[发明专利]消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法

摘要

消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法，属光纤测温技术领域。该方法以分布式光纤拉曼测温系统为基础，通过分别计算斯托克斯光和反斯托克斯光的速度，计算出两路信号对应的光纤距离，然后以斯托克斯光路数据点作为参考，在反斯托克斯光路数据中通过查询比较选出与其误差最小的、具有一一对应关系的数据点，对比值曲线进行修正，进而获取真实的温度信息。本发明消除了色散对温度精度的影响，可以对光纤所有测量点进行修正补偿，另外本发明仅需在算法上对采样数据进行搜寻找到最佳吻合点进行比值，无需对硬件系统改进修正，方便简单，明显提高了温度测量精度。

主权项

1.一种消除分布式拉曼测温系统波长色散的自修正方法，通过以下测温系统来实现，该系统包括脉冲激光器、1×3波分复用器、传感光纤、双通道的APD光电探测器、双通道数据采集卡和计算机，其中脉冲激光器与1×3波分复用器的输入端相连，传感光纤与1×3波分复用器的com端相连，1×3波分复用器的两个输出端分别接双通道APD光电探测器的输入端，双通道APD光电探测器的输出端分别连接到双通道数据采集卡，双通道数据采集卡通过网线与计算机相连；脉冲激光器发出的脉冲光通过1×3波分复用器进入传感光纤并进入测温现场，经测温现场沿传感光纤返回传输的散射光再进入1×3波分复用器，经1×3波分复用器中进行滤光输出斯托克斯光和反斯托克斯光，分别进入双通道APD光电探测器进行光电转换，由双通道数据采集卡进行电压放大、累加平均，双通道数据采集卡将数据通过网口传输到计算机，通过计算机进行数据处理和分析，得到光纤所在测温现场的温度信息，该方法步骤如下：1）搭建好分布式光纤拉曼测温系统，系统所用激光器为1550nm脉冲激光器，脉冲宽度为10ns，传感光纤为62.5/125多模渐变型光纤，双通道数据采集卡采样率为100MHz；2）开启系统，由计算机计算出反斯托克斯光和斯托克斯光的速度，速度计算所依据的公式和条件如下：在0.2~4.0μm波长范围内，石英光纤的纤芯折射率与波长的关系为n2-1=0.6961663λ2λ2-(0.068403)2+0.4079426λ2λ2-(0.1162414)2+0.8974794λ2λ2-(9.896161)2---(1)]]>其中：n为光波在光纤中的折射率，λ为光波的波长，对于分布式拉曼测温系统，拉曼散射波长与入射光波长的关系为1λas=1λ0+Δγ1λs=1λ0-Δγ---(2)]]>式中，λ₀为入射光波长，λ_as，λ_s分别为反斯托克斯光和斯托克斯光波长，Δγ为拉曼频移波数；入射脉冲光源波长选择为1550nm，对于石英光纤Δγ=440cm¹，计算得到：λ_as=1451nm，λ_s=1663nm由式（1）知对于不同波长，折射率不同，因而其在光纤中的传播速度不同，根据v=c/n，其中，c为光在真空中的速度，n为光在介质中的折射率，计算出入射光、反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤中的传播速度分别为：v_in=2.0775×10⁸m/s v_as=2.0759×10⁸m/s v_s=2.0795×10⁸m/s （3）3）根据采样时间和两路信号的传播速度与光纤距离的对应关系las=ct2nas,ls=ct2ns---(4)]]>计算出某一时刻t数据采集卡采集点分别到斯托克斯和反斯托克斯两路光信号开始返回所对应的光纤位置点之间的距离l_s、l_as，其中n_s、n_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的折射率，分别将l_s、l_as存储于数组(l_s)和(l_as)中，数组长度即采集点个数均为N，斯托克斯光和反斯托克斯光的第N个采集点所对应的距离分别为l₁、l₂，因为斯托克斯光的传播速度大于反斯托克斯光，所以l₁＞l₂，将数组(l_s)中大于l₂的数据点舍弃，将小于l₂的数据存储在l_ss数组中，l_ss数组长度为N′；4）假设数组l_ss中第n个元素表示为l_ss(n)，n＝1,2,3,.....N′，按照下标从1开始的顺序，依次将元素l_ss(n)与数组(l_as)中的所有元素比较大小，选出差值绝对值最小的l_as作为对应元素l_as，(n)，存储到新数组l_as，当中作为其第n个元素，l_ss(n)与l_as，(n)为修正后的对应于光纤同一位置的数据点，具有一一对应关系；5）根据分布式拉曼测温系统常用的温度解调方法，选择200m~300m段的光纤作为参考光纤，设参考温度为T₀，从数组l_ss与l_as，中选择光纤位置200m~300m对应的数据点，分别计算斯托克斯和反斯托克斯光功率的平均值为p_s，p_as，比值对于整条光纤，修正后的比值n＝1,2,3,.....N′，代入温度计算公式能计算出光纤各个位置处对应的温度值T，上式中参数k＝1.38×10^-23J/K为玻尔兹曼常数，h＝6.62×10^-34J□s为普朗克常数，Δν＝1.32×10¹³HZ为石英光纤中的拉曼频移。