[发明专利]基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法

说明书

本发明属于分布式光纤传感系统中的温度解调领域，公开了一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法。本发明通过在解调过程中引入光纤温度灵敏因子M（L），重新校准光纤中的拉曼散射信号光强，提高了自发拉曼散射的温度灵敏度，最终可以优化系统的温度精度。本发明设计合理，有效解决了现有分布式光纤拉曼测温系统中的由于自发拉曼散射信号的温度灵敏性导致系统的测温精度低的问题，使其测温精度优于1℃，突破其技术瓶颈，适用于分布式光纤拉曼测温系统。

技术领域

本发明属于分布式光纤传感系统中的温度解调领域，具体涉及一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度检测装置和解调方法。

背景技术

分布式光纤拉曼温度传感系统可以利用传感光纤沿线特定的光学效应来获得空间分布的温度曲线，与传统的离散传感测量方法相比，它具有分布式和高分辨率等优点。在分布式光纤拉曼温度传感系统中，拉曼散射原理是基于传感光纤中的能量交换，当脉冲光子和纤维分子在光纤中引起非弹性碰撞时，将产生中心波长为1450nm的反斯托克斯拉曼散射光和1660nm的斯托克斯拉曼散射光。反斯托克斯光对周围的温度变化较为敏感，可以用于探测周围的环境温度变化。近年来，分布式光纤拉曼传感系统由于具有分布式测量、长距离和高分辨率的优势，已广泛用于各大工业安全监测领域。

在分布式光纤拉曼测温系统中，测温精度是系统性能的重要参数之一。在工业温度测量系统中，高精度的温度测量可以反映结构的内部信息。例如，通过使用特定温度计算电力电缆中的载流子密度。天然气管道沿线的温度变化信息也可以用来定位管道泄漏的位置。将分布式光纤拉曼传感系统应用于上述监测领域中，需要优于1℃的测温精度来解调光纤沿线的温度分布信息。但是，光纤中拉曼散射光的强度相比于瑞利散射光要弱30dB左右。这种现象导致现有分布式光纤拉曼传感系统的测温精度低于1℃。近年来，编码脉冲调制，小波变换模极大值，瑞利噪声抑制和色散补偿法已被证明可以提高拉曼测温仪的测温精度。但是，据我们所知，目前远程分布式光纤拉曼传感系统的温度精度还无法优于1℃。这是因为不同位置处传感光纤的温度敏感性是不同的，而传统的温度解调方法并未考虑到传感光纤温敏性的影响，最终导致其系统测温精度较低。

基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，以解决分布式光纤拉曼传感系统测温精度较低的问题。

发明内容

为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统测温精度较低，其无法突变1℃的技术瓶颈，而导致应用受限的问题，本发明提出了一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，通过引入光纤温度灵敏因子，重新校准传感光纤中的拉曼散射信号光强，以提高其自发拉曼散射的温度灵敏度来优化系统的温度精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于差分温度补偿的分布式光纤拉曼双端温度解调方法，包括以下步骤：

S1、搭建测量装置：使脉冲激光器发出的激光脉冲经环形器的第一端口、第二端口与光开关的输入端连接，光开关的两个输出端与传感光纤的两端连接，同时将信号采集装置与环形器的第三端口连接；

S2、定标测量阶段：切换光开关，通过信号采集装置分别采集定标阶段的前向反斯托克斯光和前向斯托克斯光的光强比值以及和后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的光强比值式中，分别为定标阶段传感光纤中各处后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的散射光强，为定标阶段传感光纤中各处前向反斯托克斯和前向斯托克斯光的散射光强；

S3、标定测量阶段：在传感光纤的多个位置处分别选取长度一段光纤作为校准光纤环，并使这几个位置处校准光纤环的温度保持为T₁不变，分别采集位于这几个位置处的校准光纤环中的后向反斯托克斯和后向斯托克斯光的光强比值其中，和分别表示标定测量时校准光纤环中的后向反斯托克斯光和后向斯托克斯光的散射光强；然后计算得到各个校准光纤中各个位置处的传感光纤温度敏感因子M的值，并进行线性拟合，得到得到传感光纤温度敏感因子M(L)随距离L的全部函数值；