面向燃气管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统和方法技术方案

本发明专利技术属于分布式拉曼光纤传感技术领域，公开了一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统和方法，装置包括脉冲激光器、波分复用器、传感光纤、光电探测器和数据采集系统，所述脉冲激光器输出的脉冲激光经波分复用器后入射至传感光纤，所述传感器中反射的反斯托克光经波分复用器后，被光电探测器探测，所述传感光纤的一部分设置在恒温槽中，所述恒温槽用于位于其中的传感光纤进行恒温控制；光电探测器探测的信号经数据采集系统进行采集和解调，得到传感光纤沿线的分布式温度场信息。本发明专利技术优化了系统分辨率，提高了测量精度。提高了测量精度。提高了测量精度。

【技术实现步骤摘要】
面向燃气管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统和方法


[0001]本专利技术属于分布式拉曼光纤传感
，具体为一种兼顾长传感距离与高空间分辨率的面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统。

技术介绍

[0002]管网运输已成为现代工业和国民经济的命脉。随着输气管网工业的发展，输气管网的安全监测问题日益加重。输气管网随着服役周期的不断增长而逐渐老化，导致输气管网存在泄漏的隐患，任由其发展就会导致发生重大安全事故。然而，目前的单点、多探头、单参数传感器无法适应管网运输的大范围长距离检测需求。
[0003]分布式光纤拉曼传感系统可以连续测量传感光纤沿线的分布式温度特征信息。在分布式光纤拉曼传感系统中，传感光纤沿线的后向拉曼散射光会受光纤周围的温度调制，经过系统解调后就可以得到传感光纤沿线的各点温度变化情况。
[0004]在分布式光纤拉曼传感系统中，空间分辨率是指能够分辨光纤温度变化的最小长度。提高空间分辨率对管网泄漏安全监测领域具有重要意义。目前，分布式光纤拉曼传感系统的定位方法是光时域反射技术，但是由于光源脉宽的限制，导致其传感距离与空间分辨率无法兼顾，且其最优空间分辨率仅为1m。由于管网渗漏会导致渗漏位置的温度发生变化，因此，通过分布式温度测量可以对管网泄漏进行定位，但是现有技术中的分布式拉曼传感系统的空间分辨率较大时，渗漏导致的极小范围的温度改变难以被探测到。
[0005]基于此，本专利技术提出一种基于重构分层解析的分布式光纤拉曼传感系统及温度解调方法，可以解决现有分布式光纤拉曼传感系统空间分辨率与传感距离无法兼顾的问题，有望使系统空间分辨率提升至1厘米，进而满足燃气管网泄漏检测的需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，包括脉冲激光器、波分复用器、传感光纤、光电探测器和数据采集系统，所述脉冲激光器输出的脉冲激光经波分复用器后入射至传感光纤，所述传感器中反射的反斯托克光经波分复用器后，被光电探测器探测，所述传感光纤的一部分设置在恒温槽中，所述恒温槽用于对位于其中的传感光纤进行恒温控制；光电探测器探测的信号经数据采集系统进行采集和解调，得到传感光纤沿线的分布式温度场信息。
[0008]所述数据采集系统包括数据采集卡和计算单元。
[0009]所述的一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，还包括放大器，所述光电探测器的输出信号经放大器后被数据采集卡采集。
[0010]所述数据采集卡的采样率为10GS/s，带宽为10GHz。
[0011]所述脉冲激光器的波长为1550nm，脉宽为10ns，重复频率为6KHz；光电探测器的带
宽为100MHz，光谱响应范围为900～1700nm；所述传感光纤为折射率渐变型多模光纤。
[0012]所述的一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，其温度解调公式为：
[0013][0014]其中，T表示解调得到的传感光纤第n个测量区间所在位置处的温度，k为玻尔兹曼常数，Δν为拉曼频移，h为普朗克常量，T
c
为测量阶段恒温槽的设定温度，T
c0
为定标阶段恒温槽的设定温度，T0为定标阶段传感光纤的环境温度，I
al0
表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
aln
表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
ac0
表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
acn
表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，n为大于零的正整数。
[0015]I
aln
和I
acn
的计算公式为：
[0016][0017][0018]其中，I
an
’
和I
a(n
‑
1)
’
分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n
‑
1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光光强数据，I
al(n
‑
X)
表示定标阶段获得的恒温槽外的第n
‑
X个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，X等于脉冲宽度与采样区间长度的比值，I
a0
’
表示定标阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强；I
an
和I
a(n
‑
1)
分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n
‑
1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光光强数据，I
ac(n
‑
X)
表示测量阶段获得的恒温槽外的第n
‑
X个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
a0
表示测量阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强。
[0019]此外，本专利技术还提供了一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感方法，采用所述的一种系统实现，包括以下步骤：
[0020]S1、定标阶段：设置恒温槽的温度为T
c0
，传感光纤的环境温度设置为T0，设置数据采集系统的采样周期为单个脉冲宽度的1/X，利用数据采集系统采集光电探测器探测到的所有拉曼反斯托克斯光的光强，包括恒温槽中传感光纤的各个采样区间的后向拉曼反斯托克斯光的光强I
a0
’
以及恒温槽外的传感光纤的各个采样区间获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强I
an
’
；
[0021]S2、测量阶段：设置恒温槽的温度为T
c
，设置同样的采样周期，利用数据采集系统
采集光电探测器探测到的所有拉曼反斯托克斯光的光强，包括恒温槽中传感光纤的各个采样区间的后向拉曼反斯托克斯光的光强I
a0
以及恒温槽外的传感光纤的各个采样区间获得的后向拉曼反斯托克斯光的光强I
an
；
[0022]S3、对步骤S1和步骤S2测量得到数据进行计算解调，得到传感光纤沿线的分布式温度场信息。
[0023]所述X的取值为100。
[0024]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术提供一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统和方法，通过将采集的拉曼反斯托克斯光信号进行基于重构分层解析，突破传统分布式光纤拉曼测温系统光源脉冲宽度对空间分辨率的限制，在保证传感距离的同时，优化系统的空间分辨率，而且，通过在传感光纤前端设置恒温槽，可以消除光源输出和光电探测器等设备中的随机噪声，提高了测量的精度，进而适用于燃气管网泄漏检测中。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，其特征在于，包括脉冲激光器（1）、波分复用器（2）、传感光纤（3）、光电探测器（4）和数据采集系统，所述脉冲激光器（1）输出的脉冲激光经波分复用器（2）后入射至传感光纤（3），所述传感器（3）中反射的反斯托克光经波分复用器（2）后，被光电探测器（4）探测，所述传感光纤（3）的一部分设置在恒温槽（8）中，所述恒温槽（8）用于对位于其中的传感光纤（3）进行恒温控制；光电探测器探测的信号经数据采集系统进行采集和解调，得到传感光纤（3）沿线的分布式温度场信息。2.根据权利要求1所述的一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，其特征在于，所述数据采集系统包括数据采集卡（6）和计算单元（7）。3.根据权利要求2所述的一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，其特征在于，还包括放大器（5），所述光电探测器（4）的输出信号经放大器（5）后被数据采集卡（6）采集。4.根据权利要求2所述的一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，其特征在于，所述数据采集卡（6）的采样率为10 GS/s，带宽为10 GHz。5.根据权利要求1所述的一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，其特征在于，所述脉冲激光器（1）的波长为1550 nm，脉宽为10 ns，重复频率为6KHz；光电探测器（4）的带宽为100 MHz，光谱响应范围为900~1700 nm；所述传感光纤（3）为折射率渐变型多模光纤。6.根据权利要求1所述的一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，其特征在于，其温度解调公式为：；其中，T表示解调得到的传感光纤第n个测量区间所在位置处的温度，k为玻尔兹曼常数，
△
ν为拉曼频移，h为普朗克常量，T
c
为测量阶段恒温槽的设定温度，T
c0
为定标阶段恒温槽的设定温度，T0为定标阶段传感光纤的环境温度，I
al0
表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
aln
表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
ac0
表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I
acn
表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，n为大于零的正整数。7.根据权利要求6所述的一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，其特征在于，I
aln
和I
acn
的计算公式为：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，许扬，周新新，张明江，尹子彤，王晨懿，冯凯，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：