[发明专利]基于频域解析的分布式光纤温度传感装置

说明书

本发明设计一种基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，是采用拉曼光频域反射技术实现，其实现方式为对连续光源通过调制器按照固定步长进行正弦强度调制，通过分析拉曼散射信号相对于参考光的传递函数，获得信号的幅度和相位信息，进行频域转换为空间域信号，计算出温度和距离定位，本装置测温指标不会受到光纤本身特性影响，前后端空间分辨率指标能够保持一致，随着光器件和电子设备的发展，监测距离和空间分辨率均有很大的提升空间，该装置主要应用于管道泄漏监测、电缆温度监测和皮带机轴温监测等长距离温度监测领域。

技术领域：

本发明涉及应用于长距离测温领域，具体的说是一种采用光纤作为传感单元进行温度测量的基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，。

背景技术：

分布式光纤温度传感技术是指光纤中传输的光信号对温度这一物理量具有敏感性的技术，由于光纤固有的抗电磁干扰、绝缘性好、传输距离远等优势，主要应用于石油石化、电力、港口等长距离监测领域。分布式温度传感技术实现主要采用光纤中的散射效应，其中瑞利散射对温度的敏感性差，应用较少；布里渊散射存在应力和温度交叉敏感问题，在实际应用中易受影响；拉曼散射仅对温度单一物理量敏感性好，且信号易于分离，是分布式光纤温度传感中最常用的方式。

拉曼光时域反射技术是目前光纤温度传感器实现的主要技术，实现方式为光源发出脉冲激光到光纤，产生拉曼散射光信号，通过探测后向散射光的时间差进行定位，由于技术成熟、器件成本较低等优势，得到广泛的应用。随着十几年技术的发展，存在的问题也逐步展现，其中最主要的问题为空间分辨率和监测长度之间的冲突。由于拉曼散射信号较微弱，需要采用大功率脉冲光源实现，要实现长达几十公里的监测距离，就需要保证发出去的脉冲具有较高的能量。增加峰值功率或脉冲宽度均可增加脉冲的能量，但峰值功率提升较高时，会产生非线性效应导致测温异常；脉冲宽度增加会导致空间分辨率变大，准确测量出温度值所需要的光纤长度会越长。另外由于光纤中的色散效应，随着传输距离整机，脉冲宽度会有一定的展宽，同样影响空间分辨率。国内张在宣团队对拉曼光时域反射技术研究做了大量工作，目前可实现30km传输距离，空间分辨率3m，温度波动度为±2℃，以上指标也是该技术能够达到的最好指标。

发明内容

本发明是采用拉曼光频域反射技术实现，其实现方式为对连续光源按照固定步长进行正弦强度调制，通过分析拉曼散射信号的幅度和相位信息，进行频域转换为空间域信号，计算出温度和距离定位。采用的光源为连续激光，对激光器功率要求较低，有利于实现长距离传输；空间分辨率受限于最大调制频率，不会影响光源能量，随着器件指标提升，空间分辨率可做到更小；传输的为连续激光器，不存在色散影响脉冲展宽的现象，可保证整条传感光缆上空间分辨率一致。本发明测温指标不会受到光纤本身特性影响，随着光器件和电子设备的发展，监测距离和空间分辨率均有很大的提升空间。该装置主要应用于管道泄漏监测、电缆温度监测和皮带机轴温监测等长距离温度监测领域。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于频域解析的分布式光纤温度传感装置，其特征在于通过获得参考信号、拉曼斯托克斯信号和反斯托克斯信号的频域信息，得到斯托克斯和反斯托克斯的传递函数，后经过傅里叶逆变换得到温度和位置信息，包括：泵浦光源、调制器、分光比为1:99的分光器、波分复用器、定标光纤、感温探头、传感光纤、参考光探测器、2个信号光探测器、放大模块、采集卡、控制模块、上位机，其中泵浦光源激光输出与调制器一端相连接，调制器另一端连接分光比为1:99的分光器的输入端，分光比为1:99的分光器的1％输出端作为参考信号与参考光探测器相连接，分光比为1:99的分光器的99％输出端与波分复用器IN端相连接；波分复用器COM端与定标光纤一端连接，定标光纤另一端连接传感光纤连接；波分复用器的斯托克斯和反斯托克斯端分别与2个信号光探测器相连接；参考光探测器和信号光探测器输出端连接放大模块3个探测输入端，放大模块3个模拟输出端连接采集卡3个采集通道；采集卡通信接口连接上位机，同时控制模块控制端连接上位机，调制模块信号调制端连接调制器。