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方案

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

A Temperature Self-Correction Method for Fitting Attenuation Difference of Distributed Optical Fiber Raman Temperature Measurement System

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及光纤传感仪器
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，φst为斯托克斯光通量，φas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；KB为玻尔兹曼常数，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移，αst为斯托克斯光衰减系数，αas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：φst(l)＝φtst(l)+φrst，φas(l)＝φtas(l)+φras；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φrst为斯托克斯光所含的瑞利噪声，φras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：本专利技术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专利技术做进一步解释说明。本专利技术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，再结合斯托克本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马天兵，訾保威，郭永存，凌六一，黄友锐，贾晓芬，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34