一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法技术

本发明专利技术公开一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法，包括下列步骤：自动定标：计算光纤长度及衰减函数；数据去噪：结合累加去噪、小波阈值去噪的优势提高信号信噪比；数据补偿：采用基于Linear插值计算的色散消除算法，同步双路信号，采用数据拟合的方法实现了衰减补偿算法；数据解调：将双路光信号进行比值、对数等数值计算进行温度数据解调。本发明专利技术的光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法具有响应速度快、精度高、性能优异的特点。性能优异的特点。性能优异的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感领域，特别是一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法。

技术介绍

[0002]在分布式测温系统领域，光学技术的应用在该领域起着重要的作用。经过数十年无数科学家对其性能的改良和提升，光纤如今已经不仅是一种重要的通信媒介，同时，光纤也是一种关键的传感器件，已经逐渐被应用于一些环境参量的监测系统中。在分布式光纤传感系统中，光信号沿着光纤传播，光纤既可作为光传播的介质用以输送通信信号，也可以作为传感介质，通过探测光信号的变化来反映出外界环境的变化情况。随着近年来光纤通信的发展，以光纤作为传感媒介的测温系统被应用于实际的生活中。相较于传统电子传感系统，光纤传感系统有着十分巨大的优势。从硬件属性方面看，光纤大部分是一种以石英构成的材料，它质地柔软且柔韧性好、能够随意弯曲、耐腐蚀、重量轻、体积小，这在工程上给安装提供了便利，其实用性十分强，适用于许多不同的场景。同时，以光作为通信或传感信号，能够弥补电信号抗干扰能力差的缺点，十分有利于信号的传输与解调还原。用光信号传输数据，不需要引入电源，对一些易燃易爆场场合提供了更加安全的保障，光纤应用场景十分广泛。
[0003]分布式光纤测温技术，是基于光纤散射效应，以一整条光纤为传感载体的新型传感技术，能够测出光纤上所有点的温度，适用于远距离传输，相当于传统电子传感领域多个传感器组网覆盖测温区域，这大大减少了多传感器引起的电路混乱问题以及数据处理上数据量紊乱的缺点，也大大降低了材料成本。通常一套完整的分布式光纤测温系统一般只需要一根普通的多模光纤即可，将多模光纤铺设于需要监控的位置，并用一台主机系统进行光信号的采集、数据处理等，之后即可获得整条光纤上所覆设区域的温度。综上所述，分布式光纤测温系统具有抗电磁干扰、轻巧、抗腐蚀、长久使用、系统稳定等优势如此使得分布式光纤测温技术在测温领域脱颖而出，给测温技术提供了一种新思路、新方法。
[0004]美国航天局，提出以拉曼斯托克斯(Stokes)光为参考光，拉曼反斯托克斯(Anti
‑
Stokes)光为信号光的温度双路解调方法，此DTS系统成功地应用于航空领域。中国计量大学张在宣团队提出了分布式光纤拉曼测温系统的设计方案，系统中集成了双通道光电探测技术、自校准技术、采样平均处理等技术，研制出一套DTS系统，所采用的测温光纤为1km光纤，实验结果表明，温度精度在
±
2℃，温度分辨率为0.1℃，测温区间0℃
‑
120℃，测量时间不超过40s。虽然，分布式光纤测温技术相对成熟，但随着科技的日新月异的进步，现有的系统性能还不能满足更高精度的需求，还存在一些技术上的难题和缺点，比如：测温精度不高、传输距离短、温敏性能不高、采集速度慢等问题。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供一种光纤分布式测温的拉曼散射光双
路解调方法。具体技术方案如下：
[0006]本专利技术提供了一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法，包括以下步骤：
[0007]S1.自动定标：利用自动寻峰算法对光纤参数进行自动定标，并计算衰减补偿函数f(x)；
[0008]S2.数据去噪：采集光纤中的拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光的双路频谱信号，采用累加去噪算法和小波阈值去噪算法对所述双路频谱信号进行处理得到解调信号；
[0009]S3.数据补偿：利用所述衰减补偿函数和Linear插值算法对所述解调信号进行处理以补偿光强衰减和消除色散，得到补偿信号；
[0010]S4.数据解调：根据拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光的光强与温度的关系，对所述补偿信号进行解调，得到温度分布函数T，其中，所述光强与温度的关系为
[0011][0012]式中，U
s
(T)为拉曼斯托克斯光的光强，U
as
(T)为反斯托克斯光的光强，KO为光电影响因子，K
s
(L)为拉曼斯托克斯光的光突变损耗系数，K
as
(L)为反斯托克斯光的光突变损耗系数，K
s
为拉曼斯托克斯光的散射截面有关系数，K
as
为反斯托克斯光的散射截面有关系数，v
s
为拉曼斯托克斯光频率，v
as
为反斯托克斯光频率，Φe为入射光光通量，α0为入射光损耗系数，α
s
为拉曼斯托克斯光的损耗系数，α
as
为反斯托克斯光的损耗系数，L为光纤长度，R
s
(T)为拉曼斯托克斯光的玻尔兹曼因子，R
as
(T)为反斯托克斯光的玻尔兹曼因子。
[0013]进一步地，步骤S4中，温度分布函数T通过以下公式得到：
[0014][0015]其中，I(T)为光强比值，I(T)＝U
as
(T)/U
s
(T)，h为普朗克常量；Δv为频移量，K为玻尔兹曼常量，T0为定标光纤环上的温度，I(T0)为定标光纤环处的光强比值。
[0016]进一步地，步骤S4中，所述拉曼斯托克斯光的玻尔兹曼因子和反斯托克斯光的玻尔兹曼因子
[0017][0018]进一步地，步骤S1中，所述光纤参数包括光纤长度，使用自动寻峰算法定位始、末菲涅散射峰位置以自动计算光纤长度。
[0019]进一步地，步骤S2中，所述小波阈值去噪算法包括coif3小波基算法、极大极小阈值算法、软阈值法算法和六层分解算法中的至少一种算法。
[0020]进一步地，步骤S2中，所述累加去噪算法的累加次数大于或等于15000次，且所述累加次数小于或等于17000次。
[0021]进一步地，所述衰减补偿函数通过以下公式得到：
[0022][0023]其中，α
s
(l)为拉曼斯托克斯光的距离起始点l距离的衰减系数，α
as
(l)为反斯托克斯光的距离起始点l距离的衰减系数。
[0024]进一步地，所述距离起始点l距离的衰减系数通过以下公式得到：
[0025][0026]其中，α(l)为距离起始点l距离的衰减系数，Pi(l)为距离起始点l处衰减前的光强，Po(l)为距离起始点l处衰减后的光强。
[0027]进一步地，所述衰减补偿函数通过以下公式得到：
[0028]R(l)＝R
AT
(l)
×
10
‑
f(x)
[0029]其中，R
AT
(l)为距离起始点l处衰减前双路电压比值，即U
as
’
(l)为衰减前反斯托克斯光强，U
s
’
(l)为衰减前斯托克斯光强；R(l)为距离起始点l处衰减后双路电压比值，即U
as
(l)为衰减后反斯托克斯光强，U
s
(l)为衰减后斯托克斯光强。
[0030]进一步地，步骤S3中通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤分布式测温的拉曼散射光双路解调方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.自动定标：利用自动寻峰算法对光纤参数进行自动定标，并计算衰减补偿函数f(x)；S2.数据去噪：采集光纤中的拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光的双路频谱信号，采用累加去噪算法和小波阈值去噪算法对所述双路频谱信号进行处理得到解调信号；S3.数据补偿：利用所述衰减补偿函数和Linear插值算法对所述解调信号进行处理以补偿光强衰减和消除色散，得到补偿信号；S4.数据解调：根据拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光的光强与温度的关系，对所述补偿信号进行解调，得到温度分布函数T，其中，所述光强与温度的关系为式中，U
s
(T)为拉曼斯托克斯光的光强，U
as
(T)为反斯托克斯光的光强，KO为光电影响因子，K
s
(L)为拉曼斯托克斯光的光突变损耗系数，K
as
(L)为反斯托克斯光的光突变损耗系数，K
s
为拉曼斯托克斯光的散射截面有关系数，K
as
为反斯托克斯光的散射截面有关系数，v
s
为拉曼斯托克斯光频率，v
as
为反斯托克斯光频率，Φe为入射光光通量，α0为入射光损耗系数，α
s
为拉曼斯托克斯光的损耗系数，α
as
为反斯托克斯光的损耗系数，L为光纤长度，R
s
(T)为拉曼斯托克斯光的玻尔兹曼因子，R
as
(T)为反斯托克斯光的玻尔兹曼因子。2.如权利要求1所述的双路解调方法，其特征在于，步骤S4中，温度分布函数T通过以下公式得到：其中，I(T)为光强比值，I(T)＝U
as
(T)/U
s
(T)，h为普朗克常量；Δv为频移量，K为玻尔兹曼常量，T0为定标光纤环上的温度，I(T0)为定标光纤环处的光强比值。3.如权利要求1所述的双路解调方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东红，徐俊，张梁，顾佳，方琪，
申请(专利权)人：苏州德睿电力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：