一種解決分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)溫度漂移的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種解決分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)溫度漂移的方法，特別是設(shè)及 可使系統(tǒng)在-25°c到45°C環(huán)境溫度變化下穩(wěn)定運(yùn)行的動態(tài)溫度取樣模塊與動態(tài)取樣校正 方法的聯(lián)合開發(fā)W及小波分析方法在分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)值T巧是基于自發(fā)拉曼散射（Raman Scattering) 原理，實(shí)現(xiàn)對光纖沿線區(qū)域溫度的測量，光纖既作為溫度信息的傳感介質(zhì)，又作為溫度信息 的傳輸介質(zhì)，運(yùn)用光時域反射（OTDR)技術(shù)能精確的確定溫度信息的位置。
[0003] 入射光進(jìn)入光纖后，光纖中的光學(xué)光子和光學(xué)聲子發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生對溫度 敏感的拉曼散射。在非彈性碰撞過程中，由入射光釋放一個高頻聲子形成的光分量稱為斯 托克斯（Stokes)光，其波長大于入射光的波長，由入射光吸收一個高頻聲子后形成的光分 量稱為反斯托克斯（Anti-Stokes)光，其波長小于入射光的波長，反斯托克斯光對溫度敏 感，其強(qiáng)度受溫度調(diào)制，而斯托克斯光的光強(qiáng)受溫度影響極小。因此，把反斯托克斯光作為 信號光，斯托克斯光作為參考光，通過兩者光強(qiáng)的比值解調(diào)出傳感區(qū)域的溫度信息，同時可 W有效地消除光纖傳輸損耗、烙接損耗、光纖接頭損耗W及彎曲損耗等造成的影響。
[0004] 當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，會由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、彎曲或其他類似的事 件而產(chǎn)生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光將經(jīng)過同樣的路徑延時返回到入射端。 光是域反射（0TDR)技術(shù)根據(jù)入射信號與其返回信號的時間差T，利用L = C T /化計算上 述事件點(diǎn)與0TDR設(shè)備的距離L，從而確定事件發(fā)生的具體位置，其中，C是光在真空中的傳 播速度，n為光纖纖巧的有效折射率。
[0005] 典型的分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)，包括脈沖激光光源，其輸出光經(jīng)波分復(fù)用 器進(jìn)入傳感光纖，返回的拉曼后向散射光再由波分復(fù)用器進(jìn)行分光及濾波，得到的斯托克 斯光和反斯托克斯光經(jīng)過由反向偏置電路驅(qū)動的雪崩二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大，生成的 電信號由高速數(shù)據(jù)采集卡同步采集、累加，最后交由上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值運(yùn)算和數(shù)字信 號處理，實(shí)現(xiàn)對待測區(qū)域溫度的分布式測量。
[0006] 分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)在環(huán)境溫度變化下運(yùn)行的穩(wěn)定性是衡量系統(tǒng)性能 的重要指標(biāo)之一?，F(xiàn)有技術(shù)已逐步達(dá)到對光源、波分復(fù)用器、光電轉(zhuǎn)換放大器的穩(wěn)定性控 審IJ，脈沖光源采用自動功率控制（APC)技術(shù)保障光源輸出功率的長期穩(wěn)定性，采用自動溫 度控制（ATC)技術(shù)維持光源工作環(huán)境溫度的穩(wěn)定；波分復(fù)用器使用隔熱性較好的材料進(jìn)行 封裝，防止溫度變化時分光器波長的漂移；光電轉(zhuǎn)換放大器中的雪崩光電二極管對溫度的 變化較為敏感，它的增益隨溫度的升高而降低，隨溫度的降低而增大，依據(jù)該一特性，國內(nèi) 發(fā)明專利（CN101551280A)公開了一種可W利用溫敏元件的反饋信息調(diào)節(jié)其供電電壓，從 而保證環(huán)境溫度變化時ATO光電轉(zhuǎn)換倍乘因子不變。W上技術(shù)的應(yīng)用對分布式光纖拉曼溫 度傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高起到了重要的作用，但是W上技術(shù)只是使各模塊的溫度效應(yīng)在有 限范圍內(nèi)得到補(bǔ)償，系統(tǒng)中的其它器件的工作性能還是會受到溫度變化的影響。為從系統(tǒng) 整體上消除該種影響，可將系統(tǒng)放置到可控恒溫箱內(nèi)，但增加了系統(tǒng)的成本、犧牲了系統(tǒng)的 靈活性，而且對于溫度變化較快的應(yīng)用環(huán)境，動態(tài)響應(yīng)速度較差，同時無法排除系統(tǒng)中各元 器件的微小串?dāng)_對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種解決分布式光纖拉曼溫度傳感 系統(tǒng)溫度漂移的方法。本發(fā)明可從系統(tǒng)整體角度動態(tài)解決因溫度變化W及系統(tǒng)內(nèi)元器件 間微小串?dāng)_引起的系統(tǒng)溫度漂移、失準(zhǔn)現(xiàn)象，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小了系統(tǒng)測溫誤 差。
[000引本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：改進(jìn)后的分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)如圖1所 示，其特點(diǎn)是；包括脈沖激光光源，與脈沖激光光源的輸出端連接的光波分復(fù)用器，與光波 分復(fù)用器連接的取樣光纖盒，與取樣光纖盒輸出端相連的傳感光纖，與光波分復(fù)用器相連 的兩個光電轉(zhuǎn)換放大器，分別與脈沖激光光源觸發(fā)端、兩個光電轉(zhuǎn)換放大器輸出端相連的 高速數(shù)據(jù)采集卡，與高速數(shù)據(jù)采集卡輸出端相連的工控主機(jī)，與工控主機(jī)相連的溫度探測 模塊W及存儲于工控主機(jī)內(nèi)的上位機(jī)軟件。
[0009] 所述脈沖激光光源的光功率、脈沖寬度W及重復(fù)頻率可調(diào)；光波分復(fù)用器為光柵 型波分復(fù)用器，由隔熱性較好的熱塑性高分子材料（AB巧封裝；光電轉(zhuǎn)換放大器是由反向 偏置電路驅(qū)動的雪崩光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及放大；高速數(shù)據(jù)采集卡由脈沖激光光源觸 發(fā)，完成對斯托克斯光信號與反斯托克斯光信號的同步采集，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號。
[0010] 一種解決分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)溫度漂移的方法，設(shè)及了一種光纖取樣盒 W及溫度探測模塊的設(shè)計：光纖取樣盒用于封裝取樣光纖W及感溫探頭（Ptiooo)，內(nèi)部由 導(dǎo)熱娃脂填充，光纖取樣盒的設(shè)計W簡單、可靠、易于后期故障檢測為主要原則；溫度探測 模塊用于驅(qū)動Ptiooo完成對取樣光纖盒內(nèi)溫度的實(shí)時測量，通過探測到的溫度數(shù)據(jù)W及 取樣光纖區(qū)域的兩路光子數(shù)比值為如下所述的動態(tài)取樣校正方法提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。
[0011] 一種解決分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)溫度漂移的方法，設(shè)及了一種動態(tài)取樣校 正方法的開發(fā)，動態(tài)取樣校正方法的執(zhí)行流程圖如圖2所示；將高數(shù)數(shù)據(jù)采集卡采集到的 兩路數(shù)據(jù)各分為兩部分，一部分是相對于取樣光纖盒區(qū)域的取樣數(shù)據(jù)，另一部分是相對于 傳感光纖區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)在T。溫度下完成標(biāo)定后，如果環(huán)境溫度變化或者是系統(tǒng) 內(nèi)元器件間的微小串?dāng)_等因素造成系統(tǒng)溫度漂移、失準(zhǔn)等不穩(wěn)定現(xiàn)象，可根據(jù)溫度探測模 塊探測到的取樣光纖盒內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)TiW及在T。溫度下的定標(biāo)公式反演出該溫度下光纖 盒內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)該對應(yīng)的斯托克斯與反斯托克斯光子數(shù)的比值通過該比值與采集卡采集到 的取樣光纖盒處兩路光子數(shù)的比值A(chǔ)i，校正由采集卡采集到的傳感區(qū)域兩路光子數(shù)的比值 Bi，將校正后的比值Di帶入定標(biāo)公式，可正確的反映被測區(qū)域的溫度值T，達(dá)到消除系統(tǒng)溫 度漂移的目的。
[0012] 一種解決分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)溫度漂移的方法，設(shè)及了小波分析方法在 分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)信號處理中的應(yīng)用。小波闊值去噪的執(zhí)行流程如圖3所示： 針對系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)特征，選擇適合的小波分析基函數(shù)對原始含噪信號進(jìn)行多尺度分解， 分解成分包含信號的近似系數(shù)（低頻成分）和細(xì)節(jié)系數(shù)（高頻成分），噪聲信號通常為高頻 信號，通過軟闊值函數(shù)選擇合適的去噪闊值，完成對信號中高頻成分的處理，再利用小波逆 變換重構(gòu)信號，獲得消噪后的原始信號。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0014] (1)相比于采用恒溫裝置控制的方法，該方法對環(huán)境溫度的變化動態(tài)響應(yīng)速度快， 成本投入少，系統(tǒng)體積小，系統(tǒng)維護(hù)方便。
[0015] (2)運(yùn)用動態(tài)溫度取樣模塊與動態(tài)取樣校正方法的聯(lián)合開發(fā)，形成對系統(tǒng)的閉環(huán) 反饋調(diào)制，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、可靠，算法魯椿性強(qiáng)，系統(tǒng)功耗小。
[0016] (3)從整體角度動態(tài)維持系統(tǒng)工作穩(wěn)定，不僅解決溫度變化對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響而 且排除系統(tǒng)內(nèi)元器件間微小串?dāng)_對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
[0017] (4)使系統(tǒng)的正常工作溫度范圍擴(kuò)大到-25°c?45°C，更適合系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。
[0018] (5)采用小波分析方法去除噪聲信號，提升了系統(tǒng)的測溫精度，維持系統(tǒng)測溫誤差 在±rcw內(nèi)。
【附圖說明】
[0019] 圖1改進(jìn)后的分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
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