[发明专利]分布式光纤温度传感器及其温度三解调算法

摘要

本发明公开了一种分布式光纤温度传感器及其温度三解调算法，温度传感器包括测温光纤及由脉冲激光器、集成型光纤波分复用器、斯托克斯散射光光电转换放大模块、反斯托克斯散射光光电转换放大模块、数据采集卡及计算机组成的解调仪，集成型光纤波分复用器同时与脉冲激光器、测温光纤及两个光电转换放大模块连接，脉冲激光器、两个光电转换放大模块及计算机均与数据采集卡连接，而本发明涉及的解调算法由单一解调算法改进为三解调算法，即低温(低于0℃)、常温(0～120℃)和高温(高于120℃)设置传感器解调算法分别为三次曲线拟合公式解调、一次曲线拟合公式解调和二次曲线拟合公式解调。本发明的优点是在全温度范围内都能获得超高的测温精度。

主权项

一种利用分布式光纤温度传感器采集到的数据进行的温度三解调算法，其特征在于：分布式光纤温度传感器包括测温光纤(6)和解调仪，解调仪包括脉冲激光器(1)、集成型光纤波分复用器(2)、斯托克斯散射光光电转换放大模块(3)、反斯托克斯散射光光电转换放大模块(4)、数据采集卡(5)以及计算机(7)，所述集成型光纤波分复用器(2)的两个输入端口分别与脉冲激光器(1)和测温光纤(6)连接，所述集成型光纤波分复用器(2)的两个输出端口分别与斯托克斯散射光光电转换放大模块(3)和反斯托克斯散射光光电转换放大模块(4)连接，所述脉冲激光器(1)、斯托克斯散射光光电转换放大模块(3)、反斯托克斯散射光光电转换放大模块(4)以及计算机(7)均与数据采集卡(5)连接，温度三解调算法包括以下步骤：步骤a、用以下两个公式来定义由脉冲激光器(1)发出的激光脉冲入射到测温光纤(6)后产生的斯托克斯拉曼散射光子和反斯托克斯拉曼散射光子：hνs＝h(νp‑Δν)    (11)hνa＝h(νp+Δν)     (12)其中，公式(11)和公式(12)中，νp,νs,νa分别为入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光频率，h为普朗克常数，h＝6.62606876.52x10‑34J.s，Δν为光纤的拉曼声子频率，Δν＝13.2THz；步骤b、用以下两个公式来定义当脉冲激光器(1)发出的激光脉冲在测温光纤(6)中传输时每个激光脉冲产生的斯托克斯拉曼背向散射光的光通量以及反斯托克斯拉曼背向散射光的光通量：其中，公式(13)和公式(14)中，φe为入射到光纤的激光脉冲的光通量，φs、φα分别为斯托克斯光光通量和反斯托克斯光光通量，Ks和Kα分别为与光纤的斯托克斯散射及 反斯托克斯散射截面有关的系数，S为光纤背向散射因子，vs、vα分别为斯托克斯光的频率及反斯托克斯光的频率，L为激光在光纤中传播的距离，α0、αs、αα分别为入射光、斯托克斯光、反斯托克斯光在光纤中的平均传输损耗，Rs(T)、Rα(T)分别为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，是斯托克斯拉曼背向散射光与反斯托克斯拉曼背向散射光的温度调制函数；RS(T)＝[1‑exp(‑hΔv/kT)]‑1     (15)Ra(T)＝[exp(hΔv/kT)‑1]‑1      (16)其中，公式(15)和公式(16)中，h是普朗克常数，h＝6.62606876.52x10‑34J.s，Δν为光纤的拉曼声子频率，Δν＝13.2THz，k是波尔兹曼常数，k＝1.380650324x10‑23JK‑1，T是凯尔文绝对温度；步骤c、用Stokes Raman信号通道做参考，用Anti‑Stokes和Stokes Raman的拉曼比值来解调温度，得到空间温度场的分布，推导如下：由公式(14)和公式(13)相除得到：步骤d、根据公式(17)中的拉曼比值和温度的关系，分别得出：①低温段低于0℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：公式(8)中，k1为三次项比例系数，k2为二次项比例系数，k3为一次项比例系数，ko为常数，Ia为反斯托克斯光的光强度，Is为斯托克斯光的光强度；②常温段0～120℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：公式(9)中，m为比例系数，a为常数，Ia为反斯托克斯光的光强度，Is为斯托克斯光的光强度；③高温段高于120℃范围时，分布式光纤温度传感器解调公式为：公式(10)中，n2为二次项比例系数，n1为一次项比例系数，n0为常数，Ia为反斯托克斯光的光强度，Is为斯托克斯光的光强度；步骤e、制作一根定标光纤，并将定标光纤与脉冲激光器(1)连接，然后将定标光纤放置在恒温箱中，其中，在低温范围‑40℃～0℃时，每隔5℃设置一个标定点，利用以下公式进行三次曲线拟合公式标定，计算出三次项比例系数k1、二次项比例系数k2、一次项比例系数k3及常数k0；在常温范围0℃～120℃时，每隔10℃设置一个标定点，利用以下公式进行一次曲线拟合公式标定，计算出比例系数m，常数a；在高温范围120℃～350℃时，每隔20℃设置一个标定点，利用以下公式进行二次曲线拟合公式标定，计算出二次项比例系数n2，一次项比例系数n1，常数n0；步骤f、实际测温时，数据采集卡(5)采集累加后的数据先由一次曲线拟合公式逐点一一计算，①若得到的温度值在0～120℃之间，则该点的温度值直接在计算机(7)的图形界面上显示，并作为最终的结果值；②若得到的某点温度值低于0℃，则该点所对应的采集累加后的原始数据重新交由三次曲线拟合公式来计算，计算后的温度值直接在计算机(7)的图形界面上显示，并作为最终的结果值；③若得到的温度值高于120℃，则该点所对应的采集累加后的原始数据重新交由二次曲线拟合公式计算，计算后的温度值直接在计算机(7)的图形界面上显示，并作为最终的结果值；所有点的值全部计算完毕并在计算机(7)的图形界面显示以后，整个温度解调过程结束。