阅读说明：本技术 利用双向拉曼散射信号实现长距离免标定测温方法及系统 (Method and system for realizing long-distance calibration-free temperature measurement by utilizing bidirectional Raman scattering signals ) 是由 邓屹 李海瑜 马世业 徐进东 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种利用双向拉曼散射信号实现长距离免标定测温的方法。本发明的另一个技术方案是提供了一种利用双向拉曼散射信号实现长距离免标定测温的系统,其特征在于,将光纤拉曼解调仪表DTS-1及光纤拉曼解调仪表DTS-2分别放置待测光缆两端,利用前述的方法求解得到待测光缆的温度T。本发明增长了测量距离。同时由于是同一根光缆,其损耗条件和温度场的分布完全一致,将两台仪表的测量通过算法处理,消除了损耗系数,实现了免标定的温度测量。(The invention provides a method for realizing long-distance calibration-free temperature measurement by using a bidirectional Raman scattering signal. The invention also provides a system for realizing long-distance calibration-free temperature measurement by using the bidirectional Raman scattering signal, which is characterized in that an optical fiber Raman demodulation instrument DTS-1 and an optical fiber Raman demodulation instrument DTS-2 are respectively placed at two ends of the optical cable to be measured, and the temperature T of the optical cable to be measured is obtained by solving by using the method. The invention increases the measuring distance. Meanwhile, because the same optical cable has the loss condition completely consistent with the distribution of the temperature field, the measurement of the two instruments is processed by an algorithm, the loss coefficient is eliminated, and the calibration-free temperature measurement is realized.)

利用双向拉曼散射信号实现长距离免标定测温方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及利用光纤拉曼散射信号实现长距离温度测量的方法及采用该方法的系统。

背景技术

分布式光纤拉曼温度传感系统是利用光纤中拉曼散射现象进行温度测量，具体来说入射的光脉冲会产生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的应用范围越来越广，但也随之暴露出一些问题。包括探测距离很难进一步增加，由于拉曼测温需要避免受激拉曼散射，因此无法通过提升光功率的方式延长测量距离。此外拉曼测温是通过对比反斯托克斯散射光和斯托克斯拉曼散射光的强度变化来进行温度换算，而不同光缆，甚至同一光缆在不同布设条件下，其损耗特性会有不同，因此分布式光纤拉曼传感系统需要在测量前首先对待测光缆进行损耗测量及温度标定。

分布式光纤拉曼传感系统由于无法使用通信常见的拉曼在线放大技术，同时过高的光功率也会引起受激拉曼散射，即使采用编码脉冲等技术，例如：专利CN201310177011.2和CN201510626442.1等，目前最大测量距离普遍确定为30公里。而编码脉冲则会导致光源控制和解调的难度加大。

为了实现分布式光纤拉曼传感系统的免标定，通常采用双光源方法(如图1所示)或是环形回路的测量方法(如图2所示)。前者需要两个激光器的波长间隔等于拉曼斯托克斯波长的间隔(即100nm)。后者将待测光缆的两端接入到同一台光纤拉曼解调仪表的两个通道，导致测量距离减半。

上述方法均只针对部分问题，没能将长距离和免标定一并解决。

发明内容

本发明的目的是：利用光纤拉曼散射信号实现光缆长距离免标定温度测量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种利用双向拉曼散射信号实现长距离免标定测温的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在待测光缆两端各放置一台光纤拉曼解调仪表，分别为光纤拉曼解调仪表DTS-1及光纤拉曼解调仪表DTS-2，其中：光纤拉曼解调仪表DTS-1在接收自身发射脉冲的后向拉曼散射信号的同时，还接收光纤拉曼解调仪表DTS-2发射脉冲的前向拉曼散射信号；光纤拉曼解调仪表DTS-2在接收自身发射脉冲的后向拉曼散射信号的同时，还接收光纤拉曼解调仪表DTS-1发射脉冲的前向拉曼散射信号；

对于光纤拉曼解调仪表DTS-1，有：

对于光纤拉曼解调仪表DTS-2，有：

光纤拉曼解调仪表的温度换算公式为：

式(1)至式(5)中，C_T为温度灵敏度系数；α₀、α_s和α_as分别是入射光、斯托克斯和反斯托克斯光的损耗系数；K_as和K_s分别为反斯托克斯和斯托克斯散射光的玻尔兹曼因子，与分子能级的布局数有关；η_as和η_s分别为反斯托克斯和斯托克斯散射光的散射截面系数；温度T为待求解量；

分别是来自光纤拉曼解调仪表DTS-1、光纤拉曼解调仪表DTS-2的斯托克斯光强信号；分别是来自光纤拉曼解调仪表DTS-1、光纤拉曼解调仪表DTS-2的反斯托克斯光强信号；分别是来自光纤拉曼解调仪表DTS-1、光纤拉曼解调仪表DTS-2的初始光强信号；z为带测温点位置距DTS-1的距离，L为待测光缆总长度；

步骤2、根据式(5)进行温度解调得：

式(6)中，

则有：

步骤4、利用公式(9)求解得到温度T。

本发明的另一个技术方案是提供了一种利用双向拉曼散射信号实现长距离免标定测温的系统，其特征在于，包括光纤拉曼解调仪表DTS-1及光纤拉曼解调仪表DTS-2，将光纤拉曼解调仪表DTS-1及光纤拉曼解调仪表DTS-2分别放置待测光缆两端，光纤拉曼解调仪表DTS-1在接收自身发射脉冲的后向拉曼散射信号的同时，还接收光纤拉曼解调仪表DTS-2发射脉冲的前向拉曼散射信号；光纤拉曼解调仪表DTS-2在接收自身发射脉冲的后向拉曼散射信号的同时，还接收光纤拉曼解调仪表DTS-1发射脉冲的前向拉曼散射信号，利用上述的方法求解得到待测光缆的温度T。

本发明产生的有益效果是：通过在待测光缆两端各放置一台光纤拉曼解调仪表组成长距离免标定的分布式光纤测温系统，利用了前向和后向两个散射光，增长了测量距离。同时由于是同一根光缆，其损耗条件和温度场的分布完全一致，将两台仪表的测量通过算法处理，消除了损耗系数，实现了免标定的温度测量。

附图说明

图1为双光源光纤光栅传感器监测网络示意图，图中，λ_P为第一个光源的入射脉冲波长，λ_as为第一个光源的反斯托克斯波长，λ_P2为第二个光源的入射脉冲波长，λ_s2为第二个光源的斯托克斯波长。

图2为环形回路的测量方法示意图；

图3为本发明专利的长距离免标定的分布式光纤测温系统，即在待测光缆两端各放置一台光纤拉曼解调仪表。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图3所示，本发明提供的一种利用双向拉曼散射信号实现长距离免标定测温的方法包括以下步骤：

步骤1、在待测光缆两端各放置一台光纤拉曼解调仪表，分别为光纤拉曼解调仪表DTS-1及光纤拉曼解调仪表DTS-2，其中：光纤拉曼解调仪表DTS-1在接收自身发射脉冲的后向拉曼散射信号的同时，还接收光纤拉曼解调仪表DTS-2发射脉冲的前向拉曼散射信号；光纤拉曼解调仪表DTS-2在接收自身发射脉冲的后向拉曼散射信号的同时，还接收光纤拉曼解调仪表DTS-1发射脉冲的前向拉曼散射信号。

对于光纤拉曼解调仪表DTS-1，有：

对于光纤拉曼解调仪表DTS-2，有：

光纤拉曼解调仪表的温度换算公式为：

式(1)至式(5)中，C_T为温度灵敏度系数；α₀、α_s和α_as分别是入射光、斯托克斯和反斯托克斯光的损耗系数；K_as和K_s分别为反斯托克斯和斯托克斯散射光的玻尔兹曼因子，与分子能级的布局数有关；η_as和η_s分别为反斯托克斯和斯托克斯散射光的散射截面系数；温度T为待求解量；分别是来自光纤拉曼解调仪表DTS-1、光纤拉曼解调仪表DTS-2的斯托克斯光强信号；分别是来自光纤拉曼解调仪表DTS-1、光纤拉曼解调仪表DTS-2的反斯托克斯光强信号；分别是来自光纤拉曼解调仪表DTS-1、光纤拉曼解调仪表DTS-2的初始光强信号；z为带测温点位置距DTS-1的距离，L为待测光缆总长度；

对于传统的单台分布式光纤测温方法，以仅使用光纤拉曼解调仪表DTS-1为例，由式(5)可得：

对式(6)两边取对数，可以求解温度T。但可以看到，其中α_s和α_as的数值与光缆有关，甚至与同一光缆中不同铺设条件均有影响。因此必须要进行光缆的现场损耗标定。此外，式(6)中仅利用了后向散射信号。

本发明中，将两台分布式光纤测温仪表放置在同一待测光缆的两端，采取以下步骤：

步骤2、根据式(5)进行温度解调可得：

式(7)中，

对式(8)合并化简可得

同理可得：

则有：

对比公式(6)和公式(11)，可以看到公式(11)中损耗系数通过系数比值抵消，且信号中增加了前向散射光强。即本发明可以测量更远的距离，且不需要进行光缆的现场的标定。

步骤3、利用公式(11)求解得到温度T。

与传统方式仅利用后向拉曼散射信号相比，本发明充分利用了前向和后向拉曼散射信号，可以有效提升测量距离。此外，根据公式(6)和公式(11)的对比可知，传统的光纤测温系统温度解调与斯托克斯和反斯托克斯的衰减有关，因此不同光缆，甚至与同一光缆中不同铺设条件对损耗均有影响，这是造成传统方法必须要进行光缆的现场损耗标定的直接原因。而本发明专利提出将两台光纤拉曼解调仪表的结果进行统一处理，如式(11)所示，可以消除光缆损耗因子，因此无需现场标定。从而实现长距离测量与免标定的双重目的。