本發(fā)明涉及分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中的溫度解調(diào)方法，具體是一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調(diào)方法。

背景技術(shù)：

分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)是利用光纖中的自發(fā)拉曼散射效應(yīng)，結(jié)合光時域反射技術(shù)(Optical Time Domain Reflectometry，OTDR)實現(xiàn)的可用于分布式、連續(xù)式、實時測量空間溫度場分布的一種新型傳感系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的電子溫度傳感器相比，分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)具有抗電磁干擾、耐高壓、精度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用于電力電纜溫度監(jiān)測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、大壩泄漏監(jiān)測等領(lǐng)域。

在分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中，目前常用的溫度解調(diào)方法是利用Stokes光作為參考通道，利用anti-Stokes光作為信號通道，然后利用這兩種光的波長比值來解調(diào)溫度信息。然而實踐表明，現(xiàn)有溫度解調(diào)方法由于自身原理所限，存在如下問題：其一，由于Stokes光和anti-Stokes光的波長不同，其在光纖中的傳播速度存在差異，因此同一位置散射回來的Stokes光和anti-Stokes光到達(dá)數(shù)據(jù)采集卡的時間不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集卡在同一時間采集到的Stokes光和anti-Stokes光并不是來自同一位置，由此導(dǎo)致信號錯位，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的測溫精度低。其二，在現(xiàn)有溫度解調(diào)方法中，為了消除光纖損耗來解調(diào)出溫度信息，必須在測溫前將整條待測光纖置于恒溫下進行定標(biāo)處理(倘若更換待測光纖、調(diào)整激光器功率或更換任意系統(tǒng)器件，則必須重新進行定標(biāo)處理)，由此導(dǎo)致操作繁瑣，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的測溫效率低?；诖?，有必要發(fā)明一種全新的溫度解調(diào)方法，以解決現(xiàn)有分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中的溫度解調(diào)方法導(dǎo)致系統(tǒng)的測溫精度低和測溫效率低的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中的溫度解調(diào)方法導(dǎo)致系統(tǒng)的測溫精度低和測溫效率低的問題，提供了一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調(diào)方法。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調(diào)方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：搭建分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)；

所述分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)包括拉曼測溫儀、第一高精度恒溫槽、第二高精度恒溫槽、待測光纖、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器；

所述拉曼測溫儀包括脈沖激光器、WDM、第一APD、第二APD、第一LNA、第二LNA、數(shù)據(jù)采集卡、計算機；其中，脈沖激光器的輸出端與WDM的輸入端連接；WDM的兩個輸出端分別與第一APD的輸入端和第二APD的輸入端連接；第一APD的輸出端與第一LNA的輸入端連接；第二APD的輸出端與第二LNA的輸入端連接；第一LNA的輸出端和第二LNA的輸出端均與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接；數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與計算機的輸入端連接；計算機與脈沖激光器雙向連接；

待測光纖的前端與WDM的公共端連接；待測光纖的中間部分分別繞制有第一參考光纖環(huán)和第二參考光纖環(huán)；第一參考光纖環(huán)放置于第一高精度恒溫槽中；第二參考光纖環(huán)放置于第二高精度恒溫槽中；第一溫度傳感器安裝于第一高精度恒溫槽上；第二溫度傳感器安裝于第二高精度恒溫槽上；第一溫度傳感器和第二溫度傳感器均與計算機雙向連接；

步驟二：將第一高精度恒溫槽的溫度值設(shè)置為T₁，將第二高精度恒溫槽的溫度值設(shè)置為T₂；然后，啟動拉曼測溫儀，脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)WDM入射到待測光纖；激光脈沖在待測光纖中傳播時發(fā)生自發(fā)拉曼散射，由此使得待測光纖的各個位置均產(chǎn)生背向傳輸?shù)腟tokes光和anti-Stokes光；

Stokes光依次經(jīng)WDM、第一APD、第一LNA入射到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡對Stokes光進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由此得到Stokes光的光強曲線，該光強曲線中包含一個因菲涅爾反射導(dǎo)致的尖峰；

anti-Stokes光依次經(jīng)WDM、第二APD、第二LNA入射到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡對anti-Stokes光進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由此得到anti-Stokes光的光強曲線，該光強曲線中同樣包含一個因菲涅爾反射導(dǎo)致的尖峰；

步驟三：根據(jù)Stokes光的光強曲線中的尖峰位置和anti-Stokes光的光強曲線中的尖峰位置，對Stokes光進行插值處理，由此使得待測光纖的同一位置產(chǎn)生的Stokes光和anti-Stokes光到達(dá)數(shù)據(jù)采集卡的時間相同；

步驟四：根據(jù)第一參考光纖環(huán)的位置和第二參考光纖環(huán)的位置，對Stokes光和anti-Stokes光進行損耗補償；

步驟五：根據(jù)損耗補償后的Stokes光和anti-Stokes光，對待測光纖進行溫度解調(diào)。

與現(xiàn)有分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中的溫度解調(diào)方法相比，本發(fā)明所述的一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調(diào)方法具有如下優(yōu)點：其一，本發(fā)明通過對Stokes光進行插值處理，使得同一位置散射回來的Stokes光和anti-Stokes光到達(dá)數(shù)據(jù)采集卡的時間相同，由此有效避免了信號錯位，從而有效提高了系統(tǒng)的測溫精度。其二，本發(fā)明通過對Stokes光和anti-Stokes光進行損耗補償，使得在測溫前無需將待測光纖進行定標(biāo)處理，由此有效簡化了操作，從而有效提高了系統(tǒng)的測溫效率。

本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)中的溫度解調(diào)方法導(dǎo)致系統(tǒng)的測溫精度低和測溫效率低的問題，適用于分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是插值處理前Stokes光和anti-Stokes光的測量位置示意圖。

圖3是插值處理前Stokes光和anti-Stokes光的光強曲線示意圖。

圖4是插值處理后Stokes光和anti-Stokes光的測量位置示意圖。

圖5是插值處理后Stokes光和anti-Stokes光的光強曲線示意圖。

圖6是損耗補償前Stokes光和anti-Stokes光的光強曲線示意圖。

圖7是損耗補償后Stokes光和anti-Stokes光的光強曲線示意圖。

圖1中：1-脈沖激光器，2-WDM(波分復(fù)用器)，3-第一APD(第一雪崩光電二極管)，4-第二APD(第二雪崩光電二極管)，5-第一LNA(第一低噪放大器)，6-第二LNA(第二低噪放大器)，7-數(shù)據(jù)采集卡，8-計算機，9-第一高精度恒溫槽，10-第二高精度恒溫槽，11-待測光纖，12-第一溫度傳感器，13-第二溫度傳感器，虛線框部分表示拉曼測溫儀。

圖2中：a表示拉曼測溫儀，虛線框部分表示待測光纖。

圖4中：a表示拉曼測溫儀，虛線框部分表示待測光纖。

具體實施方式

一種基于分布式光纖拉曼測溫的新型溫度解調(diào)方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：搭建分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)；

所述分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)包括拉曼測溫儀、第一高精度恒溫槽9、第二高精度恒溫槽10、待測光纖11、第一溫度傳感器12、第二溫度傳感器13；

所述拉曼測溫儀包括脈沖激光器1、WDM2、第一APD3、第二APD4、第一LNA5、第二LNA6、數(shù)據(jù)采集卡7、計算機8；其中，脈沖激光器1的輸出端與WDM2的輸入端連接；WDM2的兩個輸出端分別與第一APD3的輸入端和第二APD4的輸入端連接；第一APD3的輸出端與第一LNA5的輸入端連接；第二APD4的輸出端與第二LNA6的輸入端連接；第一LNA5的輸出端和第二LNA6的輸出端均與數(shù)據(jù)采集卡7的輸入端連接；數(shù)據(jù)采集卡7的輸出端與計算機8的輸入端連接；計算機8與脈沖激光器1雙向連接；

待測光纖11的前端與WDM2的公共端連接；待測光纖11的中間部分分別繞制有第一參考光纖環(huán)和第二參考光纖環(huán)；第一參考光纖環(huán)放置于第一高精度恒溫槽9中；第二參考光纖環(huán)放置于第二高精度恒溫槽10中；第一溫度傳感器12安裝于第一高精度恒溫槽9上；第二溫度傳感器13安裝于第二高精度恒溫槽10上；第一溫度傳感器12和第二溫度傳感器13均與計算機8雙向連接；

步驟二：將第一高精度恒溫槽9的溫度值設(shè)置為T₁，將第二高精度恒溫槽10的溫度值設(shè)置為T₂；然后，啟動拉曼測溫儀，脈沖激光器1發(fā)出的激光脈沖經(jīng)WDM2入射到待測光纖11；激光脈沖在待測光纖11中傳播時發(fā)生自發(fā)拉曼散射，由此使得待測光纖11的各個位置均產(chǎn)生背向傳輸?shù)腟tokes光和anti-Stokes光；

Stokes光依次經(jīng)WDM2、第一APD3、第一LNA5入射到數(shù)據(jù)采集卡7，數(shù)據(jù)采集卡7對Stokes光進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由此得到Stokes光的光強曲線，該光強曲線中包含一個因菲涅爾反射導(dǎo)致的尖峰；

anti-Stokes光依次經(jīng)WDM2、第二APD4、第二LNA6入射到數(shù)據(jù)采集卡7，數(shù)據(jù)采集卡7對anti-Stokes光進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由此得到anti-Stokes光的光強曲線，該光強曲線中同樣包含一個因菲涅爾反射導(dǎo)致的尖峰；

步驟三：根據(jù)Stokes光的光強曲線中的尖峰位置和anti-Stokes光的光強曲線中的尖峰位置，對Stokes光進行插值處理，由此使得待測光纖11的同一位置產(chǎn)生的Stokes光和anti-Stokes光到達(dá)數(shù)據(jù)采集卡7的時間相同；

步驟四：根據(jù)第一參考光纖環(huán)的位置和第二參考光纖環(huán)的位置，對Stokes光和anti-Stokes光進行損耗補償；

步驟五：根據(jù)損耗補償后的Stokes光和anti-Stokes光，對待測光纖11進行溫度解調(diào)。

所述步驟三中，插值處理的具體步驟如下：

設(shè)Stokes光的光強曲線中的尖峰位置為L_1max，設(shè)anti-Stokes光的光強曲線中的尖峰位置為L_2max，則其差值L_c＝|L_1max-L_2max|；然后，對差值L_c采用就最近整數(shù)取整處理，并令其中，φ_s(L)表示待測光纖11的某一位置產(chǎn)生的Stokes光的光強值；L表示該位置與待測光纖11的前端之間的距離。

所述步驟四中，損耗補償?shù)木唧w步驟如下：

設(shè)第一參考光纖環(huán)的位置與待測光纖11的前端之間的距離為L₁，設(shè)第二參考光纖環(huán)的位置與待測光纖11的前端之間的距離為L₂；

根據(jù)Stokes光的光強曲線，確定第一參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的Stokes光的光強值為φ_s1，確定第二參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的Stokes光的光強值為φ_s2；

計算待測光纖11對Stokes光的損耗系數(shù)α_o+α_s；具體計算公式如下：

公式(1)中：α_o表示激光脈沖在待測光纖11中單位長度下的損耗系數(shù)；α_s表示Stokes光在待測光纖11中單位長度下的損耗系數(shù)；h表示普朗克常數(shù)；Δv表示光纖的拉曼頻移量；K表示玻爾茲曼常數(shù)；

根據(jù)anti-Stokes光的光強曲線，確定第一參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的anti-Stokes光的光強值為φ_a1，確定第二參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的anti-Stokes光的光強值為φ_a2；

計算待測光纖11對anti-Stokes光的損耗系數(shù)α_o+α_a；具體計算公式如下：

公式(2)中：α_o表示激光脈沖在待測光纖11中單位長度下的損耗系數(shù)；α_a表示anti-Stokes光在待測光纖11中單位長度下的損耗系數(shù)；h表示普朗克常數(shù)；Δv表示光纖的拉曼頻移量；K表示玻爾茲曼常數(shù)。

所述步驟五中，具體溫度解調(diào)公式如下：

公式(3)中：T表示待測光纖11的某一位置的溫度值；φ_s表示該位置產(chǎn)生的Stokes光的光強值；φ_a表示該位置產(chǎn)生的anti-Stokes光的光強值；L表示該位置與待測光纖11的前端之間的距離；φ_s1表示第一參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的Stokes光的光強值；φ_a1表示第一參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的anti-Stokes光的光強值；φ_s2表示第二參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的Stokes光的光強值；φ_a2表示第二參考光纖環(huán)的位置產(chǎn)生的anti-Stokes光的光強值；L₁表示第一參考光纖環(huán)的位置與待測光纖11的前端之間的距離；L₂表示第二參考光纖環(huán)的位置與待測光纖11的前端之間的距離；h表示普朗克常數(shù)；Δv表示光纖的拉曼頻移量；K表示玻爾茲曼常數(shù)。

具體實施時，所述脈沖激光器的波長為1550.1nm、脈寬為10ns、重復(fù)頻率為8KHz。所述WDM的工作波長為1550nm/1450nm/1663nm。所述第一APD的帶寬為80MHz、光譜響應(yīng)范圍為900～1700nm。所述第二APD的帶寬為80MHz、光譜響應(yīng)范圍為900～1700nm。所述第一LNA的帶寬為100MHz。所述第二LNA的帶寬為100MHz。所述數(shù)據(jù)采集卡的通道數(shù)為4、采樣率為100M/s、帶寬為100MHz。所述待測光纖為普通多模光纖。