基于光纤的环境温度监测装置及方法制造方法及图纸

一种基于光纤的环境温度监测装置及方法，该监测装置包括：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。本发明专利技术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，获得待测环境的温度信息。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤的环境温度监测装置及方法
本专利技术涉及光纤传感
，尤其涉及一种基于光纤的环境温度监测装置及方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术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，作为本专利技术的一个方面，本专利技术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。作为本专利技术的另一个方面，本专利技术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，本专利技术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)本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术的测温光纤的三种水平布设方式；图5是本专利技术的数据存储与处理流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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：本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.根据权利要求1所述的环境温度监测装置，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的环境温度监测装置，其特征在于，所述检测单元中包括分光模块，用于滤除瑞利散射光。4.根据权利要求1所述的城市热环境监测装置，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的环境温度监测装置，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的环境温度监测装置，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：董仁才，张雪琦，邓红兵，吴钢，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11