[發明專利]一種解決分布式光纖拉曼溫度傳感系統溫度漂移的方法

有效

• 申請號: 201510061623.4
• 申請日: 2015-02-05
• 公開（公告）號: CN104596670B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 于淼;常天英;崔洪亮;陳建冬;劉野;郎金鵬
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙)22103
• 代理人: 郭耀輝

技術領域

本發明涉及一種解決分布式光纖拉曼溫度傳感系統溫度漂移的方法，特別是涉及可使系統在-25℃到45℃環境溫度變化下穩定運行的動態溫度取樣模塊與動態取樣校正方法的聯合開發以及小波分析方法在

分布式光纖拉曼溫度傳感系統中的具體應用。

背景技術

分布式光纖拉曼溫度傳感系統(DTS)是基于自發拉曼散射(Raman Scattering)原理，實現對光纖沿線區域溫度的測量，光纖既作為溫度信息的傳感介質，又作為溫度信息的傳輸介質，運用光時域反射(OTDR)技術能精確的確定溫度信息的位置。

入射光進入光纖后，光纖中的光學光子和光學聲子發生非彈性碰撞，產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，其強度受溫度調制，而斯托克斯光的光強受溫度影響極小。因此，把反斯托克斯光作為信號光，斯托克斯光作為參考光，通過兩者光強的比值解調出傳感區域的溫度信息，同時可以有效地消除光纖傳輸損耗、熔接損耗、光纖接頭損耗以及彎曲損耗等造成的影響。

當光脈沖在光纖內傳輸時，會由于光纖本身的性質、連接器、彎曲或其他類似的事件而產生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光將經過同樣的路徑延時返回到入射端。光時域反射(OTDR)技術根據入射信號與其返回信號的時間差τ，利用L＝cτ/2n計算上述事件點與OTDR設備的距離L，從而確定事件發生的具體位置，其中，c是光在真空中的傳播速度，n為光纖纖芯的有效折射率。

典型的分布式光纖拉曼溫度傳感系統，包括脈沖激光光源，其輸出光經波分復用器進入傳感光纖，返回的拉曼后向散射光再由波分復用器進行分光及濾波，得到的斯托克斯光和反斯托克斯光經過由反向偏置電路驅動的雪崩二極管進行光電轉換和放大，生成的電信號由高速數據采集卡同步采集、累加，最后交由上位機進行相關的數值運算和數字信號處理，實現對待測區域溫度的分布式測量。

分布式光纖拉曼溫度傳感系統在環境溫度變化下運行的穩定性是衡量系統性能的重要指標之一。現有技術已逐步達到對光源、波分復用器、光電轉換放大器的穩定性控制，脈沖激光光源采用自動功率控制(APC)技術保障光源輸出功率的長期穩定性，采用自動溫度控制(ATC)技術維持脈沖激光光源工作環境溫度的穩定；波分復用器使用隔熱性較好的材料進行封裝，防止溫度變化時分光器波長的漂移；光電轉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，依據這一特性，國內發明專利(CN101551280A)公開了一種可以利用溫敏元件的反饋信息調節其供電電壓，從而保證環境溫度變化時APD光電轉換倍乘因子不變。以上技術的應用對分布式光纖拉曼溫度傳感系統穩定性的提高起到了重要的作用，但是以上技術只是使各模塊的溫度效應在有限范圍內得到補償，系統中的其它器件的工作性能還是會受到溫度變化的影響。為從系統整體上消除這種影響，可將系統放置到可控恒溫箱內，但增加了系統的成本、犧牲了系統的靈活性，而且對于溫度變化較快的應用環境，動態響應速度較差，同時無法排除系統中各元器件的微小串擾對系統穩定性的影響。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提出了一種解決分布式光纖拉曼溫度傳感系統溫度漂移的方法。本發明可從系統整體角度動態解決因溫度變化以及系統內元器件間微小串擾引起的系統溫度漂移、失準現象，從而提高了系統的穩定性，減小了系統測溫誤差。

本發明所采用的技術方案是：改進后的分布式光纖拉曼溫度傳感系統如圖1所示，其特點是：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用器，與光波分復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，與光波分復用器相連的兩個光電轉換放大器，分別與脈沖激光光源觸發端、兩個光電轉換放大器輸出端相連的高速數據采集卡，與高速數據采集卡輸出端相連的工控主機，與工控主機相連的溫度探測模塊以及存儲于工控主機內的上位機軟件。

所述脈沖激光光源的光功率、脈沖寬度以及重復頻率可調；光波分復用器為光柵型波分復用器，由隔熱性較好的熱塑性高分子材料(ABS)封裝；光電轉換放大器是由反向偏置電路驅動的雪崩光電二極管進行光電轉換及放大；高速數據采集卡由脈沖激光光源觸發，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換為數字信號。