[发明专利]一种分布式光纤拉曼测温系统

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤测温系统领域，尤其涉及一种分布式光纤拉曼测温系统。

背景技术

分布式光纤拉曼温度传感器利用光纤中的背向拉曼散射光作为传感信号，能覆盖整条光纤的温度场监测，实现分布式温度测量。在公路隧道、高压电缆、煤矿井下等地，实时监测隧道、电缆和井下的温度是必要的，否则一旦发生火灾，将会对公共财产甚至生命造成威胁。分布式光纤拉曼温度传感器为长距离温度场监测提供了有效的解决方案，其在安全工程中已经得到广泛应用。但是分布式光纤拉曼测温系统由于使用的是信号极其微弱的拉曼散射光作为传感信号，测温精度比较低，常用的提高信噪比的方法是数字累加平均法。数字累加平均法在一定程度上能有效改善信噪比，却增加了测温时间，有时为了达到足够的精度，累加次数要达到数百万次，测温时间被延长到几分钟，严重恶化了拉曼测温系统的实时性。近十几年来，小波分析的多尺度多分辨率特征，使得其在图像处理、智能识别及信号去噪方面得到了广泛应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中对分布式光纤拉曼测温系统提高信噪比导致严重恶化系统的实时性的缺陷，提供一种分布式光纤拉曼测温系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种分布式光纤拉曼测温系统，包括脉冲激光器，波分复用器，传感光纤和双通道雪崩光电二极管；全光纤激光器发出脉冲激光，通过波分复用器后进入到待测传感光纤，脉冲激光在光纤内传播过程中不断产生背向散射，背向散射光返回到波分复用器，经波分复用器滤波后，将斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光分别滤出并进入双通道雪崩光电二极管进行光电转换；该系统还包括DSP数字信号处理器，双通道雪崩光电二极管输出的电信号经过DSP数字信号处理器处理后得到温度信号。

按上述方案，DSP数字信号处理器对双通道雪崩光电二极管输出的电信号的处理包括累加处理、解调处理和小波去噪处理。

按上述方案，DSP数字信号处理器对雪崩光电二极管输出的信号的处理过程包括：

累加处理，采集雪崩光电二极管输出的两通道的信号，并对同一测量点、相同参数的多次重复探测数据进行累加平均运算；

累加处理中利用高速DSP处理器，雪崩光电二极管将实时并行采集系统产生的两束拉曼散射的光强信号转换为电信号。采用上升沿触发方式，确保每次采集到的数据的起始采集点所对应位置的一致性。

将多次采集到的曲线，同一位置的数据点进行累加平均，通过累加平均可在一定程度上去除随机噪声，使曲线平滑。平均的次数越多，信噪比越大，但是测量时间也相应增加。

假设SNR为原始信号的信噪比，那么经过n次累加平均后的信噪比为信噪比提高了倍。则若信噪比要提高2倍，累加次数就要增加4倍，可见，采用累加平均提高信噪比的方法效率较低。

解调处理，根据拉曼散射光强与外界环境温度之间的关系，对累加平均过的两组数据进行温度解调运算；

解调处理中，对累加平均过的两组数据进行温度解调运算是通过累加处理后得到的反斯托克斯拉曼散射信号和斯托克斯拉曼散射信号强度比值计算解调出沿光纤上的温度分布。

计算解调出沿光纤上的温度分布采用以下公式：

R(T,L)=Ias/Is=(Kas/Ks)(Vas/Vs)exp(-hΔv/kT)exp[-(αas-αs)L]

式中，Ias，Is分别为反斯托克斯拉曼散射信号和斯托克斯拉曼散射信号光强；Kas、Ks分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数；Vs为斯托克斯拉曼光子频率；Vas为反斯托克斯拉曼光子的频率；αs、αas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的光损耗系数；L表示光纤中的位置，T表示相应位置的温度；在给定光纤及入纤波长情况下，(Kas/Ks)(Vas/Vs)、(-hΔv/k)、(αas-αs)均可通过测量或者拟合的方式事先确定，只要测量到两束光强的比值Ias/Is，便可计算出对应位置的温度值T，实现解调。

小波去噪处理，对处理后的数据进行小波分解和阈值去噪运算，得到去噪后的温度数据。

小波去噪处理中，小波分解包括：

选取小波基函数，根据小波基函数，计算出对应的滤波器数组h0、h1、h2、h3，并将这四个滤波器载入DSP，其中h0为尺度函数滤波器，h1为小波函数滤波器，h2为尺度函数重构滤波器，h3为小波函数重构滤波器；

利用h0和h1分别对解调的温度数据进行卷积运算，得到原始信号不同层次的尺度系数和小波系数；

小波去噪处理中，阈值去噪运算包括：