[發明專利]面向拉曼測溫儀的智能溫度預警方法

有效

• 申請號: 201710095023.9
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106813805B
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 張明江;李健;劉毅;張建忠;靳寶全;王東;王宇;王云才
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

1.一種面向拉曼測溫儀的智能溫度預警方法，其特征在于：包括如下步驟：

(1)、搭建分布式光纖拉曼測溫系統；

分布式光纖拉曼測溫系統包括拉曼測溫儀、第一高精度恒溫槽(9)、第二高精度恒溫槽(10)、待測光纖(11)、第一溫度傳感器(12)、第二溫度傳感器(13)；

所述拉曼測溫儀包括脈沖激光器(1)，所述脈沖激光器(1)的輸出端與WDM(2)的輸入端連接；所述WDM(2)的兩個輸出端分別與第一APD(3)的輸入端和第二APD(4)的輸入端連接；所述第一APD(3)的輸出端與第一LNA(5)的輸入端連接；所述第二APD(4)的輸出端與第二LNA(6)的輸入端連接；所述第一LNA(5)的輸出端和第二LNA(6)的輸出端均與數據采集卡(7)的輸入端連接；所述數據采集卡(7)的輸出端與計算機(8)的輸入端連接；所述計算機(8)與脈沖激光器(1)雙向連接；

所述待測光纖(11)的前端與WDM(2)的公共端連接；所述待測光纖(11)的中間部分分別繞制有第一參考光纖環和第二參考光纖環；所述第一參考光纖環放置于第一高精度恒溫槽(9)中；所述第二參考光纖環放置于第二高精度恒溫槽(10)中；所述第一溫度傳感器(12)安裝于第一高精度恒溫槽(9)上；所述第二溫度傳感器(13)安裝于第二高精度恒溫槽(10)上；所述第一溫度傳感器(12)和第二溫度傳感器(13)均與計算機(8)雙向連接；

(2)、將第一高精度恒溫槽(9)的溫度值設置為T₁，將第二高精度恒溫槽(10)的溫度值設置為T₂；然后，啟動拉曼測溫儀，脈沖激光器(1)發出的激光脈沖經WDM(2)入射到待測光纖(11)；激光脈沖在待測光纖(11)中傳播時發生自發拉曼散射，由此使得待測光纖(11)的各個位置均產生背向傳輸的Stokes光和anti-Stokes光；

Stokes光依次經WDM(2)、第一APD(3)、第一LNA(5)入射到數據采集卡(7)，數據采集卡(7)對Stokes光進行模數轉換，由此得到Stokes光的光強曲線；

anti-Stokes光依次經WDM(2)、第二APD(4)、第二LNA(6)入射到數據采集卡(7)，數據采集卡(7)對anti-Stokes光進行模數轉換，由此得到anti-Stokes光的光強曲線；

(3)、拉曼測溫儀根據采集得到Stokes光的光強數據和anti-Stokes光的光強數據解調沿光纖分布的溫度數據；

具體溫度解調公式如下：

公式中：T表示待測光纖(11)的某一位置的溫度值；φ_s表示該位置產生的Stokes光的光強值；φ_a表示該位置產生的anti-Stokes光的光強值；L表示該位置與待測光纖(11)的前端之間的距離；φ_s1表示第一參考光纖環的位置產生的Stokes光的光強值；φ_a1表示第一參考光纖環的位置產生的anti-Stokes光的光強值；φ_s2表示第二參考光纖環的位置產生的Stokes光的光強值；φ_a2表示第二參考光纖環的位置產生的anti-Stokes光的光強值；L₁表示第一參考光纖環的位置與待測光纖(11)的前端之間的距離；L₂表示第二參考光纖環的位置與待測光纖(11)的前端之間的距離；h表示普朗克常數；Δv表示光纖的拉曼頻移量；K表示玻爾茲曼常數；

(4)、輸入固定報警閾值T_h、溫差報警閾值T_d和預測報警時間T_Y，在溫度解調程序啟動的同時，三種溫度預警程序即固定閾值報警、溫差閾值報警、全光纖溫度預測報警也同時開啟；

(5)、固定閾值報警程序：若拉曼測溫儀沿光纖各點解調的溫度信息T≥T_h，則固定閾值報警程序啟動，報警指示燈亮，系統顯示出報警點位置；

(6)、溫差報警程序：連續時間內拉曼測溫儀解調同一位置的前一次溫度數據T₁與后一次測量的溫度數據T₂作差并取絕對值，得：T_a＝|T₁-T₂|，若T_a≥T_d，則溫差閾值報警程序啟動，報警指示燈亮，系統顯示出報警點位置；

(7)、全光纖溫度預測程序：連續時間內拉曼測溫儀測量同一位置的五次溫度數據分別設為T_t-4、T_t-3、T_t-2、T_t-1、T_t，其中T_t為時間為t時的拉曼測溫儀解調的溫度信息，T_t-n為時間為t時的前n次拉曼測溫儀解調的溫度信息；逐次比較這5組溫度數據是否逐次遞增，即是否符合條件T_t-4＜T_t-3＜T_t-2＜T_t-1＜T_t，若符合條件則進入全光纖溫度預測程序二，否則進入全光纖溫度預測程序一；

全光纖溫度預測程序一的預測方法為：其中，T_t代表時間為t時的測量溫度數據，T_t-n代表時間為t時的前n次解調的溫度數據，T_pr為自定義預測時間的溫度數值，且參加平均的一種歷史數據是隨著時間的向前推進而不斷更新的，每當拉曼測溫儀解調一個新的歷史數據同時，就剔除原來一組歷史數據中里預測期最遠的那個歷史數據；

全光纖溫度預測程序二的預測方法為：T_pr＝a_t+b_t[(T_Y-T_N)/t₁]，其中，T_Y為用戶自定義的預測時間，T_N為當前時間，t₁為拉曼測溫儀解調一次溫度數據所需要的時間，且T_N、T_Y與t₁的時間單位必須保持一致；其中a_t＝2T⁽¹⁾_t-T⁽²⁾_t，且

系統根據上述計算的全光纖預測溫度數據T_pr與輸入的固定報警閾值T_h比較，若T_pr＞T_h，則報警程序啟動，報警指示燈亮，系統顯示出報警點位置；

(8)、溫度解調算法和報警預測程序重新啟動，開始新一輪的溫度解調和溫度預測。