一种分布式光纤测温系统及测温方法
阅读说明：本技术 一种分布式光纤测温系统及测温方法 (Distributed optical fiber temperature measurement system and temperature measurement method ) 是由 郝凤欢 刘鹏飞 娄辛灿 张雅 葛辉良 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种分布式光纤测温系统及测温方法,涉及光纤传感领域,包括激发光源、测试光源、波分复用器、控制与信号处理电路和测温光缆,控制与信号处理电路与激发光源、测试光源电连接；激发光源出射端与波分复用器连接,波分复用器合波端与测温光缆连接；各测试光源出光端连接一光衰减器,各光衰减器另一端连接一只环行器的一号端口,各环行器二号端口与波分复用器连接,各环行器三号端口对应连接一光探测器,控制与信号处理电路与各光探测器的输出端电连接。本发明采用了拉曼散射光传播损耗的在线测量方式,实现了分布式光纤测温系统对各类光缆的高适用性与灵活性,以及分布式温度的高精度测量；结构简单,集成度高,具有工程实用价值。(The invention discloses a distributed optical fiber temperature measurement system and a temperature measurement method, which relate to the field of optical fiber sensing and comprise an excitation light source, a test light source, a wavelength division multiplexer, a control and signal processing circuit and a temperature measurement optical cable, wherein the control and signal processing circuit is electrically connected with the excitation light source and the test light source; the emergent end of the excitation light source is connected with a wavelength division multiplexer, and the wave combining end of the wavelength division multiplexer is connected with a temperature measuring optical cable; the light outlet end of each test light source is connected with an optical attenuator, the other end of each optical attenuator is connected with a first port of a circulator, a second port of each circulator is connected with the wavelength division multiplexer, a third port of each circulator is correspondingly connected with an optical detector, and the control and signal processing circuit is electrically connected with the output end of each optical detector. The invention adopts an on-line measurement mode of Raman scattering light propagation loss, and realizes high applicability and flexibility of the distributed optical fiber temperature measurement system to various optical cables and high-precision measurement of distributed temperature; simple structure, the integrated level is high, has engineering practical value.)
技术领域
本发明涉及光纤传感的领域，具体涉及一种分布式光纤测温系统及测温方法。
背景技术
分布式光纤温度传感技术主要利用了光学非线性效应中拉曼散射光信号的强度与温度的相关性，通过对光纤不同位置处激发产生的拉曼散射光信号进行探测与强度分析进而实现光纤不同位置处温度的测量。分布式光纤温度传感技术中的光纤即是传感器也是信息传输媒介，该技术具有传感器结构灵活、分布连续、监测距离长、工作温度高等特点，因此在消防与火灾预警、油井勘测等领域具有广泛应用前景。
分布式光纤温度传感技术是一种强度检测型的温度传感技术，测温斯托克斯拉曼散射光与反斯托克斯拉曼散射光在传感光纤中各位置点的传输损耗是影响分布式光纤温度测量准确性的重要因素，因此准确获悉测温拉曼散射光在传感光缆中的传播损耗参数是分布式光纤温度测量的重要一环，分布式光纤测温系统应用于未知传播损耗信息的传感光缆时将会产生温度测量的偏差。不仅如此，传感光缆的传播损耗系数也会在外界环境作用下改变，例如传感光缆受到挤、压、拉、扭等力学作用时将发生光纤结构的变形，这将引起光信号经过该位置点时传播损耗的改变，由于光纤传播的色散效应，测温拉曼散射光各成分光信号在该处传播时的传播损耗将会不同，从而导致分布式光纤测温精度的降低。因此如何快速准确获得测温拉曼散射光各成分在传感光缆中的实际传播损耗参数，提高测温系统对各类光缆的适用性，实现温度的高精度测量具有重要意义与应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种分布式光纤测温系统及测温方法，解决了传感光缆中测温拉曼散射光传播损耗参数获取不准确引起的温度测量偏差问题，提高分布式光纤测温系统对各类光缆的高适用性与灵活性，实现分布式光纤测温系统的高精度温度测量。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种分布式光纤测温系统，包括激发光源、至少二个测试光源、波分复用器、控制与信号处理电路和测温光缆，所述控制与信号处理电路分别与激发光源及各测试光源电连接，用于输出脉冲调制信号以产生脉冲激发光；所述波分复用器的工作波长与激发光源及各测试光源的波长相对应，激发光源的出射端与波分复用器相同工作波长的端口连接，波分复用器的合波端与测温光缆连接；各测试光源的出光端对应连接一只光衰减器，各光衰减器的另一端对应连接一只环行器的一号端口，各环行器的二号端口同波分复用器上与对应测试光源波长相同的工作端口连接，各环行器的三号端口对应连接一只光探测器，控制与信号处理电路与各光探测器的输出端电连接，从而同步采集各光探测器输出的拉曼散射光信号和瑞利散射光信号。
作为优选的技术方案，所述测试光源有二个，分别为测试光源A和测试光源B，所述激发光源选用波长为1064nm或1550nm的脉冲激光器；根据激发光源的光波长，测试光源A与测试光源B选用的波长分别为850nm与1300nm或1450nm与1660nm，波分复用器选用的工作波长分别为850nm/1064nm/1300nm或1450nm/1550nm/1660nm。
一种分布式光纤测温方法，包括以下步骤：
1)将激发光源与波分复用器中相同工作波长的端口连接；将测试光源A的光输出端与光衰减器A的输入端连接，光衰减器A的输出端与环行器A的一号端口连接，环行器A的二号端口同波分复用器中与测试光源A波长相同的端口连接，环行器A的三号端口与光探测器A的光输入端连接；将测试光源B的光输出端与光衰减器B的输入端连接，光衰减器B的输出端与环行器B的一号端口连接，环行器B的二号端口同波分复用器中与测试光源B波长相同的端口连接，环行器B的三号端口与光探测器B的光输入端连接；将波分复用器的合波端与测温光缆连接；将光探测器A、光探测器B的输出端分别与控制与信号处理电路电连接；
2)通过控制与信号处理电路向激发光源输出脉冲调制信号实现脉冲激发光的产生，并同步对光探测器A与光探测器B输出的拉曼散射光信号进行采集；
3)通过控制与信号处理电路向测试光源A与测试光源B输出脉冲调制信号实现脉冲激发光的产生，并同步对探测器A与光探测器B输出的瑞利散射光信号进行采集；
4)控制与信号处理电路对采集的拉曼散射光信号与瑞利散射光信号采用多次采集与累加平均，获得测温光缆不同位置处与温度相关的相对强度信息；
5)控制与信号处理电路根据不同温度下的相对强度标定数据对获得相对强度结果通过插值、拟合的方式完成对温度的解算。
作为优选的技术方案，所述激发光源选用波长为1064nm或1550nm的高速脉冲激光器；根据激发光源的波长，测试光源与波分复用器的工作波长也做相应选择；激发光源波长选用1064nm时，测试光源A与测试光源B的波长分别为850nm与1300nm，波分复用器选用的工作波长为850nm/1064nm/1300nm；激发光源波长选用1550nm时，测试光源A与测试光源B的波长分别为1450nm与1660nm，波分复用器选用的工作波长为1450nm/1550nm/1660nm。
作为优选的技术方案，所述光探测器A与光探测器B选用雪崩二极管。
作为优选的技术方案，所述控制与信号处理电路对激发光源、测试光源A与测试光源B的调制及相应信号探测采集的控制采用交替轮换工作的方式。
作为优选的技术方案，步骤4)中，对累加平均后的瑞利散射光信号取平方根运算操作、拉曼散射光与相应波长瑞利散射光相比、反斯托克斯拉曼光信号与斯托克斯拉曼散射光信号比较的处理方法。
本发明的有益效果为：
1、采用了拉曼散射光传播损耗的在线测量方式，实现了分布式光纤测温系统对各类光缆的高适用性与灵活性，以及分布式温度的高精度测量；
2、结构简单，集成度高，具有工程实用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明：激发光源1、测试光源A2、测试光源B3、光探测器A4、光探测器B5、光衰减器A6、光衰减器B7、环行器A8、环行器B9，波分复用器10、控制与信号处理电路11、测温光缆12。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图1所示，以二个测试光源为例，一种分布式光纤测温系统，包括激发光源1、测试光源A2、测试光源B3、光探测器A4、光探测器B5、光衰减器A6、光衰减器B7、环行器A8、环行器B9，波分复用器10、控制与信号处理电路11和测温光缆12。其中，控制与信号处理电路11分别与激发光源1、测试光源A2、测试光源B3电连接，用于输出脉冲调制信号以产生脉冲激发光。波分复用器10的工作波长与激发光源1、测试光源A2、测试光源B3的波长相对应，激发光源1的出射端与波分复用器10相同工作波长的端口连接，波分复用器10的合波端与测温光缆12连接。测试光源A2的出光端对应连接光衰减器A6，测试光源B3的出光端对应连接光衰减器B7；光衰减器A6的另一端对应连接环行器A8的一号端口，光衰减器B7的另一端对应连接环行器B9的一号端口；环行器A8的二号端口同波分复用器10上与测试光源A2波长相同的工作端口连接，环行器B9的二号端口同波分复用器10上与测试光源B3波长相同的工作端口连接；环行器A8的三号端口对应连接光探测器A4，环行器B9的三号端口对应连接光探测器B5。控制与信号处理电路11与光探测器A4、光探测器B5的输出端电连接，从而同步采集光探测器A4、光探测器B5输出的拉曼散射光信号和瑞利散射光信号。
优选地，激发光源1选用波长为1064nm或1550nm的脉冲激光器；测试光源A2与测试光源B3选用的波长分别为850nm与1300nm或1450nm与1660nm；相应地，波分复用器10选用的工作波长分别为850nm/1064nm/1300nm或1450nm/1550nm/1660nm。
一种分布式光纤测温方法，包括以下步骤：
1)将激发光源1与波分复用器10中相同工作波长的端口连接；将测试光源A2的光输出端与光衰减器A6的输入端连接，光衰减器A6的输出端与环行器A8的一号端口连接，环行器A8的二号端口同波分复用器10中与测试光源A2波长相同的端口连接，环行器A8的三号端口与光探测器A4的光输入端连接；将测试光源B3的光输出端与光衰减器B7的输入端连接，光衰减器B7的输出端与环行器B9的一号端口连接，环行器B9的二号端口同波分复用器10中与测试光源B3波长相同的端口连接，环行器B9的三号端口与光探测器B5的光输入端连接；将波分复用器10的合波端与测温光缆12连接；将光探测器A4、光探测器B5的输出端分别与控制与信号处理电路11电连接；
2)通过控制与信号处理电路11向激发光源1输出脉冲调制信号实现脉冲激发光的产生，并同步对光探测器A4与光探测器B5输出的拉曼散射光信号进行采集；
3)通过控制与信号处理电路11向测试光源A2与测试光源B3输出脉冲调制信号实现脉冲激发光的产生，并同步对探测器A4与光探测器B5输出的瑞利散射光信号进行采集；
4)控制与信号处理电路11对采集的拉曼散射光信号与瑞利散射光信号采用多次采集与累加平均，对累加平均后的瑞利散射光信号取平方根运算操作、拉曼散射光与相应波长瑞利散射光相比、反斯托克斯拉曼光信号与斯托克斯拉曼散射光信号比较的处理方法，从而获得测温光缆12不同位置处与温度相关的相对强度信息；
5)控制与信号处理电路11根据不同温度下的相对强度标定数据对获得相对强度结果通过插值、拟合的方式完成对温度的解算。
优选地，激发光源1选用波长为1064nm或1550nm的高速脉冲激光器；根据激发光源1的波长，测试光源与波分复用器10的工作波长也做相应选择；激发光源1波长选用1064nm时，测试光源A2与测试光源B3的波长分别为850nm与1300nm，波分复用器10选用的工作波长为850nm/1064nm/1300nm；激发光源1波长选用1550nm时，测试光源A2与测试光源B3的波长分别为1450nm与1660nm，波分复用器10选用的工作波长为1450nm/1550nm/1660nm。光探测器A4与光探测器B5选用高带宽的雪崩二极管；控制与信号处理电路11对激发光源1、测试光源A2与测试光源B3的调制及相应信号探测采集的控制采用交替轮换工作的方式。
本发明的工作过程：测试光源在控制与信号处理电路的驱动下产生脉冲激光，用于测温光缆瑞利散射光的激发；两个光衰减器用于对测试光源输入至测温光缆的光功率进行调节，使得测温光缆返回的瑞利散射光功率满足光探测器输入要求；环形器与波分复用器将激发光源与测试光源出射的不同波长光信号引导至测温光缆，并将测温光缆返回光信号中的不同波长成分进行区分并分别引入至光探测器；光探测器将激发光源激发产生的拉曼散射光信号与测试光源激发产生的瑞利散射光信号转换成电信号；控制与信号处理电路用于控制信号的产生、探测信号的采集以及数据的处理与运算。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。