[发明专利]一种高精度分布式光纤温度传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度分布式光纤温度传感系统，特别是一种基于拉曼散色原理的高精度分布式光纤温度传感系统。

背景技术

分布式光纤温度传感系统由主机和光纤两部分组成，可探测到光纤铺设沿线所有位置的温度信息，实现长距离油气管线监测及超长距离电力电缆全范围温度监测；具有抗电磁干扰、本征安全、长寿命等特点，可广泛应用于电力系统、电缆隧道火灾探测应用、石油输送管线或储罐泄漏监测等领域；具有在火灾或渗漏发生前预报和温度异常变化快速发现的要求，达到事前预防的目的，保障国家财产和人民生命安全。

现有的分布式光纤温度传感系统工作原理一般是拉曼温度效应，脉冲光在光纤中传输的时候会发生拉曼散射，发出斯托克斯光和反斯托克斯光，频移均为13.2THz，其中反斯托克斯光对温度敏感，斯托克斯光不太敏感，利用两者的比值可以计算出温度信息。但是由于斯托克斯光和反斯托克斯光波长差较大，在光纤中的折射率不同，两者在光纤中传播速度不同，数据采集单元采集到的数据是同一时刻的数据，而不是同一位置的数据。因此会造成斯托克斯光和反斯托克斯光的时域反射曲线出现“差步”现象，这种现象会降低系统的空间分辨率、定位精度和测温精度，甚至造成温度计算错误。

专利《一种色散与损耗光谱自校正分布式光纤拉曼温度传感器》（申请号：201020157461.7）中提出了用双光源实现色散和损耗光谱的自校正，但是需要增加一个光源，占主要成本的1/3左右。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高精度分布式光纤温度传感系统。本发明可以有效避免斯托克斯光和反斯托克斯光的时域反射曲线出现“差步”现象，从而提高了系统的空间分辨率、定位精度和温度精度。

本发明的技术方案：一种高精度分布式光纤温度传感系统，其特点是：包括系统外壳，系统外壳内设有激光器，激光器的输入端与激光器驱动模块的输出端相连，激光器的输出端与分光滤波模块的输入端相连，分光滤波模块的一个输出端与光纤连接，另外两个输出端分别与第一光电转换模块和第二光电转换模块的输入端连接，第一光电转换模块和第二光电转换模块的输出端均与信号处理模块的输入端相连，信号处理模块的一个输出端与采集频率可调的数据采集单元的输入端连接，信号处理模块的另一个输出端与所述激光器的输入端连接，采集频率可调的数据采集单元的输出端与计算机处理模块连接。

上述高精度分布式光纤温度传感系统中，所述采集频率可调的数据采集单元的采样频率是可调的，采样时，对斯托克斯光和反斯托克斯光分别按照两种不同的采样频率进行交替的数据采集，确保每一对采集到的斯托克斯光和反斯托克斯光对应到光纤上的同一位置；且采集斯托克斯光的采样频率                                               与采集反斯托克斯光的采样频率满足关系式，常数m为反斯托克斯光在光纤中的折射率与斯托克斯光在光纤中的折射率的比值。

前述高精度分布式光纤温度传感系统中,所述反斯托克斯光在光纤中的折射率与斯托克斯光在光纤中的折射率的比值的获得方法是：计算机处理模块首先设置数据采集单元的采样频率为同时对斯托克斯光和反斯托克斯光进行采集，采集的数据存储为和，分别找出两组数据最后一个有效数据的位置，得出总的测量时间为和，然后根据得出，其中L为光纤实际长度。

本发明的高精度分布式光纤温度传感系统的工作原理如下：

脉冲光在光纤中传输的时候会发生拉曼散射效应，同时发出斯托克斯光和反斯托克斯光，利用两者比值来计算温度。两者频率相对于入射光偏差13.2THz。

普通OTDR中光在光纤中传输的距离计算公式为：

                             （1）

c是光在真空中的传播速度，为常数m/s；n是光在介质中传输的折射率，与波长有关；t是采样时间。

拉曼散射OTDR的计算公式与公式（1）有所不同，正向传输按照入射光的折射率计算，背向传输按照斯托克斯光和反斯托克斯光的折射率计算。设入射光的光纤折射率为，传输距离L所需要的时间为，斯托克斯光的折射率为,传输距离L所需要的时间为，反斯托克斯光的折射率为,传输距离L所需要的时间为,数据采集单元采样时间为。

              

则

                （2）

                  （3）