面向煤田采空区火源钻孔探测的分布式光纤温度传感方法
阅读说明：本技术 面向煤田采空区火源钻孔探测的分布式光纤温度传感方法 (Distributed optical fiber temperature sensing method for coal field goaf fire source drilling detection ) 是由 李健 刘硕 王俊峰 张明江 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于煤田火源钻孔探测技术领域,具体是一种面向采空区煤田火源钻孔探测的高精度分布式光纤拉曼传感方法。包括以下步骤：S1、定标阶段：将传感光纤放置在一个温度恒定的温度场中,向传感光纤中发射单脉冲,测量激光脉冲在传感光纤中的各个位置激发的拉曼散射光信号；S2、测量阶段：向传感光纤中发射单脉冲,测量激光脉冲在传感光纤中各个位置激发的拉曼散射光信号；S3、解调得到传感光纤中温度突变点的温度。本发明可以解决传统分布式光纤拉曼传感系统因空间分辨率不足导致系统测温精度下降的问题,可应用于煤田火源钻孔探测领域。(The invention belongs to the technical field of coal field fire source drilling detection, and particularly relates to a high-precision distributed optical fiber Raman sensing method for goaf coal field fire source drilling detection. The method comprises the following steps: s1, calibration stage: placing a sensing optical fiber in a temperature field with constant temperature, transmitting a single pulse into the sensing optical fiber, and measuring Raman scattering optical signals excited by laser pulses at each position in the sensing optical fiber; s2, measurement stage: emitting a single pulse into the sensing optical fiber, and measuring Raman scattering optical signals excited by the laser pulse at each position in the sensing optical fiber; and S3, demodulating to obtain the temperature of the temperature mutation point in the sensing optical fiber. The invention can solve the problem that the temperature measurement precision of the traditional distributed optical fiber Raman sensing system is reduced due to insufficient spatial resolution, and can be applied to the field of coal field fire source drilling detection.)
技术领域
本发明属于煤田火源钻孔探测技术领域，具体是一种面向煤田采空区火源钻孔探测的高精度分布式光纤拉曼传感方法。
背景技术
煤炭是重要的工业原料，目前依然是最重要的能源资源。在煤炭开采、储存和运输过程中，煤自燃是可能发生的较严重的事故类型，是世界范围内亟需解决的重要问题之一，若处置不当，可能会造成社会和生态失衡。尤其在高瓦斯矿井中，煤自燃灾害极易导致瓦斯或煤尘爆炸等次生灾害发生。
煤层自燃火灾发生于地下，其火源的隐蔽性，给灭火及温度监控、测定工作带来相当大的困难。因此采取向火区打钻灭火的治理工作中，通过钻孔测温来测定监控钻孔温度和制定灭火方案是较为有效的科技手段。钻孔地温分布可以真实地反映矿区的地温场特征。在煤田测井中普遍进行钻孔测温，利用钻孔的温度分布曲线，通过对其影响因素分析，可对整个矿区的低温场特征及其形成机制有全面客观的认识。由于分布式光纤拉曼温度传感系统仅对温度变化这一物理量敏感，且具有分布式、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，特别适用于基于温度突变特征识别的煤田火源钻孔探测火。目前，国内外研究人员已经初步将分布式光纤拉曼传感技术应用煤田火源钻孔探测中。
测温精度是分布式光纤拉曼传感技术的重要性能指标，体现出系统对环境温度突变的监测能力，该指标对基于分布式光纤传感技术的煤田及其巷道钻孔区域的火源探测至关重要。现有分布式光纤拉曼传感系统，由于米量级空间分辨率的限制，使煤田微小火源区域的温度变化信息被淹没在环境噪声中，导致由微小隐蔽火源产生的温度变化特征难以识别，最终丧失早发现早治理的良机，极可能引发煤矿重大安全事故并进一步引发次生灾害。因此，在面向煤田火源钻孔探测的安全监测领域，由于米量级空间分辨率导致系统测温精度恶化的技术瓶颈限制了分布式光纤拉曼测温系统的应用。
我国在制定线型感温火灾探测器国家标准时专门设立了一项“小尺寸高温响应性能”，要求探测器任一段长度为100mm的敏感部件能够迅速监测高温变化，以期在火势较小甚至小范围急剧升温的情况下及时有效的进行预警，从而将火灾扑灭在萌芽状态。而分布式光纤测温技术可以实现光纤上任一点温度的感知，但此方法是检测一段区域内(系统空间分辨率尺寸内)温度的平均值，对于尺寸小于系统空间分辨率(通常为1m)的热源的探测结果远远小于其真实温度值，因此，现有拉曼分布式光纤传感方法难以用于小尺寸火源的监测。
基于此，有必要发明一种全新的温度解调方法，以解决现有分布式光纤拉曼传感系统由于空间分辨率较低导致系统测温精度下降的问题，使其可以实现采空区煤田火源钻孔探测。
发明内容
为了解决现有分布式光纤拉曼传感系统中测温精度受限于系统米量级空间分辨率的技术瓶颈，使其在采空区和煤矿巷道难以实现钻孔隐蔽火源的探测的技术问题，本发明提出了一种面向煤田采空区火源钻孔探测的分布式光纤温度传感方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种面向煤田采空区火源钻孔探测的分布式光纤温度传感方法，采用的传感装置包括脉冲激光器和传感光纤，传感光纤(4)铺设于采空区煤田钻孔区域，所述传感方法包括以下步骤：
S1、定标阶段：将传感光纤放置在一个温度恒定为To的温度场中，向传感光纤中发射单脉冲，测量激光脉冲在传感光纤中的各个位置激发的拉曼散射光信号；
S2、测量阶段：向传感光纤中发射单脉冲，测量激光脉冲在传感光纤中各个位置激发的拉曼散射光信号；
S3、解调阶段：计算传感光纤中各处的斜率辅助系数，判断传感光纤中的温度突变点；根据定标阶段和测量阶段测量得到的拉曼散射光信号，计算得到传感光纤中的非突变点的温度，根据相邻两个采样时刻测量到的激光脉冲在传感光纤产生的拉曼散射光信号强度，以及到传感光纤中的非突变点的温度，解调得到传感光纤中温度突变点的温度，进而得到传感光纤沿线的温度信息分布；其中，温度突变点的温度解调公式为：
其中，Δf1和Δf2分别为第i个和第i+1个采样时刻对应的脉冲起始点之间的采样点个数和脉冲末位点位置之间的采样点个数，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δυ为拉曼频移，Tnon-FUT为非突变点的温度，Li和Li+1分别表示第i个和第i+1个采样时刻激光脉冲所处的位置，φslope表示斜率辅助系数。
所述步骤S3中，斜率辅助系数的计算公式为：
其中，φa(Li)和φa(Li+1)分别表示测量阶段激光脉冲在Li和Li+1位置处所激发的拉曼散射信号光强，φa0(Li)表示定标阶段激光脉冲在Li位置处所激发的拉曼散射信号光强的拉曼散射信号光强；
非突变点温度的计算公式为：
其中，φa0(L)表示定标阶段激光脉冲在传感光纤L位置处所激发的拉曼散射信号光强；φa(L)表示测量阶段激光脉冲在传感光纤L位置处所激发的拉曼散射信号光强。
所述步骤S1和步骤S2中，采集的拉曼散射光信号为拉曼散射反斯托克斯光。
所述传感装置还包括：波分复用器、光电探测器、数据采集卡和计算机；
所述脉冲激光器发出的激光脉冲经波分复用器后依次入射至传感光纤；在传感光纤中产生的拉曼散射光经波分复用器输出后被所述光电探测器探测，探测信号经数据采集卡采集后发送至所述计算机。
所述计算机用于根据光电探测器的探测信号解调得到传感光纤沿线的温度信息分布。
所述传感装置还包括放大器，所述放大器用于放大所述光电探测器输出的电信号后发送给所述数据采集卡。
所述脉冲激光器输出的光信号波长为1550nm，所述波分复用器的波长为1450nm/1550nm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提出了面向煤田采空区火源钻孔探测的分布式光纤温度传感方法，其基于斜率辅助解调技术的分布式光纤拉曼温度解调原理实现，本发明通过传感光纤沿线斜率辅助区域的反斯托克斯光的光强斜率数据，计算出传感光纤沿线的分布式温度突变信息，进一步定位出采空区和煤矿巷道钻孔区域的自燃隐患位置，本发明通过计算基于传感光纤温度变化区域的斜率辅助系数就可以计算出传感光纤沿线的突变温度信息，避免了传统拉曼分布式光纤技术中由于光时域反射定位原理使小区域范围内的温度突变信息淹没在脉宽尺度内的噪声中，解决了传统分布式光纤拉曼传感系统因空间分辨率不足导致系统测温精度下降的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种面向煤田采空区火源钻孔探测的分布式光纤温度传感方法采用的传感装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中激光脉冲传输的示意图；
图中：1-脉冲激光器，2-波分复用器，4-传感光纤，5-雪崩光电探测器，6-放大器，7-数据采集卡，8-计算机，9-温度正常点，10-温度异常点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例的一种面向煤田采空区火源钻孔探测的分布式光纤温度传感方法采用的传感装置的结构示意图，本实施例中，所述传感装置包括：脉冲激光器1、波分复用器2、传感光纤4、光电探测器5、数据采集卡7和计算机8。
具体地，如图1所示，所述波分复用器2的第一端口a与所述脉冲激光器1信号输出端连接，所述波分复用器2的第二端口b与所述传感光纤4的一端连接；所述波分复用器2的第三端口c与所述雪崩光电探测器5连接；所述波分复用器2用于将所述脉冲激光器1输出的光信号发送至所述传感光纤4，还用于将背向散射回来的光信号中的反斯托克斯光发送至所述光电探测器5；所述光电探测器5用于采集背向散射光信号中反斯托克斯光信号并转换为电信号，所述数据采集卡7用于采集所述电信号并发送给所述计算机8，所述计算机8用于根据反斯托克斯信号，进行解调得到所述传感光纤4沿线分布式突变温度场信息。传感光纤4铺设于采空区煤田钻孔区域。
进一步地，如图2所示，本实施例提供的一种面向煤田火源钻孔探测的分布式光纤拉曼传感装置，还包括放大器6，所述放大器6用于放大所述光电探测器5输出的电信号后发送给所述数据采集卡7。
进一步地，本实施例中，所述脉冲激光器1输出的光信号波长为1550nm，所述波分复用器2的波长为1450nm/1550nm，激光器出射的波长为1550nm入射光从波分复用器的a端口进入波分复用器；b端口射出后进入传感光纤4，背向散射回来的反斯托克斯光波长分别为1450nm，其通过波分复用器2的b端口返回波分复用器2，然后分别从c端口注入雪崩光电探测器5。
具体地，本实施例提供的一种面向煤田采空区火源钻孔探测的分布式光纤温度传感方法包括以下步骤：
S1、定标阶段：将传感光纤4放置在一个温度恒定为To的温度场中，向传感光纤4中发射单脉冲，测量对应的激光脉冲在传感光纤中的各个位置处产生的拉曼散射光信号。
为了补偿传感光纤衰减等参数对温度解调结果的影响，本实施例中，在测温前需要将全部传感光纤放置在一个恒定的温度场(To)中进行定标处理。定标处理时，基于单脉冲采集的拉曼散射信号光强如式(1)所示。
式中，T0为定标阶段的传感光纤4的温度。其中，Li是第i个采样时刻激光脉冲所在的位置；Ka是与光纤散射截面有关的系数，P为脉冲光源的入射功率，λa是反斯托克斯光的光频率，α0和αa分别是入射光和反斯托克斯光的光损耗系数。Ra表示与温度有关的调制函数，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δυ为拉曼频移，为13.2THz。
S2、测量阶段：向传感光纤4中发射单脉冲，测量激光脉冲在传感光纤4中各个位置激发的拉曼散射光信号。
S3、解调阶段：计算传感光纤中各处的斜率辅助系数，判断传感光纤中的温度突变点；根据定标阶段和测量阶段测量得到的拉曼散射光信号，计算得到传感光纤4中的非突变点的温度，根据相邻两个采样时刻测量到的激光脉冲在传感光纤4产生的拉曼散射光信号强度，以及到传感光纤中4的非突变点的温度，解调得到传感光纤4中温度突变点的温度，进而得到传感光纤4沿线的温度信息分布。
下面对本发明实施例的测量原理和解调原理进行说明。
首先，对本实施例中的测量阶段分两个阶段分别进行说明。
测量阶段1：当激光脉冲处于传感光纤4中的温度正常点9和温度异常点10的分界位置时，即激光脉冲即将离开温度正常点9时，数据采集卡7在第i个采样时刻采集到的拉曼散射信号光强φa(Li)可以表示为：
其中，Ra(Tnon-FUT)＝[exp(hΔν/kTnon-FUT)-1]-1，Ra(TFUT)＝[exp(hΔν/kTFUT)-1]-1。
式中，φa(Li)为第i个采样时刻，即激光脉冲在Li位置处时，所激发的反斯托克斯光光强，Ka是与光纤散射截面有关的系数，P为脉冲光源的入射功率，λa是反斯托克斯光的光频率，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δυ为拉曼频移，为13.2THz。α0和αa分别是入射光和反斯托克斯光的光损耗系数。Tnon-FUT是传感光纤4中温度正常点9的绝对温度，TFUT为传感光纤4中温度异常点10的绝对温度。Ls1是激光脉冲在Li位置处时激光脉冲的起始位置点，Lf1是激光脉冲在Li位置处时激光脉冲的末尾位置点，Lm1为传感光纤中温度正常点9和温度异常点10的分界位置。
测量阶段2：在第i+1个采样时刻，该激光脉冲仍处于传感光纤4中温度正常点9和温度异常点10的分界位置，此时激光脉冲所处的位置记为Li+1，数据采集卡7采集到的拉曼散射信号光强φa(Li+1)可以表示为：
式中，φa(Li+1)为测量阶段激光脉冲在Li+1位置处所激发的反斯托克斯光光强，Ls2是激光脉冲在Li+1位置处时激光脉冲的起始位置点，Lf2是激光脉冲在Li+1位置处激光脉冲的末尾位置点，Lm2为传感光纤中温度正常点9和温度异常点10的分界位置(Lm2＝Lm1)。
然后，对本实施例中的解调阶段分三个阶段分别进行说明。
解调阶段1：基于公式(1)和公式(2)的拉曼反斯托克斯信号的光强比值可以补偿光纤衰减等系数，如下式所示。
解调阶段2：基于公式(2)和公式(3)的拉曼反斯托克斯信号的光强比值可以补偿光纤衰减等系数，如下式所示。
解调阶段3：基于式(4)和式(5)，可以计算出斜率辅助系数φslope，如式(6)所示。
在公式(6)中，To、Tnon-FUT、Li和Li+1为常数，因此斜率辅助系数φslope与传感光纤区域的温度(TFUT)呈现一个确定的函数关系，对式子(6)进行变形，可以得到式(7)。
其中，Δf1为距离Ls1至LS2的采样点数，Δf2为距离Lf1至Lf2的采样点数，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，Δυ为拉曼频移，Tnon-FUT是测量阶段传感光纤中温度正常点9绝对温度，因此，基于式(7)，可以解调出传感光纤4沿线的实际温度信息(TFUT)。
进一步地，本实施例中，测量阶段传感光纤中温度正常点9绝对温度Tnon-FUT的计算公式为：
式(8)中，φa0(L)表示定标阶段激光脉冲在传感光纤L位置处所激发的拉曼散射信号光强；φa(L)表示测量阶段激光脉冲在传感光纤L位置处所激发的拉曼散射信号光强，φa0(L)和φa(L)可以通过分别定标阶段和测量阶段的测量得到。
综上所述，本发明提供了面向煤田采空区火源钻孔探测的分布式光纤温度传感方法，其基于斜率辅助解调技术的分布式光纤拉曼温度解调原理实现，通过传感光纤沿线斜率辅助区域的反斯托克斯光的光强斜率数据，计算出传感光纤沿线的分布式温度突变信息，进一步定位出采空区和煤矿巷道钻孔区域的自燃隐患位置，本发明可以解决传统分布式光纤拉曼传感系统因空间分辨率不足导致系统测温精度下降的问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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