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，本发明实施例提供了一种面向燃气管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统，其基于重构分层解析信号，可实现厘米量级空间分辨率的分布式光纤拉曼传感装置。装置包括脉冲激光器1，波分复用器2，传感光纤3，雪崩光电探测器4，放大器5，高速数据采集卡6，计算机7，恒温槽8；所述脉冲激光器1的峰值输出功率为5W，其输出端与波分复用器的第一端口a连接，所述波分复用器2的第二端口b与传感光纤3的第一端口a连接，传感光纤3与波分复用器2的第二端口b的距离为5m的位置处，将长为1m的部分传感光纤3放置于恒温槽8中，波分复用器2的第三端口c与雪崩光电探测器4的输入端相连接，雪崩光电探测器4的输出端与放大器5的输入端相连，放大器5的输出端与高速数据采集卡6输入端相连，高速数据采集卡6的输出端与计算机7相连接。所述计算机7用于根据采集的反斯托克斯信号进行解调，得到所述传感光纤3沿线的分布式温度场信息。

进一步地，本实施例中，所述脉冲激光器1的波长为1550nm、脉宽为10ns、重复频率为6KHz，雪崩光电探测器4的带宽为100MHz、光谱响应范围为900～1700nm。所述高速数据采集卡6的通道数为1、采样率为10GS/s、带宽为10GHz。所述传感光纤3为折射率渐变型多模光纤。

下面介绍本发明实施例提供的一种面向燃气管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统的测量方法和测量原理。其主要包括以下步骤：

步骤一：搭建分布式光纤拉曼反斯托克斯光自解调装置。

脉冲激光器1的输出端与波分复用器的第一端口a连接，所述波分复用器2的第二端口b与传感光纤3的第一端口a连接，传感光纤3与波分复用器2的第二端口b的距离为5m的位置处，将长为1m的部分传感光纤3放置于恒温槽8中，波分复用器2的第三端口c与雪崩光电探测器4的输入端相连接，雪崩光电探测器4的输出端与放大器5的输入端相连，放大器5的输出端与高速数据采集卡6输入端相连，高速数据采集卡6的输出端与计算机7相连接。所述计算机7用于根据采集的拉曼反斯托克斯信号进行解调，得到所述传感光纤3沿线的分布式温度场信息。

步骤二：拉曼反斯托克斯信号光强处理。

在传统温度解调中，在传感光纤L位置处所激发的的拉曼反斯托克斯散射信号的光强为：

I_a(T,L)为后向拉曼反斯托克斯散射光光强，其中M_a为光放大系统对拉曼反斯托克斯散射光的放大倍数，K_a为拉曼反斯托克斯散射光的散射截面系数，ν_a为拉曼反斯托克斯散射光的光频率，I₀为入射光强，α₀、α_a为入射光与拉曼反斯托克斯光在光纤中的衰减系数，L为光纤的位置，T为L位置的温度，其中h为普朗克常量。Δν为拉曼频移，等于13.2THz，k为玻尔兹曼常数。

分布式光纤拉曼传感系统利用脉冲时间飞行法进行空间定位，传统的理论分析会忽略脉冲宽度对系统定位的影响。由于脉冲本身存在一定的宽度，高速数据采集卡在任意时刻采集到的信息并非光纤L位置处一点的光强信息，而是整个激光脉冲在光纤传感距离等于半个脉冲时间尺度内的拉曼反斯托克斯光强信息的叠加。例如，当探测信号脉冲宽度为10ns时，高速数据采集卡在对应光纤L位置处采集的后向拉曼反斯托克斯信号的光强信息实际包含10ns的脉冲在光纤传感距离等于半个脉冲时间尺度(即5ns)中的叠加，对应传感光纤中的长度为1m，其具体表达式为：

式中，表示高速数据采集卡在传感光纤L位置采集到的拉曼反斯托克斯信号累加，当脉宽为10ns时，其累加长度为[L-1～L]，即5ns，对应长度为1m。

步骤三：定标阶段拉曼反斯托克斯信号处理

脉冲激光器1发出脉冲宽度为10ns的激光脉冲(1550nm)，激光脉冲经过波分复用器2入射到传感光纤3中。在传感光线中产生的后向拉曼散射反斯托克斯光(1450nm)的通过波分复用器2进入到雪崩光电探测器4将光信号转变为电信号，电信号依次经过放大器5、高速数据采集卡6完成放大以及模数转换，最终进入计算机7，由此得到拉曼反斯托克斯光的位置和光强信息。

定标阶段将整条传感光纤的环境温度设置为T₀，高速数据采集卡6采集到传感光纤3在L位置处的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强可以表示为：

本实施例中，设置的数据采集卡6的采样率为10GS/s，其采样周期为脉冲宽度的1％(对应光纤长度为1cm)。因此，采集到的每个离散点的数据值与前一个数据点中表示的数据有99％的信息是表示光纤相同位置处的信息。由于恒温槽中温度恒定，脉冲激光在较短距离中(1m)的能量损耗忽略不计，则认为，恒温槽中各个位置的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强相等，可以表示为：

其中，T_c0为恒温槽温度，d为传感光纤L处采集光强所累加的对应光纤长度，其中，I_al0＝1％*I_a0’。

由于采集到的每个离散点的数据值与前一个数据点中表示的数据有99％的信息是表示光纤相同位置处的信息。因此，传感光纤位于恒温槽外的第一个测量区间(长度为采样区间长度的1％)的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强可以表示为：

I_al1(T₀,L)＝I_a1'-I_a0'+0.01I_a0'； (5)

其中，I_al1表示在第一个测量区间中获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_a0’表示测量到的最后一个所有温度信息均包含在恒温槽中的数据，其中，I_a0’＝100I_al0，I_a1’表示在恒温槽外的传感光纤中测量到的第一个拉曼反斯托克斯光强数据，以此类推，I_an’表示恒温槽外测量到的第n个拉曼反斯托克斯光强数据。由此可知：

在计算100次之后，I_a101’与I_a100’所包含的温度信息中已经没有位于恒温槽中的光纤信息了，所以从I_al101开始，应当减去对应的处理后的信息，即I_ac1。脉冲宽度为该区间的长度的X倍时，表达式(5)和(6)可以写作：

式(7)最后可以表示为：

X的取值范围取决于信号采集设备的性能以及系统对噪声的抑制能力。I_aln表示定标阶段在第n个测量区间中获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，其中，I_an’和I_a(n-1)’分别表示定标阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n-1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光光强数据，I_al(n-X)表示定标阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，X等于脉冲宽度与采样区间长度的比值，I_a0’表示定标阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的数据，I_a0’＝X·I_al0。由上文公式可知，通过式(7)可以推导出各个区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强。

其中，如图2所示，普通的拉曼系统，利用光时域反射技术，每一时刻采集到的光强信息为光纤中对应一段长度的温度信号的叠加(即图2中的I_an或者Ia_(n-1))，因而导致空间分辨率受限制，本实施例通过提高采样率，将前后两个数据中重复的部分减去，最终获得的I_aln所包含的信息范围就会变小，I_aln对应的信息范围即为本申请的测量区间，I_an对应的信息范围即为本申请的采样区间，因此，本申请通过逐差的方法就可以将每个小区间的数据求出来，提高了传感系统的空间分辨率。

步骤四：测量阶段拉曼反斯托克斯信号处理

脉冲激光器1发出脉冲宽度为10ns的激光脉冲，将传感光纤3沿线的温度和位置分别用T和L表示，高速数据采集卡6接收传感光纤3各个位置处的后向拉曼反斯托克斯散射光，其光强表示为：

I_a(T,L)为与温度及位置有关的经过电学放大器放大的后向拉曼反斯托克斯散射光光强，其中M_a分别为光放大系统对拉曼反斯托克斯散射光的放大倍数，K_a为拉曼反斯托克斯散射光的散射截面系数，ν_a为拉曼反斯托克斯散射光的光频率，I₀为入射光强，α_a为拉曼反斯托克斯光在光纤中的衰减系数，l为光纤的位置，T为L位置的温度，其中h为普朗克常量。Δν为拉曼频移，约等于13.2THz。k为玻尔兹曼常数。

测量阶段设定恒温槽温度为T_c，恒温槽中各个位置的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强相等，可以表示为：

其中，T_c为恒温槽温度，d为传感光纤L处采集光强所累加的对应光纤长度。与定标阶段处理方法相同，传感光纤位于恒温槽外的第一个测量区间(长度为采样区间的1％)的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强可以表示为：

I_ac1(T,L)＝I_a1-I_a0+0.01I_a0； (10)

同步骤三的定标阶段，脉冲宽度为该区间的长度的X倍时，表达式可以写作：

其中，式(11)最后可以写成：

X的取值范围取决于信号采集设备的性能以及系统对噪声的抑制能力。其中，I_ac1表示在第一个区间中获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_a1表示测量到的第一个涉及到恒温槽外光纤的数据；I_an和I_a(n-1)分别表示测量阶段得到的恒温槽外光纤的第n个和第n-1个采样区间的后向拉曼反斯托克斯散射光光强数据，I_ac(n-X)表示测量阶段获得的恒温槽外的第n-X个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_a0表示测量阶段获得的恒温槽中最后一个采样区间的数据，I_a0＝X·I_ac0；其中，I_acn表示在第n个区间中获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强。由上文公式可知，通过式(12)可以推导出各个传感光纤的测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强。

步骤五：解调温度。

测量阶段，传感光纤3沿线的各个测量区间的拉曼反斯托克斯光强的计算公式为：

此外，定标阶段传感光纤3沿线的各个测量区间的拉曼反斯托克斯光强的计算公式为：

联立式(4)、(9)、(13)、(14)，可以得到：

解得：

公式中，T为光纤沿线的温度分布，T_c为测量时恒温槽8的温度值，T₀为定标光纤的温度值，T_c0为定标时恒温槽8的温度值。I_al0表示定标阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_aln表示定标阶段获得的恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_ac0表示测量阶段获得的恒温槽中各个测量区间的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，I_acn表示测量阶段在恒温槽外的传感光纤的第n个测量区间获得的后向拉曼反斯托克斯散射光的光强，n为大于零的正整数。

综上所述，本发明提供了一种面向管网泄漏的分布式光纤拉曼传感系统和方法，通过将原有叠加在一起的信号进行重构分层解析处理，有望将系统的空间分辨率优化至1cm，而且，通过在传感光纤前端设置恒温槽，可以消除光源输出和APD等设备中的随机噪声，提高了测量的精度。

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。