推荐一种基于双端解调的分布式光纤测温系统的制作方法

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本发明涉及一种分布式光纤传感系统,具体涉及一种基于双端解调的分布式光纤测温系统。



背景技术:

拉曼分布式温度传感器(rdts)经过多年的研究,由于其与电气同性能设备相比所具有的众所周知的优势,在许多不同领域都得到了成功的应用,如火灾探测、电力电缆监测和泄漏检测。绝大多数rdts系统都是基于对后向拉曼散射的反斯托克斯(as)光信号和斯托克斯(s)光信号的光时域反射(otdr)原理。其中单端rdts代表了长距离中最常见的解决方案,但它在本质上受到由as和s波长相关损耗(wdl)的影响;wdl随时间的缓慢变化实际上导致了解调温度曲线中缓慢且不可检测的失真。这通常是由于光纤老化造成的,但在特定的恶劣应用环境中,例如核电站监测中,这种情况会得到强烈的增强,其中电离辐射的存在会随着时间的推移显著地增加光纤损耗,并导致显著的wdl。研究还表明,在高温和潮湿环境中,纤维的降解会大大增加纤维的损耗。此外,在地热井应用中,由于高温和氢浓度的影响,光纤的wdl通常随时间而变化。

为了在更广泛的领域中使用,优选的是通过没有昂贵的光源、滤波器和电路等的后处理来提高测量精度。可将切断不必要的信号频带的带通滤波器或基于设计的噪声模型提取有效信号频带的自适应滤波器用作降噪的后处理。但噪声的频带与信号分量的频带重叠,也就是说,在任何滤波过程中,信号分量随着噪声的抑制而衰减,并且即使为了抑制测量精度降低而执行滤波处理,信号分量本身也衰减,而且反斯托克斯光信号的噪声在远端变得特别大。

在实际的rdts系统中,wdl和本地损耗都必须被有效地考虑和消除,这可以通过使用交替的双端解调方案(也称为环路解调)来实现。在这种方案中,as和s光信号在前向和后向获得,然后适当地取平均值。但双端解调也存在这样一个问题:解调温度曲线两端的信噪比比中心部分低得多。



技术实现要素:

本发明所要解决的问题是:如何克服rdts在实际应用中波长相关损耗的影响,解决双端解调得到的温度曲线信噪比的两端比中心部分低得多的问题,进一步提升rdts的测温精度,以满足其在更多复杂环境中应用的需求。

本发明提出的问题是这样解决的:提供一种基于光纤分区相关性降噪的双端解调方案。

具体的技术方案如下:

一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,包括光学结构,处理模块和光纤,其特征在于:所述光学结构被配置成从光输入到光纤的第一端时产生的后向散射光中检测第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号,从光输入到光纤的第二端时产生的后向散射光中检测第二斯托克斯光信号和第二反斯托克斯光信号;所述处理模块被配置成在包含光纤第一端的区域内,基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二斯托克斯光信号之间的第一相关性计算第一区域长度,基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二反斯托克斯光信号之间的第二相关性计算第二区域长度,平滑第一区域中的第二斯托克斯光信号,平滑第二区域中的第二反斯托克斯光信号,使用平滑后的第二斯托克斯光信号、平滑后的第二反斯托克斯光信号、第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号计算采样点的温度。

进一步地,通过光开关将脉冲光交替地输入到光纤的第一端和第二端。

进一步地,第一区域随着第一相关性变小而伸长,第二区域随着第二相关性变小而伸长。

进一步地,第一区域和第二区域的长度设置上限。

进一步地,当第一相关性等于或大于阈值时,第二斯托克斯光信号不平滑;当第二相关性等于或大于另一阈值时,第二反斯托克斯光信号不平滑。

进一步地,皮尔逊积矩相关系数被应用于第一相关性和第二相关性。

进一步地,斯皮尔曼秩相关系数被应用于第一相关性和第二相关性。

进一步地,所述光纤在所述采样点周围的区域具有恒定温度;所述区域大于将与所述恒温不同的另一恒温给予以采样点为中心的最小加热长度部分时所获得的温度分布的零阶宽度,并且小于该温度分布的主成分宽度。

本发明的有益技术效果是,利用双端解调克服了rdts在实际应用中波长相关损耗的影响,同时利用光纤分区相关性降噪技术有效解决了双端解调得到的温度曲线信噪比的两端比中心部分低得多问题,进一步提升了rdts的测温精度。该发明方法有助于提高分布式光纤测温系统在火灾探测,电力电缆检测以及核电站检测等特种环境中的整体性能。

附图说明

图1展示了基于双端解调的分布式光纤测温系统1的总体结构;

图2示出了当室温为24℃时,光纤3的一部分浸入55℃的热水中的情况;

图3示出了从图2和公式(3)获得的结果;

图4示出了计算的脉冲响应的典型示例;

图5至图7示出了根据相对于热水中每个浸入长度的脉冲响应估计的输出波形与实际获得的输出波形之间的比较;

图8示出了在0.2m的两个高温应用部分之间设置不施加高温的中心部分,并且中心部分的宽度逐渐改变的情况下的输出波形;

图9示出了基于双端解调的分布式光纤测温系统1测量温度时执行的流程图;

图10示出了关于一组试验数据的皮尔逊积矩相关系数和斯皮尔曼秩相关系数之间的比较;

图11示出了当校正器43校正由测温器42测量的温度时执行的流程图的另一示例;

图12示出了当校正器43校正由测温器42测量的温度时执行的另一流程图;

图13示出了当分布式光纤测温系统1测量温度时执行的流程图的另一示例;

图14示出了公式(5)。

具体实施方式

图1展示了基于双端解调的分布式光纤测温系统1的总体结构,包括光学结构2、光纤3和处理模块4。光学结构2包括激光器21、分光器22、光开关23、滤波器24、探测器25a和探测器25b。处理模块4包括指令器41、测温器42、校正器43。激光器21根据指令器41发出的指示以预定的时间间隔发射预定波长范围的激光脉冲。分光器22将激光器21发射的脉冲光输入光开关23,光开关23按照指令器41的指示在预定周期内交替地将脉冲光输入光纤3的第一端和第二端。在本实施例中,光纤3的长度为l米,第一端的位置为0米,第二端的位置是l米。

脉冲光在光纤3中传播时发生拉曼散射,产生朝传播方向前进的前向散射光和朝返回方向前进的后向散射光,后向散射光通过光开关23再次输入到分光器22中。输入到分光器22中的后向散射光发射到滤波器24,并且从后向散射光中提取长波长光(斯托克斯光)和短波长光(反斯托克斯光)。探测器25a和25b分别将反斯托克斯光和斯托克斯光转换为电信号,并将电信号发送给测温器42和校正器43。校正器43校正反斯托克斯光信号,测温器42使用斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号来测量温度。

测温器42按照以下公式(1)来测量光纤3每个位置的温度,当使用两个分量的比率时,两个弱分量之间的差异增强并得出了实用价值。增益和补偿取决于光纤3的设计,因此增益和补偿是预先校准的。

温度=增益/[补偿-2*ln(反斯托克斯光强/斯托克斯光强)](1)

当光开关23到光纤3的入射位置固定在第一端或第二端之一时,可以使用上述公式(1)来实现温度测量。当入射位置以恒定的周期交替切换到第一端和第二端时,反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号相对于光纤3的位置进行平均(计算平均值),因此该方法称为双端解调。双端解调将上述式(1)改为下式(2),即使用上述公式(1)在光纤3的每个位置平均反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号。

温度=增益/[补偿-2*ln(平均反斯托克斯光强/平均斯托克斯光强)](2)

若01s表示将脉冲光输入到第一端(0米到l米)的情况下的斯托克斯光信号,01a表示将脉冲光输入到第一端(0米到l米)的情况下的反斯托克斯光信号,02s’表示将脉冲光输入到第二端(l米到0米)的情况下的斯托克斯光信号,02a’表示将脉冲光输入到第二端(l米到0米)的情况下的反斯托克斯光信号,将02s’和02a’相对于经过的时间反转时,获得02s和02a。通过反转可以统一位置,使用双端解调可消除光纤损耗对测量温度的影响。

接下来说明测温光纤长度与解调温度之间的关系,图2示出了当室温为24℃时,光纤3的一部分浸入55℃的热水中的情况。当浸入热水中的长度从0.5m延长到10.5m时,最高温度变为55℃,这与浸入热水长度为2m或以上时的温度相同。因此,为了精确地测量温度,最好延长测温光纤长度。此时测温系统的灵敏度可以用如下公式(3)表示。

灵敏度=(热水浸泡位置的峰值温度-浸泡位置前后用光纤测量的室温)/施加温度*100%(3)

图3示出了从图2和公式(3)获得的结果,其中的曲线出现了轻微超调,这是因为系统的脉冲响应不是高斯型,而脉冲响应的波形具有接近sinc函数的负分量和高阶峰值。灵敏度为100%或被认为是100%的最小长度称为最小加热长度。

从图2可以看出,浸入热水部分的光纤温度曲线可视为脉冲响应卷积到的单个方波,图4示出了计算的脉冲响应的典型示例。在使用后向拉曼散射光进行温度测量时,脉冲响应可被视为一种波形式,其中窗口函数应用于sinc函数,以便平滑地衰减远离中心的光信号。当脉冲响应卷积为沿光纤3的温度分布时,可以实现近似精确的输出预测。

图5至图7示出了根据相对于热水中每个浸入长度的脉冲响应估计的输出波形与实际获得的输出波形之间的比较,发现可以近似精确地预测输出波形。在热水中浸入长度为3.25m时,由于脉冲响应的卷积相互干扰,峰值被平滑。

图8示出了在0.2m的两个高温应用部分之间设置不施加高温的中心部分,并且中心部分的宽度逐渐改变的情况下的输出波形。峰值温度被归一化为1,参考温度被归一化为0。当中心部分的长度为1.2米到1.6米时,可以认为有两个高温应用部分。这是因为脉冲响应波形的放大引起的干扰。当两个高温应用部分之间的距离是图8或更多的脉冲响应的半宽时,可以考虑存在两个高温应用部分。优选的是,该距离等于零阶宽度的一半值,在该零阶宽度处梯度反转或更大,以确保两个部分明显彼此间隔。从图8可以看出,当中心非加热部分的最低温度等于参考温度时,两个高温应用部分之间的距离大于主峰值宽度并且近似等于主成分宽度,即脉冲响应波形的干扰可以在图8中被忽略。

为了精确地测量温度,最好聚焦于中心位置为当前处理位置且宽度等于或大于零阶宽度以及等于或小于主成分宽度的范围内的温度变化。由于诸如波长的加宽、入射角、散射等的影响,脉冲光在逐渐展宽和逐渐衰减的同时传播,因此优选地,对近端、中心和远端的值进行平均。

为了更高精度地测量温度,优选地,确定多个部分,使得脉冲响应的卷积和图5至图7所示的输出数据之间的差异范围不是问题,被认为是相同的,脉冲响应在每个区域的中心位置计算并存储。随着时间的推移,由于激光等的退化,脉冲响应波的形式略有变化。因此,在恒定循环中,脉冲响应最好在与初始获得位置相同的位置进行校准,以便更高的精度测量温度。

为了在更广泛的领域中使用,优选的是通过没有昂贵的光源、滤波器和电路等的后处理来提高测量精度。可将切断不必要的信号频带的带通滤波器或基于设计的噪声模型提取有效信号频带的自适应滤波器用作降噪的后处理。但噪声的频带与信号分量的频带重叠,也就是说,在任何滤波过程中,信号分量随着噪声的抑制而衰减,并且即使为了抑制测量精度降低而执行滤波处理,信号分量本身也衰减,而且反斯托克斯光信号的噪声在远端变得特别大。也就是说,优选地,为了降低噪声,聚焦于降低远端反斯托克斯光信号的噪声的方法。因此,本实施例使用双端解调以及斯托克斯光信号的波动与反斯托克斯光信号的波动之间的关系。

当温度变化时,斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号也随温度的变化而同步变化。也就是说,当指定了同步范围时,认为其他范围的温度不相对于光源侧的光纤的下一位置改变,或者仅温度梯度平滑地改变。因此,可以聚焦于根据图2到图4描述的最小加热长度。可以认为,通过检测后向拉曼散射光进行的温度测量,在给定光纤段内,最小加热长度响应近似相同。当最小加热长度的光纤的一部分被加热超过温度保持恒定的区域时,获得与图2的脉冲响应大致相同的波形。如上所述,作为对周围有影响的范围,优选聚焦于宽度等于或大于零阶宽度且等于或小于振幅近似衰减为零的主成分宽度的范围。

图9示出了基于双端解调的分布式光纤测温系统1测量温度时执行的流程图。根据双端解调法中光纤3的测量精度分布,光纤3平均分为第一区域、中心区域和第三区域。在第一区域中,接近0米(第一端)的测量精度较低;第二区域是中心部分;在第三区域中,l米(第二端)附近的测量精度较低。校正器43针对三个区域执行图7的流程图。

首先,校正器43确定光纤3的当前处理区域是否是等于或小于光纤3总长度的1/3的第一区域(步骤s1)。当在步骤s1中确定为“是”时,关于每个采样点,校正器43计算预定范围的相关性的大值,其宽度等于或大于最小加热长度的响应波形的零阶宽度,且等于或小于最小加热长度的响应波形的主成分宽度。

接下来,校正器43以02s和02a为被处理对象,以01s和01a为目标,并计算四个相关的大值。例如,校正器43选择02s和01s之间的相关性和02s和01a之间的相关性中较小的一个作为大值α_02s(步骤s2)。接下来,校正器43选择02a和01s之间的相关性和02a和01a之间的相关性中较小的一个作为大值α_02a(步骤s3)。

接下来,校正器43设置平均区域,使得每个相关性越大,其当前处理区域的中心位置的平均范围越小。例如,校正器43通过将1/α_02a和1/α_02s舍入到最接近的整数,并将样本的每个整数确定为每个平均范围的一侧(步骤s4)。接下来,校正器43在针对每个采样点确定的平均范围内平均02s和02a。之后,校正器43在每个采样点平均01s和02s,使用平均值作为斯托克斯分量,在每个采样点平均02a和01a,使用平均值作为反斯托克斯分量,并计算温度(步骤s5)。01s和01a是目标。因此,01s和01a不转换。

当在步骤s1中确定为“否”时,校正器43确定光纤的当前处理区域是否是等于或大于光纤3总长度的2/3的第三区域(步骤s6)。在第三区域中,02s对应于01s,02a对应于01a。因此,当在步骤s6中确定为“是”时,校正器43将02s替换为01s,将01s替换为02s,将02a替换为01a,并将01a替换为02a。校正器43执行与步骤s2至步骤s4相同的过程(步骤s7)。因此,校正器43选择计算出的与01s有关的两个相关性中较小的一个作为大值α_01s,并选择计算出的与01a有关的两个相关性中较小的一个作为大值α_01a。校正器43通过将1/α_01a和1/α_01s四舍五入到最接近的整数,并将样本的每个整数确定为每个平均范围的一侧。接下来,校正器43在针对每个采样点确定的每个平均范围内平均01s和01a。之后,校正器43在每个采样点平均01s和02s,使用平均值作为斯托克斯分量,在每个采样点平均02a和01a,使用平均值作为反斯托克斯分量,并计算温度。02s和02a是目标。因此,02s和02a不转换。当在步骤s6中确定为“否”时,校正器43在每个采样点处平均01s和02s,使用平均值作为斯托克斯分量,平均02a和01a,使用反斯托克斯分量处的平均值,并计算温度(步骤s8)。也就是说,在1/3到2/3的区域中,使用常规的双端解调作为温度计算方法,而不执行平均。

该方法对噪声小、可靠性高的值进行相对加权,消除噪声。尽管使用了步骤s2和步骤s3中较小的值之一,但也可以使用较大的值。或者,可以使用步骤s2和步骤s3的值的平均值。当使用较小的一个时,除了被视为温度变化的部分之外的数据是均衡的。当使用较大的一个时,即使隐藏在噪声中的微小变化的数据也不会被尽可能地删除。

确定相关性的方法很多。例如,可以使用皮尔逊积矩相关系数。皮尔逊积矩相关系数02a和01s由下式(4)表示。

相关系数α=(02a的协方差,其范围与01s协方差的指定范围相同)/(相同范围的01s的标准偏差)/(相同范围的02a的标准偏差)(4)

以光纤3的采样点k为中心的皮尔逊积矩相关系数为α[k]。一个01s的数组是01s[k]。一个02a的数组是02a[k]。指定范围的样本数为n,指定范围的平均01s[k]为01save。指定范围的平均值02a[k]为02aave。上述式(4)可用公式(5)表示,如图14所示。

作为另一个例子,当使用修正的斯皮尔曼秩相关系数时,对指定范围内的01s和02a的n个数(上述公式(5)中的n)进行排序,并使用皮尔逊积矩相关系数进行排序。当有两个或多个相同的秩时,使用补偿公式。然而,对于斯托克斯分量和反斯托克斯分量,通常很少有两个或两个以上具有相同秩的情况。因此,先前出现的一个可以被视为更高的等级。

例如在图2的脉冲响应所示的部分中,设置3.6m作为满足上述条件的范围。图10示出了关于一组试验数据的皮尔逊积矩相关系数和斯皮尔曼秩相关系数之间的比较。一般来说,皮尔逊积矩相关系数为1或-1表示完全相关。皮尔逊积矩相关系数的绝对值为0.4或0.4以上且小于0.7,表明相关性很高。皮尔逊积矩相关系数的绝对值为0.2或0.2以上且小于0.4,表明相关性较低。皮尔逊积矩相关系数的绝对值小于0.2时表示没有相关性。然而,尽管斯皮尔曼的倾斜度比皮尔逊的大得多,但在小于0.2表示无相关性的范围内,在0.3或更大表示低相关性的范围内实现了1:1的近似比率。

在图9中相关系数的大值的倒数是平均范围的指数,然而并不总是需要使用倒数。相关系数越大,平均范围相对越窄。而且相关系数越小,平均范围相对越宽。

图11示出了当校正器43校正由测温器42测量的温度时执行的流程图的另一示例。如图11所示,校正器43执行与图9的步骤s1至步骤s3相同的步骤s11至步骤s13。接下来,校正器43针对相关性大值α_02s和相关性大值α_02a执行步骤s14至步骤s18。将给出步骤s14至步骤s18的详细说明。相关性大值α_02s和相关性大值α_02a被缩短为“α_”。

校正器43确定相关性大值α_是否等于或小于第一阈值(0.2或更小)(步骤s14)。当在步骤s14中确定为“是”时,测温器42将当前处理的样本点的平均范围扩大到上限值(步骤s15)。例如,上限值可以是6个样本作为一侧,也可以是11个样本作为总数。当在步骤s14中确定为“否”时,校正器43确定相关系数α_是否等于或小于第二阈值(例如0.55),其中该第二阈值大于步骤s14的第一阈值(步骤s16)。当在步骤s16中确定为“是”时,校正器43将平均范围确定为“1”(步骤s17)。当在步骤s16中确定为“否”时,测温器42通过四舍五入1/α_来计算整数。取最接近的整数,并确定样本的整数作为平均范围的一侧(步骤s18)。在执行步骤s15、步骤s17或步骤s18之后,执行与图9的步骤s5相同的步骤s19。在此过程中,当相关系数等于或大于第二阈值时,不执行平均。

当在步骤s11中确定为“否”时,执行与图9的步骤s6至步骤s8相同的步骤s20至步骤s22。也就是说,当在步骤s20中确定为“是”时,使用第一阈值和第二阈值来确定相对于相关性大值α_01s和相关性大值α_01a的平均范围,并且计算温度。当在步骤s20中确定为“否”时,使用常规双端方法计算温度。

图12示出了当校正器43校正由测温器42测量的温度时执行的另一流程图。将描述图12和图11之间的区别。首先根据光纤3纵向的测量精度分布,将光纤3平均分为测量精度低的0米(第一端)附近的第一部分、测量精度低的中心第三部分、l米(第二端)附近的第五部分,第一部分和第三部分之间的第二部分,第三部分和第五部分之间的第四部分。校正器43针对五个部分执行图12的流程图。

校正器43确定光纤3的当前处理部分是否是等于或小于光纤30总长度的1/5的第一部分(步骤s31)。当在步骤s31中确定为“是”时,校正器43执行与步骤s12至步骤s19相同的步骤s32至步骤s39。

当在步骤s31中确定为“否”时,校正器43确定光纤3的当前处理部分是否等于或大于光纤3的总长度的4/5(步骤s40)。当在步骤s40中确定为“是”时,在将02s替换为01s、将01s替换为02s、将02a替换为01a和将01a替换为02a之后,执行与步骤s32至步骤s39相同的处理(步骤s41)。然而,对于相关系数和平均范围的上限值,可以使用其它值作为阈值。

当在步骤s40中确定为“否”时,校正器43确定当前处理部分是否等于或小于光纤3总长度的2/5或等于或大于光纤3总长度的3/5(步骤s42)。当在步骤s42中确定为“是”并且当前处理部分等于或小于光纤3总长度的2/5时,执行与步骤s32至步骤s39相同的处理。然而,关于平均范围的相关系数和上限值的阈值不同于步骤s32到步骤s39的阈值。当在步骤s42中确定为“是”并且当前聚焦部分等于或大于光纤3总长度的3/5时,执行与步骤s41相同的处理。然而,关于相关系数的阈值和平均范围的上限不同于步骤s41的阈值。因此,可以对根据截面变化的最小加热长度进行校正。当在步骤s42中确定为“否”时,执行与步骤s22相同的步骤s44。

在图9、图11和图12中,平均范围等于或小于最小加热长度的主要成分宽度。这是因为当平均范围超过最小加热长度的主成分宽度时,与另一个信号相邻的串扰对平均信号的影响的概率变得更高。例如,当获得的相关系数为-1时,确定发生完全相关。然而,在本实施例中,相关被视为噪声。原因如下:当温度升高时,stokes和anti-stokes曲线向上呈凸形。当温度降低时,stokes和anti-stokes曲线向下呈凸形。在这种情况下,反斯托克斯曲线从来没有斯托克斯曲线上下颠倒的形状。只有当噪声发生或连接不良的连接器连接或不佳的熔接,或折射率差较大的光纤彼此熔接时,反斯托克斯曲线才可能具有斯托克斯曲线上下颠倒的形状。

在图9、图11和图12中,光纤被分成三部分或五部分。然而,光纤可以在一个中心被分成两个部分,或者通过将两个部分分开而获得的四个部分,或者通过将四个部分分开而获得的八个部分。在这些情况下,仅删除不处理01s、01a、02s和02a而计算温度的中心部分。

在实施例中,使用了双端解调。当脉冲光被输入到第二端时,在包括第一端侧的部分范围的采样点的预定范围内,根据02s和01s的相关系数和02s和01a的相关系数中的至少一个对02s进行平均。在这种情况下,会降低02s的噪声。此外,根据02a和01s的相关系数和02a和01a的相关系数中的至少一个,在平均范围内对02a进行平均,在这种情况下,减小了02a的噪声。当使用平均02s和平均02a时,可以校正测量的温度。当脉冲光被输入到第一端时,根据01s和02s的相关系数和01s和02a的相关系数中的至少一个,在包括第二端侧的部分范围的采样点的预定范围内,在平均范围内平均01s。在这种情况下,会降低01s的噪声。此外,根据01a和02s的相关系数和01a和02a的相关系数中的至少一个,在平均范围内对01a进行平均。在这种情况下,减小了01a的噪声。当使用平均01s和平均01a时,可以校正测量的温度。当平均02a时,相对于光开关23的切换,优选的是01s和01a恰好是02a之前的组分。当对01a进行平均时,就光开关23的切换而言,优选02s和02a是01a之前的组分。

在本实施例中,在平均范围内计算stokes光信号和反stokes光信号的平均值。然而,当平均范围内的数据的可变性被抑制时,不必计算平均值。因此,可以使用另一个平均值,例如考虑w权重的算术平均值、几何平均值或调和平均值。当计算01s和02s的平均值以及01a和02a的平均值时,可以使用考虑权重的算术平均值。

根据斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号在包括预定采样点的预定范围内的相关性大值,在平滑范围内对stokes光信号和反stokes光信号进行平滑后,可以执行上述平均。在这种情况下,可以校正测量的温度。例如,当相关性很小时,噪声变大,因此最好平滑这两个光信号。在这种情况下,可以降低噪声。优选的是,相关性越小,平滑范围越长。在这种情况下,噪声降低得更多。优选地,确定平滑范围的上限。在这种情况下,平滑范围的冗余被抑制,抑制了温度测量精度的下降。当相关性很小时,采样点周围的温度变化很小,因此既进行了平滑处理,也抑制了测量温度精度的降低。另一方面,当相关性较大时,平滑范围缩短,或者不执行校正。当相关性较大时,采样点周围的温度变化较大,因此噪声的影响很小,可以保持测量温度的精度。然而在图9、图11和图12的处理中,当反斯托克斯光信号之间的相关系数高时,优选不执行平滑。这是因为反斯托克斯光信号很小,而且由于平滑处理,反斯托克斯分量的检测变得困难。该过程基于图13进行说明。

图13示出了当分布式光纤测温系统1测量温度时执行的流程图的另一示例。在图9的步骤s3中,校正器43确定01a和02a之间的相关系数是否等于或小于阈值(s51)。当在步骤s51中确定为“否”时,01a和02a之间的相关性高。因此,流程图终止,不执行反斯托克斯光信号的平滑并且保持图9、图11和图12的精度。

当在步骤s51中确定为“是”时,校正器43在包括采样点的预定范围内计算stokes光信号和反stokes光信号之间的相关性大值α,其宽度等于或大于最小加热长度响应波形的零阶宽度,且等于或小于相对于每个采样点的最小加热长度响应波形的主要成分宽度(步骤s52)。采样点是沿光纤3的纵向测量温度的所有目标点。

接下来,校正器43确定相关系数α是否等于或小于阈值(例如0.2或更小)(步骤s53)。当在步骤s53中确定为“是”时,校正器43将当前处理采样点的平滑范围扩大到上限(步骤s54)。上限可以是11个样本,其中一侧相对于样本点可以是6个样本。当在步骤s53中被确定为“否”时,校正器43通过将1/α舍入到最接近的整数来计算整数,并确定平滑范围一侧的样本数到计算出的整数(步骤s55)。在执行步骤s54或步骤s55之后,校正器43在确定的平滑范围内分别平滑stokes光信号和反stokes光信号(步骤s56)。具体地说,01a和01s都在根据01a和01s的相关系数大值确定的平滑范围内平滑,02a和02s都在根据02a和02s的相关系数大值确定的平滑范围内平滑,当相关系数α为1或接近1时,平滑范围为1且不执行平滑。当图9、图11和图12的其它区域的反斯托克斯光信号的相关系数等于或小于阈值时,不一定执行图13的平均处理。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,任何本领域技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。


技术特征:

1.一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,包括光学结构,处理模块和光纤,其特征在于:所述光学结构被配置成从光输入到光纤的第一端时产生的后向散射光中检测第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号,从光输入到光纤的第二端时产生的后向散射光中检测第二斯托克斯光信号和第二反斯托克斯光信号;所述处理模块被配置成在包含光纤第一端的区域内,基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二斯托克斯光信号之间的第一相关性计算第一区域长度,基于第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号中的至少一个与第二反斯托克斯光信号之间的第二相关性计算第二区域长度,平滑第一区域中的第二斯托克斯光信号,平滑第二区域中的第二反斯托克斯光信号,使用平滑后的第二斯托克斯光信号、平滑后的第二反斯托克斯光信号、第一斯托克斯光信号和第一反斯托克斯光信号计算采样点的温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,其特征在于:通过光开关将脉冲光交替地输入到光纤的第一端和第二端。

3.根据权利要求1所述的一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,其特征在于:第一区域随着第一相关性变小而伸长,第二区域随着第二相关性变小而伸长。

4.根据权利要求3所述的一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,其特征在于:第一区域和第二区域的长度设置上限。

5.根据权利要求1所述的一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,其特征在于:当第一相关性等于或大于阈值时,第二斯托克斯光信号不平滑;当第二相关性等于或大于另一阈值时,第二反斯托克斯光信号不平滑。

6.根据权利要求1所述的一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,其特征在于:皮尔逊积矩相关系数被应用于第一相关性和第二相关性。

7.根据权利要求1所述的一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,其特征在于:斯皮尔曼秩相关系数被应用于第一相关性和第二相关性。

8.根据权利要求1所述的一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,其特征在于:所述光纤在所述采样点周围的区域具有恒定温度;所述区域大于将与所述恒温不同的另一恒温给予以采样点为中心的最小加热长度部分时所获得的温度分布的零阶宽度,并且小于该温度分布的主成分宽度。

技术总结
本发明公开了一种基于双端解调的分布式光纤测温系统,包括光学结构,处理模块和光纤,利用双端解调克服了RDTS在实际应用中波长相关损耗的影响,同时利用光纤分区相关性降噪技术有效解决了双端解调得到的温度曲线信噪比的两端比中心部分低得多问题,进一步提升了RDTS的测温精度。该发明方法有助于提高分布式光纤测温系统在火灾探测,电力电缆检测以及核电站检测等特种环境中的整体性能。

技术研发人员:卫欢;蒋俊
受保护的技术使用者:杭州山旭光电有限公司
技术研发日:2020.05.06
技术公布日:2020.06.26

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