骤(4)：所述的光纤段Ⅰ8和光纤段Ⅱ9所处环境相同，避免了环境变化引起的瑞利噪声的衰减系数的变化，且在脉冲光源的参数、探测器所处的环境及光纤的种类确定后，斯托克斯及反斯托克斯光中所含瑞利噪声可以看作为定值，从而获得斯托克斯及反斯托克斯光通量与瑞利噪声的关系方程；

步骤(5)：根据光纤段Ⅰ8和光纤段Ⅱ9的位置、输出信号值中的三组数据及解调出的温度值，通过引入拟合衰减差的温度解调方程和光通量与瑞利噪声的关系方程，获得瑞利噪声值；

步骤(6)：根据引入拟合衰减差的温度解调方程和光通量与瑞利噪声的关系方程，结合瑞利噪声值，获得最终的引入拟合衰减差及进一步消除瑞利噪声的温度解调方程。

优选地，光纤中斯托克斯光通量与反斯托克斯光通量之比为：

步骤(2)中斯托克斯与反斯托克斯光的衰减系数差方程为：

步骤(2)中衰减差关于温度的拟合曲线方程为：

Δα＝kT+b；

步骤(3)中引入拟合衰减差的温度解调方程为：

其中，φ_st为斯托克斯光通量，φ_as为反斯托克斯光通量；l为光纤上某测量点的距离，L为测温光线总长，C为常量，包括探测器的探测效率，相对拉曼增益等；K_B为玻尔兹曼常数，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移，α_st为斯托克斯光衰减系数，α_as为反斯托克斯光衰减系数，T为所测温度值，k,b为拟合曲线的多项式系数。

优选地，步骤(4)中斯托克斯及反斯托克斯光通量与瑞利噪声的关系方程为：

φ_st(l)＝φ_tst(l)+φ_rst，

φ_as(l)＝φ_tas(l)+φ_ras；

步骤(6)中最终的引入拟合衰减差及进一步消除瑞利噪声的温度解调方程为：

其中φ_rst为斯托克斯光所含的瑞利噪声，φ_ras为反斯托克斯光所含的瑞利噪声。

与现有技术相比，其有益效果体现在：

本发明通过温度解调原理获得斯托克斯光与反斯托克斯光衰减系数差方程，通过拟合曲线获得衰减系数差关于温度的拟合曲线方程，通过拟合曲线方程与光通量之比，得出温度解调方程，解调后实现温度的初步修正，再结合斯托克斯光与反斯托克斯光信号与瑞利噪声的关系，解出瑞利噪声，进一步获得修正后的温度解调公式，解调后实现再次修正，与传统方法消除瑞利噪声相比较提高了温度修正量，实现了温度的精确测量，避免了将斯托克斯光与反斯托克斯光衰减系数近似相等处理带来的误差问题，满足了煤矿采空区及相邻老空区温度的精确检测。

附图说明

图1为一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法的流程图；

图2为一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法的装置逻辑连接图；

图3为一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法的衰减差拟合曲线图；

图4为一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法的温度修正图。

附图中，各标号所代表的部件如下：

1、工业控制计算机，2、高速脉冲光源，3、1×3Ramman波分复用器，4、双通道DTS专用APD模组，5、高速数据采集卡，6、传感光纤，7、恒温水浴箱，8、光纤段Ⅰ，9、光纤段Ⅱ。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。

本发明提供一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法，如图1-4所示，一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法，温度修正方法包括以下步骤；

步骤(1)：取一根总长L的单模光纤作为传感光纤6，将传感光纤6上的长度相等的光纤段Ⅰ8和光纤段Ⅱ9置于恒温箱7中，光纤段Ⅰ8的中心点与传感光纤6首端的距离和光纤段Ⅱ9的中心点与传感光纤6末端的距离相等，传感光纤6的其他部分置于室温环境下，设置恒温箱7的温控范围，并按相同温度间隔从温控范围最小值依次递增至最大值，通过分布式光纤拉曼测温系统测出每次温度变化后对应的输出信号值；

步骤(2)：根据光纤段Ⅰ8和光纤段Ⅱ9中的斯托克斯光通量与反斯托克斯光通量之比，获得斯托克斯与反斯托克斯光的衰减系数差方程，根据输出信号值及衰减差方程，获得衰减差与温度的关系图，拟合后获得衰减差关于温度的拟合曲线方程；

步骤(3)：根据斯托克斯光与反斯托克斯光的光通量之比及其衰减差关于温度的拟合曲线方程，可获得引入拟合衰减差的温度解调方程，并通过该方程获得两段光纤所测温度值；

步骤(4)：所述的光纤段Ⅰ8和光纤段Ⅱ9所处环境相同，避免了环境变化引起的瑞利噪声的衰减系数的变化，且在脉冲光源的参数、探测器所处的环境及光纤的种类确定后，斯托克斯及反斯托克斯光中所含瑞利噪声可以看作为定值，从而获得斯托克斯及反斯托克斯光通量与瑞利噪声的关系方程；

步骤(5)：根据光纤段Ⅰ8和光纤段Ⅱ9的位置、输出信号值中的三组数据及解调出的温度值，通过引入拟合衰减差的温度解调方程和光通量与瑞利噪声的关系方程，获得瑞利噪声值；

步骤(6)：根据引入拟合衰减差的温度解调方程和光通量与瑞利噪声的关系方程，结合瑞利噪声值，获得最终的引入拟合衰减差及进一步消除瑞利噪声的温度解调方程，通过温度解调原理获得斯托克斯光与反斯托克斯光衰减系数差方程，通过拟合曲线获得衰减系数差关于温度的拟合曲线方程，通过拟合曲线方程与光通量之比，得出温度解调方程，解调后实现温度的初步修正，再结合斯托克斯光与反斯托克斯光信号与瑞利噪声的关系，解出瑞利噪声，进一步获得修正后的温度解调公式，解调后实现再次修正，达到温度自修正的目的，与传统方法消除瑞利噪声相比较提高了温度修正量，实现了温度的精确测量，避免了将斯托克斯光与反斯托克斯光衰减系数近似相等处理带来的误差问题，满足了煤矿采空区及相邻老空区温度的精确检测。

光纤中斯托克斯光通量与反斯托克斯光通量之比为：

步骤(2)中斯托克斯与反斯托克斯光的衰减系数差方程为：

步骤(2)中衰减差关于温度的拟合曲线方程为：

Δα＝kT+b；

步骤(3)中引入拟合衰减差的温度解调方程为：

其中，φ_st为斯托克斯光通量，φ_as为反斯托克斯光通量；l为光纤上某测量点的距离，L为测温光线总长，C为常量，包括探测器的探测效率，相对喇曼增益等；K_B为玻尔兹曼常数，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移，α_st为斯托克斯光衰减系数，α_as为反斯托克斯光衰减系数，T为所测温度值，k,b为拟合曲线的多项式系数。

步骤(4)中斯托克斯及反斯托克斯光通量与瑞利噪声的关系方程为：

φ_st(l)＝φ_tst(l)+φ_rst，

φ_as(l)＝φ_tas(l)+φ_ras；

步骤(6)中最终的引入拟合衰减差及进一步消除瑞利噪声的温度解调方程为：

其中，φ_rst为斯托克斯光所含的瑞利噪声，φ_ras为反斯托克斯光所含的瑞利噪声。

使用时，工控机通过串口控制高速脉冲光源2，高速脉冲光源2输出的脉冲光通过波分复用耦合滤波模块注入传感光纤6中，经过置入恒温箱7中的光纤段Ⅰ和光纤段Ⅱ，在传感光纤6中产生多种微弱背向散射光经1×3Ramman波分复用器3波分复用耦合滤波模块分离后得到对温度敏感的反斯托克斯拉曼散射光和对温度不敏感的斯托克斯拉曼散射光，双通道DTS专用APD模组4将接收到的两种微弱的散射光信号转换为电信号并放大，高速脉冲光源2在发出脉冲光的同时触发高速数据采集卡5，高速数据采集卡5开始对双通道DTS专用APD模组4输出地信号进行采集，然后将采集到的两路电信号传输至工控机1进行温度解调运算。

综上所述，本发明实施例本发明通过温度解调原理获得斯托克斯光与反斯托克斯光衰减系数差方程，通过拟合曲线获得衰减系数差关于温度的拟合曲线方程，通过拟合曲线方程与光通量之比，得出温度解调方程，解调后实现温度的初步修正，再结合斯托克斯光与反斯托克斯光信号与瑞利噪声的关系，解出瑞利噪声，进一步获得修正后的温度解调公式，解调后实现再次修正，与传统方法消除瑞利噪声相比较提高了温度修正量，实现了温度的精确测量，避免了将斯托克斯光与反斯托克斯光衰减系数近似相等处理带来的误差问题，满足了煤矿采空区及相邻老空区温度的精确检测，解决了将两个衰减系数进行近似相等处理带来的误差问题。

下面结合具体的实验数据对上述方案进行可行性验证，详见下文描述：

本发明验证实验为采用根总长170m的测温光纤6上分别与首尾两端距离25m的光纤段Ⅰ、Ⅱ放入恒温箱7，用恒温箱控制温度依次升高，获得输出信号值，解调出衰减系数差，拟合后得到衰减差关于温度的拟合曲线方程为：

Δα(T)＝7.8508×10^-7T-1.3532×10^-5

通过引入衰减差的温度解调公式解调出的温度如图4中的b曲线,a曲线为将衰减差做近似相等处理解调出的温度曲线，所解出的瑞利噪声φ_rst和φ_ras分别为62.5517、28.7723，最终的引入拟合衰减差及进一步消除瑞利噪声后解调的温度曲线如图4中的d曲线，c曲线为将衰减差做近似相等处理后消除瑞利噪声解调出的温度曲线。

如图4所示，可以看出引入拟合衰减差与未引入相比温度有明显提升，引入拟合衰减差后消除瑞利噪声与未引入消除瑞利噪声相比温度更接近真实值，所测温度得到修正，验证了本方法的可行性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法，其特征在于：温度修正方法包括以下步骤；

步骤1：取一根总长L的单模光纤作为传感光纤，将传感光纤上的长度相等的光纤段Ⅰ和光纤段Ⅱ置于恒温箱中，光纤段Ⅰ的中心点与传感光纤首端的距离和光纤段Ⅱ的中心点与传感光纤末端的距离相等，传感光纤的其他部分置于室温环境下，设置恒温箱的温控范围，并按相同温度间隔从温控范围最小值依次递增至最大值，通过分布式光纤拉曼测温系统测出每次温度变化后对应的输出信号值；

步骤2：根据光纤段Ⅰ和光纤段Ⅱ中的斯托克斯光通量与反斯托克斯光通量之比，获得斯托克斯与反斯托克斯光的衰减系数差方程，根据输出信号值及衰减差方程，获得衰减差与温度的关系图，拟合后获得衰减差关于温度的拟合曲线方程；

步骤3：根据斯托克斯光与反斯托克斯光的光通量之比及其衰减差关于温度的拟合曲线方程，可获得引入拟合衰减差的温度解调方程，并通过该方程获得两段光纤所测温度值；

步骤4：所述的光纤段Ⅰ和光纤段Ⅱ所处环境相同，避免了环境变化引起的瑞利噪声的衰减系数的变化，且在脉冲光源的参数、探测器所处的环境及光纤的种类确定后，斯托克斯及反斯托克斯光中所含瑞利噪声可以看作为定值，从而获得斯托克斯及反斯托克斯光通量与瑞利噪声的关系方程；

步骤5：根据光纤段Ⅰ和光纤段Ⅱ的位置、输出信号值中的三组数据及解调出的温度值，通过引入拟合衰减差的温度解调方程和光通量与瑞利噪声的关系方程，获得瑞利噪声值；

步骤6：根据引入拟合衰减差的温度解调方程和光通量与瑞利噪声的关系方程，结合瑞利噪声值，获得最终的引入拟合衰减差及进一步消除瑞利噪声的温度解调方程，通过该解调方程完成温度自修正。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法，其特征在于：光纤段Ⅰ和光纤段Ⅱ中斯托克斯光通量与反斯托克斯光通量之比为：

步骤2中斯托克斯与反斯托克斯光的衰减系数差方程为：

步骤2中衰减差关于温度的拟合曲线方程为：

Δα＝kT+b；

步骤3中引入拟合衰减差的温度解调方程为：

其中，φ_st为斯托克斯光通量，φ_as为反斯托克斯光通量；l为光纤上某测量点的距离，L为测温光线总长，C为常量，包括探测器的探测效率，相对喇曼增益等，K_B为玻尔兹曼常数，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移，α_st为斯托克斯光衰减系数，α_as为反斯托克斯光衰减系数，T为所测温度值，k、b为拟合曲线的多项式系数。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤拉曼测温系统拟合衰减差的温度自修正方法，其特征在于：步骤4中斯托克斯及反斯托克斯光通量与瑞利噪声的关系方程为：

φ_st(l)＝φ_tst(l)+φ_rst

φ_as(l)＝φ_tas(l)+φ_ras；

步骤6中最终的引入拟合衰减差及进一步消除瑞利噪声的温度解调方程为：

其中，φ_rst为斯托克斯光所含的瑞利噪声，φ_ras为反斯托克斯光所含的瑞利噪声。