本發(fā)明涉及一種分段校正的分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)及其實現(xiàn)的校正方法。

背景技術(shù)：

1、目前的分布式光纖測溫系統(tǒng)通常采用強激光脈沖入射至測溫光纖中，根據(jù)拉曼效應(yīng)，測溫傳感光纖產(chǎn)生反斯多克斯信號和斯多克斯光信號，將這二個信號用不同波段的濾波器濾出后，再用光電探測器變?yōu)殡娦盘枺€信號之比與光纖所在位置的溫度相關(guān)，經(jīng)信號處理單元處理后，可以測出沿感溫光纖的溫度。為了定標(biāo)，一般在測溫光纖的開始端用一段光纖置于已知溫度的恒溫盒里，作為參考溫度。

2、我們用耐700°c的高溫光纖代替普通的測溫光纖，采用上述系統(tǒng)測量蒸汽管道的溫度，實驗發(fā)現(xiàn)原先定標(biāo)好的測溫系統(tǒng)，隨著在高溫環(huán)境（如600°c）中使用時間的增加，測溫誤差與開始的標(biāo)定好的值有100°c上下的巨大差別，反斯多克斯信號和斯多克斯光信號隨測溫高溫光纖距離的斜率也有巨大的改變。同時，由于測溫光纖沿管道布置時有彎曲，每一段的誤差和斜率還不一樣。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種分段校正的分布式光纖高溫測量系統(tǒng)及其實現(xiàn)的校正方法，目的在于解決和補償在高溫環(huán)境（如600°c）中，光纖中產(chǎn)生的反斯多克斯信號和斯多克斯光信號隨著使用時間的增加和老化、其斜率發(fā)生很大改變，從而導(dǎo)致測溫值與初始標(biāo)定值之間造成巨大誤差的問題，以及測溫光纖彎曲造成的每一段的誤差和斜率的不一致的問題。

2、通過機理分析和實驗驗證，我們發(fā)現(xiàn)光纖中產(chǎn)生的反斯多克斯信號和斯多克斯光信號隨著使用時間的增加和老化、其斜率發(fā)生的巨大改變，其機理是源于在這二個波段光纖損耗的增加。以1550nm?泵浦激光為例，其反斯多克斯信號1450nm波段和斯多克斯光信號1640nm波段的損耗系數(shù)都會隨著高溫老化而增加,尤其是前者是由于1390nm吸收峰的增大，其峰的拖尾增加了1450nm波段的損耗；此外，測溫光纖的彎曲造成的損耗造成了每段光纖回波斜率的不一致。

3、為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

4、分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)，包括：強脈沖激光器、第一弱脈沖激光器、第二弱脈沖激光器、3*1光開關(guān)、三端口光纖環(huán)形器、高溫傳感光纖、1*2光纖分束器、二個帶濾波片的光電探測器、2個可變增益放大器、信號處理單元；

5、所述強脈沖激光器與3*1光開關(guān)的第一輸入端口相連，所述第一弱脈沖激光器與3*1光開關(guān)的第二輸入端口相連，所述第二弱脈沖激光器與3*1光開關(guān)的第三輸入端口相連；所述3*1光開關(guān)的輸出端口與三端口光纖環(huán)形器的第一端口相連，所述三端口光纖環(huán)形器的二端口與引導(dǎo)多模光纜相連，所述引導(dǎo)多模光纜與高溫傳感光纖相連；

6、所述三端口光纖環(huán)形器的第三端口經(jīng)所述1*2光纖分束器，分別與具有不同中心波長的所述二個帶濾波片的光電探測器相連,?其中一個光電探測器與所述其中一個可變增益放大器相連，另一個光電探測器與另一個可變增益放大器相連，該二個可變增益放大器分別輸入至信號處理單元；信號處理單元輸出二個控制信號分別對應(yīng)至所述2個可變增益放大器的控制端。

7、進一步地，所述高溫傳感光纖沿高溫管道布置，且多段彎曲，測量溫度范圍為400-700°c。

8、進一步地，所述高溫傳感光纖的長度為幾十米至數(shù)公里，采用鍍銅合金保護層多模光纖。

9、進一步地，所述強脈沖激光器產(chǎn)生1550nm激光，所述二個帶濾波片的光電探測器中，其中一個光電探測器前端覆有1450nm波段的反斯多克斯濾波片，另一個光電探測器前端覆有1650nm波段的斯多克斯濾波片。

10、進一步地，所述第一弱脈沖激光器產(chǎn)生與反斯多克斯光波長相同的1450nm波段激光。

11、進一步地，所述第二弱脈沖激光器產(chǎn)生與斯多克斯光波長相同的1650nm波段激光。

12、進一步地，所述2個可變增益放大器采用高速可變增益模擬放大器。

13、進一步地，所述信號處理單元包含ad采樣、數(shù)字濾波、分布式溫度算法計算、產(chǎn)生二個可變增益放大器的多段控制信號、溫度值傳遞給上位機和報警功能。

14、本發(fā)明還提出通過以上所述一種分段校正的分布式光纖高溫測量系統(tǒng)實現(xiàn)的校正方法，包括：脈沖的強激光光源在所述成回環(huán)的高溫傳感光纖內(nèi)產(chǎn)生拉曼效應(yīng)的反斯多克斯和斯多克斯光，二束光返回所述三端口光纖環(huán)形器由第三端口輸出，經(jīng)所述二個濾波片分別濾出反斯多克斯光和斯多克斯光，再分別由二個光電探測器變?yōu)槎M電信號，二組電信號分別對應(yīng)連接所述二個可變增益放大器；所述作為參考的第一弱脈沖激光器和第二弱脈沖激光器，通過3*1光開關(guān)以分時操作的方式測得在反斯多克斯光波段和斯多克斯光波段的瑞利損耗，由此所述信號處理單元產(chǎn)生二組反斜率的多段鋸齒信號，分別控制所述二個可變增益放大器的控制端，使得可變增益放大器的輸出端到達原先的設(shè)定值，從而修正高溫傳感光纖隨著溫度和使用時間改變的性能。

15、有益效果

16、本發(fā)明中高溫傳感光纖采用可以測量500°c以上的高溫光纖，如側(cè)面敷銅或者敷金光纖；同時，在高溫環(huán)境中由于高溫傳感光纖性能的變化，采用二個弱脈沖激光器產(chǎn)生瑞利背向散射，可以直接測量反斯多克斯信號和斯多克斯信號沿高溫傳感光纖長度方向的多段斜率，并由二個可變增益放大器的控制端，提供與多段斜率相反的增益補償，從而達到不隨傳感光纖使用時間而改變的溫度測量。

技術(shù)特征：

1.一種分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)，其特征在于，包括：強脈沖激光器、第一弱脈沖激光器、第二弱脈沖激光器、3*1光開關(guān)、三端口光纖環(huán)形器、高溫傳感光纖、1*2光纖分束器、二個帶濾波片的光電探測器、2個可變增益放大器、信號處理單元；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)，其特征在于，所述高溫傳感光纖沿高溫管道布置，且多段彎曲，測量溫度范圍為400-700°c。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)，其特征在于，所述高溫傳感光纖的長度為幾十米至數(shù)公里，采用鍍銅合金保護層多模光纖。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)，其特征在于，所述強脈沖激光器產(chǎn)生1550nm激光，所述二個帶濾波片的光電探測器中，其中一個光電探測器前端覆有1450nm波段的反斯多克斯濾波片，另一個光電探測器前端覆有1650nm波段的斯多克斯濾波片。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一弱脈沖激光器產(chǎn)生與反斯多克斯光波長相同的1450nm波段激光。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二弱脈沖激光器產(chǎn)生與斯多克斯光波長相同的1650nm波段激光。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)，其特征在于，所述2個可變增益放大器采用高速可變增益模擬放大器。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理單元包含ad采樣、數(shù)字濾波、分布式溫度算法計算、產(chǎn)生二個可變增益放大器的多段控制信號、溫度值傳遞給上位機和報警功能。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)實現(xiàn)的校正方法，其特征在于，包括：脈沖的強激光光源在所述高溫傳感光纖內(nèi)產(chǎn)生拉曼效應(yīng)的反斯多克斯和斯多克斯光，二束光返回所述三端口光纖環(huán)形器由第三端口輸出，經(jīng)所述二個濾波片分別濾出反斯多克斯光和斯多克斯光，再分別由二個光電探測器變?yōu)槎M電信號，二組電信號分別對應(yīng)連接所述二個可變增益放大器；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種分布式光纖管道高溫測量系統(tǒng)及其實現(xiàn)的校正方法，當(dāng)測量400?700°C高溫管道時，傳統(tǒng)測量系統(tǒng)隨著溫度增高和使用時間的增加，測量誤差會巨烈增加，其機理是拉曼效應(yīng)中反斯多克斯光和斯多克斯光波段的光纖損耗增加所致；同時，在測量光纖在高溫管道中的彎曲也會導(dǎo)致?lián)p耗的不一致。為此，增加二個反斯多克斯光和斯多克斯光波段的脈沖弱光激光器和一個光開關(guān)，可以監(jiān)測沿測量光纖的損耗變化，并由此可以產(chǎn)生二組多段反斜率的控制信號，分別控制二個可變增益放大器的控制端，使得可變增益放大器的輸出端到達初始的設(shè)定值，從而多段校正高溫光纖測量誤差。

技術(shù)研發(fā)人員：周柯江,許壯偉,徐正國,葉煒,闕子俊
受保護的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)湖州研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9