一种基于双端解调的分布式光纤测温系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双端解调的分布式光纤测温系统，包括光学结构，处理模块和光纤，利用双端解调克服了RDTS在实际应用中波长相关损耗的影响，同时利用光纤分区相关性降噪技术有效解决了双端解调得到的温度曲线信噪比的两端比中心部分低得多问题，进一步提升了RDTS的测温精度。该发明专利技术方法有助于提高分布式光纤测温系统在火灾探测，电力电缆检测以及核电站检测等特种环境中的整体性能。

A distributed optical fiber temperature measurement system based on two terminal demodulation

【技术实现步骤摘要】
一种基于双端解调的分布式光纤测温系统
本专利技术涉及一种分布式光纤传感系统，具体涉及一种基于双端解调的分布式光纤测温系统。
技术介绍
拉曼分布式温度传感器（RDTS）经过多年的研究，由于其与电气同性能设备相比所具有的众所周知的优势，在许多不同领域都得到了成功的应用,如火灾探测、电力电缆监测和泄漏检测。绝大多数RDTS系统都是基于对后向拉曼散射的反斯托克斯（AS）光信号和斯托克斯（S）光信号的光时域反射（OTDR）原理。其中单端RDTS代表了长距离中最常见的解决方案，但它在本质上受到由AS和S波长相关损耗（WDL）的影响；WDL随时间的缓慢变化实际上导致了解调温度曲线中缓慢且不可检测的失真。这通常是由于光纤老化造成的，但在特定的恶劣应用环境中，例如核电站监测中，这种情况会得到强烈的增强，其中电离辐射的存在会随着时间的推移显著地增加光纤损耗，并导致显著的WDL。研究还表明，在高温和潮湿环境中，纤维的降解会大大增加纤维的损耗。此外，在地热井应用中，由于高温和氢浓度的影响，光纤的WDL通常随时间而变化。为了在更广泛的领域中使用，优选的是通过没有昂贵的光源、滤波器和电路等的后处理来提高测量精度。可将切断不必要的信号频带的带通滤波器或基于设计的噪声模型提取有效信号频带的自适应滤波器用作降噪的后处理。但噪声的频带与信号分量的频带重叠，也就是说，在任何滤波过程中，信号分量随着噪声的抑制而衰减，并且即使为了抑制测量精度降低而执行滤波处理，信号分量本身也衰减，而且反斯托克斯光信号的噪声在远端变得特别大。在实际的RDTS系统中，WDL和本地损耗都必须被有效地考虑和消除，这可以通过使用交替的双端解调方案（也称为环路解调）来实现。在这种方案中，AS和S光信号在前向和后向获得，然后适当地取平均值。但双端解调也存在这样一个问题：解调温度曲线两端的信噪比比中心部分低得多。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是：如何克服RDTS在实际应用中波长相关损耗的影响，解决双端解调得到的温度曲线信噪比的两端比中心部分低得多的问题，进一步提升RDTS的测温精度，以满足其在更多复杂环境中应用的需求。本专利技术提出的问题是这样解决的：提供一种基于光纤分区相关性降噪的双端解调方案。具体的技术方案如下：一种基于双端解调的分布式光纤测温系统，包括光学结构，处理模块和光纤，其特征在于：所述光学结构被配置成从光输入到光纤的第一端时产生的后向散射光中检测第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号，从光输入到光纤的第二端时产生的后向散射光中检测第二斯托克斯光信号和第二反斯托克斯光信号；所述处理模块被配置成在包含光纤第一端的区域内，基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二斯托克斯光信号之间的第一相关性计算第一区域长度，基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二反斯托克斯光信号之间的第二相关性计算第二区域长度，平滑第一区域中的第二斯托克斯光信号，平滑第二区域中的第二反斯托克斯光信号，使用平滑后的第二斯托克斯光信号、平滑后的第二反斯托克斯光信号、第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号计算采样点的温度。进一步地，通过光开关将脉冲光交替地输入到光纤的第一端和第二端。进一步地，第一区域随着第一相关性变小而伸长，第二区域随着第二相关性变小而伸长。进一步地，第一区域和第二区域的长度设置上限。进一步地，当第一相关性等于或大于阈值时，第二斯托克斯光信号不平滑；当第二相关性等于或大于另一阈值时，第二反斯托克斯光信号不平滑。进一步地，皮尔逊积矩相关系数被应用于第一相关性和第二相关性。进一步地，斯皮尔曼秩相关系数被应用于第一相关性和第二相关性。进一步地，所述光纤在所述采样点周围的区域具有恒定温度；所述区域大于将与所述恒温不同的另一恒温给予以采样点为中心的最小加热长度部分时所获得的温度分布的零阶宽度，并且小于该温度分布的主成分宽度。本专利技术的有益技术效果是，利用双端解调克服了RDTS在实际应用中波长相关损耗的影响，同时利用光纤分区相关性降噪技术有效解决了双端解调得到的温度曲线信噪比的两端比中心部分低得多问题，进一步提升了RDTS的测温精度。该专利技术方法有助于提高分布式光纤测温系统在火灾探测，电力电缆检测以及核电站检测等特种环境中的整体性能。附图说明图1展示了基于双端解调的分布式光纤测温系统1的总体结构；图2示出了当室温为24℃时，光纤3的一部分浸入55℃的热水中的情况；图3示出了从图2和公式（3）获得的结果；图4示出了计算的脉冲响应的典型示例；图5至图7示出了根据相对于热水中每个浸入长度的脉冲响应估计的输出波形与实际获得的输出波形之间的比较；图8示出了在0.2m的两个高温应用部分之间设置不施加高温的中心部分，并且中心部分的宽度逐渐改变的情况下的输出波形；图9示出了基于双端解调的分布式光纤测温系统1测量温度时执行的流程图；图10示出了关于一组试验数据的皮尔逊积矩相关系数和斯皮尔曼秩相关系数之间的比较；图11示出了当校正器43校正由测温器42测量的温度时执行的流程图的另一示例；图12示出了当校正器43校正由测温器42测量的温度时执行的另一流程图；图13示出了当分布式光纤测温系统1测量温度时执行的流程图的另一示例；图14示出了公式（5）。具体实施方式图1展示了基于双端解调的分布式光纤测温系统1的总体结构，包括光学结构2、光纤3和处理模块4。光学结构2包括激光器21、分光器22、光开关23、滤波器24、探测器25a和探测器25b。处理模块4包括指令器41、测温器42、校正器43。激光器21根据指令器41发出的指示以预定的时间间隔发射预定波长范围的激光脉冲。分光器22将激光器21发射的脉冲光输入光开关23，光开关23按照指令器41的指示在预定周期内交替地将脉冲光输入光纤3的第一端和第二端。在本实施例中，光纤3的长度为L米，第一端的位置为0米，第二端的位置是L米。脉冲光在光纤3中传播时发生拉曼散射，产生朝传播方向前进的前向散射光和朝返回方向前进的后向散射光，后向散射光通过光开关23再次输入到分光器22中。输入到分光器22中的后向散射光发射到滤波器24，并且从后向散射光中提取长波长光（斯托克斯光）和短波长光（反斯托克斯光）。探测器25a和25b分别将反斯托克斯光和斯托克斯光转换为电信号，并将电信号发送给测温器42和校正器43。校正器43校正反斯托克斯光信号，测温器42使用斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号来测量温度。测温器42按照以下公式（1）来测量光纤3每个位置的温度，当使用两个分量的比率时，两个弱分量之间的差异增强并得出了实用价值。增益和补偿取决于光纤3的设计，因此增益和补偿是预先校准的。温度=增益/[补偿-2*ln（反斯托克斯光强/斯托克斯光强）]（1）当光开关23到光纤3的入射位置固定在第一端或第二端之一时，可以使用上述公式（1）本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双端解调的分布式光纤测温系统，包括光学结构，处理模块和光纤，其特征在于：所述光学结构被配置成从光输入到光纤的第一端时产生的后向散射光中检测第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号，从光输入到光纤的第二端时产生的后向散射光中检测第二斯托克斯光信号和第二反斯托克斯光信号；所述处理模块被配置成在包含光纤第一端的区域内，基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二斯托克斯光信号之间的第一相关性计算第一区域长度，基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二反斯托克斯光信号之间的第二相关性计算第二区域长度，平滑第一区域中的第二斯托克斯光信号，平滑第二区域中的第二反斯托克斯光信号，使用平滑后的第二斯托克斯光信号、平滑后的第二反斯托克斯光信号、第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号计算采样点的温度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双端解调的分布式光纤测温系统，包括光学结构，处理模块和光纤，其特征在于：所述光学结构被配置成从光输入到光纤的第一端时产生的后向散射光中检测第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号，从光输入到光纤的第二端时产生的后向散射光中检测第二斯托克斯光信号和第二反斯托克斯光信号；所述处理模块被配置成在包含光纤第一端的区域内，基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二斯托克斯光信号之间的第一相关性计算第一区域长度，基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二反斯托克斯光信号之间的第二相关性计算第二区域长度，平滑第一区域中的第二斯托克斯光信号，平滑第二区域中的第二反斯托克斯光信号，使用平滑后的第二斯托克斯光信号、平滑后的第二反斯托克斯光信号、第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号计算采样点的温度。


2.根据权利要求1所述的一种基于双端解调的分布式光纤测温系统，其特征在于：通过光开关将脉冲光交替地输入到光纤的第一端和第二端。


3.根据权利要求1所述的一种基于双端解调的分布式光纤测温系统，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫欢，蒋俊，
申请(专利权)人：杭州山旭光电有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33