本發(fā)明屬于光纖測溫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜環(huán)境下分布式光纖測溫方法。

背景技術(shù)：

溫度是一切物理、化學(xué)和生物過程的重要狀態(tài)參量之一，溫度測量在工程應(yīng)用和科學(xué)研究中具有十分重要的地位。由于光纖本身不受射頻場和其他電磁輻射干擾的影響、不產(chǎn)生電火花并且絕緣性好等特性，使得光纖溫度傳感技術(shù)成為溫度測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛、最值得深入研究并具有深遠(yuǎn)意義的新技術(shù)。

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)能夠連續(xù)測量光纖沿線所在處的溫度，測量距離在幾千米范圍，空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級，能夠進(jìn)行不間斷的自動測量，特別適用于需要大范圍測量的應(yīng)用場合。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中測量溫度較為傳統(tǒng)的做法是，使用斯托克斯光對反斯托克斯光進(jìn)行解調(diào)，即求得反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值，然后對光強比值信號進(jìn)行衰減補償。但在實際應(yīng)用中，APD模塊接收到的信號不是反斯托克斯光與斯托克斯光在光纖不同位置的光強，而是反斯托克斯光與斯托克斯光經(jīng)過在光纖中的向后傳播，衰減損耗過后的光強，所以要對APD模塊接收到的信號首先進(jìn)行衰減補償。

現(xiàn)有技術(shù)在進(jìn)行衰減補償時只是讓反斯托克斯光與斯托克斯光的比值信號乘以一個以10為底的指數(shù)函數(shù)，這種方法在光纖質(zhì)量比較好的條件下是可以應(yīng)用的(如圖1所示)。但是在有些條件下，上述方法是不能應(yīng)用的。比如：在現(xiàn)場某些環(huán)境中，光纖已經(jīng)鋪設(shè)完畢，我們應(yīng)用別人的光纖進(jìn)行測溫，而施工單位在鋪設(shè)光纖過程中受到環(huán)境的制約，光纖熔點較多，光纖上多點受應(yīng)力影響嚴(yán)重，使反斯托克斯光與斯托克斯光的比值不再是呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)的形式，而是呈現(xiàn)多間斷點的形式(如圖2所示)。因此，如何在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用分布式光纖進(jìn)行測溫成為亟待解決的問題。

中國發(fā)明專利文獻(xiàn)(專利號：200810060190.0)公開了一種分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的溫度測量方法，包括以下步驟：(1)計算出系統(tǒng)中瑞利散射信號和反斯托克斯信號的測量值與理論值之間的偏差；(2)將系統(tǒng)實際瑞利散射信號和反斯托克斯信號的實際測量值分別減去其偏差值得到其改進(jìn)值；(3)根據(jù)瑞利散射信號與反斯托克斯信號的改進(jìn)值的比值確定光纖上各點的溫度值。該方法較為精確的實現(xiàn)了系統(tǒng)在某一恒定溫度下，例如25℃下，測量理想狀態(tài)光纖上各點溫度值。顯然的，該方法存在以下問題，首先，在工程實際應(yīng)用中，如上段所述，光纖存在質(zhì)量差、熔點多等問題，那么光在光纖中傳輸其產(chǎn)生的瑞利信號和反斯 托克斯信號不可能如這篇專利公開的圖3中所示的第一組原始值那么平滑，在這種情況下該專利方法難以實現(xiàn)對光纖上各點的溫度值解調(diào)，更不用說測量精度的保證。再者，該專利方法沒有具體公開如何確定光纖上各點的溫度值，現(xiàn)有較為普遍的做法是，當(dāng)?shù)玫椒此雇锌怂构庑盘柵c瑞利光信號的改進(jìn)值的比值曲線后，使用一個二元一次方程的數(shù)學(xué)模型去得到溫度值曲線，具體的說就是將最終得到反斯托克斯信號與瑞利信號的改進(jìn)值的比值乘以一個二元一次方程的一次項系數(shù)并加上其常數(shù)項的手段，得到溫度值曲線。該數(shù)學(xué)模型的缺陷在于，沒有將光纖距離與光纖上每一點的溫度值聯(lián)系起來。當(dāng)光纖首尾升高相同的溫度時，該數(shù)學(xué)模型解調(diào)出的溫度值首尾存在差異，不夠精確。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了實現(xiàn)在分布式光纖所處環(huán)境復(fù)雜，光纖質(zhì)量較差、熔點較多等情況下能夠滿足工程需求進(jìn)行精確溫度測量，提出了一種復(fù)雜環(huán)境下分布式光纖測溫方法。

本發(fā)明提供了一種復(fù)雜環(huán)境下分布式光纖測溫方法，包括獲取反斯托克斯光與斯托克斯光光強比值曲線，對所述光強比值曲線進(jìn)行衰減補償，并根據(jù)衰減補償后的反斯托克斯光與斯托克斯光光強比值確定光纖上各點的溫度值，本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成一個全新的可適應(yīng)處于復(fù)雜環(huán)境中光纖的測溫方法：所述方法首先對分布式光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即首先獲取實驗光纖的基線數(shù)據(jù)并存儲在分布式光纖傳感系統(tǒng)中，然后在實際測溫時，讀取分布式光纖傳感系統(tǒng)存儲的標(biāo)定好的基線數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式(1)得到與溫度成非線性關(guān)系的RadioResult(L)，最后對RadioResult(L)進(jìn)行非線性解調(diào)得到光纖上各點的溫度，

$\mathrm{RadioResult}\left(L\right)={10}^{[\log \frac{I_a\left(L\right)}{I_s\left(L\right)}-C_z]}\×D\left(L\right)---\left(1\right)$

其中，L為光纖長度，為反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值，C_z為差值基線數(shù)據(jù)，D(L)為補償系數(shù)基線數(shù)據(jù)與光纖長度L相關(guān)的函數(shù)。

進(jìn)一步的，所述對分布式光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的方法為，獲取實驗光纖的反斯托克斯光與斯托克斯光光強比值的以10為底的對數(shù)函數(shù)并進(jìn)行整體多項式擬合，擬合結(jié)果記為B_zn，以及對所述實驗光纖反斯托克斯光與斯托克斯光光強比值的以10為底的對數(shù)函數(shù)進(jìn)行分段多項式擬合，擬合結(jié)果記為B_fn，求B_zn與B_fn的差值，定義為差值基線數(shù)據(jù)，結(jié)果記為C_z，所述整體多項式擬合后的函數(shù)的系數(shù)定義為補償系數(shù)基線數(shù)據(jù)，所獲得的差值基線數(shù)據(jù)和補償系數(shù)基線數(shù)據(jù)均存儲在分布式光纖傳感系統(tǒng)中作為基線數(shù)據(jù)供實際測溫時使用。

進(jìn)一步的，D(L)為分布式光纖傳感系統(tǒng)存儲的實驗光纖反斯托克斯光與斯托克斯光光強比值求以10為底的對數(shù)函數(shù)之后進(jìn)行整體多項式擬合后的函數(shù)的系數(shù)去掉常數(shù)項，將高次項取反，并求其與光纖長度L相關(guān)的以10為底的指數(shù)函數(shù)。

進(jìn)一步的，所述實際測溫求解出RadioResult(L)后，通過一數(shù)學(xué)模型對RadioRe sult(L)曲線進(jìn)行溫度解調(diào)，所述數(shù)學(xué)模型為

Temperature(L)＝A₁×L+A₂×RadioResult(L)ⁿ+A₃×RadioResult(L)^(n-1)+...+A_n×RadioResult(L)²+A_n+1×RadioResult(L)+A_n+2 n≤3，

求解光纖每一點的實際溫度值，其中，L代表實際采樣點數(shù)，也代表光纖長度，Temperature(L)是待測環(huán)境光纖每一點的實際溫度，RadioResult(L)是待測環(huán)境下經(jīng)過衰減補償后的反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值，A₁、A₂……A_n+2為系數(shù)。

更進(jìn)一步的，所述對實驗光纖反斯托克斯光與斯托克斯光光強比值的以10為底的對數(shù)函數(shù)進(jìn)行分段多項式擬合的方法為：由分布式光纖傳感系統(tǒng)獲取實驗光纖的衰減點數(shù)據(jù)，以衰減點數(shù)據(jù)為分段點對經(jīng)以10為底對數(shù)計算后的反斯托克斯光與斯托克斯光光強比值進(jìn)行分段多項式擬合。

再進(jìn)一步的，所述衰減點數(shù)據(jù)通過以下方法獲得：使用分布式光纖傳感系統(tǒng)獲取實驗光纖反斯托克斯光信號和斯托克斯光信號，并求取反斯托克斯光與斯托克斯光的比值信號后，觀察所述比值信號，對有熔點和信號有明顯衰減的地方進(jìn)行標(biāo)記和記錄，并將記錄的數(shù)據(jù)定義為衰減點數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述分段多項式擬合與整體多項式擬合均采用的是二階多項式擬合。

優(yōu)選的，所述求解出RadioResult(L)后，通過一數(shù)學(xué)模型對衰減補償后的反斯托克斯光與斯托克斯光光強比值RadioResult(L)曲線進(jìn)行溫度解調(diào)，所述數(shù)學(xué)模型為

Temperature(L)＝A₁×(L)+A₂×RadioResult(L)²+A₃×RadioResult(L)+A₄，其中，L代表實際采樣點數(shù)，也代表光纖長度，Temperature(L)是待測環(huán)境下光纖每一點的實際溫度，A₁、A₂、A₃、A₄為系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果為：

1.實現(xiàn)了在工作現(xiàn)場用已鋪設(shè)好的光纖，且光纖質(zhì)量較差、熔接點較多的情況下對光纖上每一點進(jìn)行測溫，拓寬了分布式光纖測溫的適用范圍，即不僅可以在光纖處于理想狀態(tài)下測量光纖上每一點的溫度值，還可以在光纖處于復(fù)雜環(huán)境中測量光纖上每一點的溫度值。

2.溫度解調(diào)的數(shù)學(xué)模型相較于其它類型的數(shù)學(xué)模型，將光纖距離與光纖每一點的溫度值聯(lián)系起來，更加確保解調(diào)溫度值的精確性，達(dá)到工程要求。

3.通過在分布式光纖傳感系統(tǒng)中存儲大量基線數(shù)據(jù)，在實際測溫時直接調(diào)用，系統(tǒng)可以更加方便快捷的進(jìn)行衰減補償工作。

4.拉曼散射中反斯托克斯光子數(shù)與斯托克斯光子數(shù)都會隨溫度改變而變化，反斯托克斯光對溫度的靈敏度更高，斯托克斯光可消除光源功率波動影響，更適合測量光纖上各點溫度值。

5.將反斯托克斯光與斯托克斯光比值信號求出之后再進(jìn)行衰減補償，比分別對反斯托克斯光信號與斯托克斯光信號進(jìn)行衰減補償后求比值再進(jìn)行溫度解調(diào)少進(jìn)行一次衰減補償?shù)倪^程，流程更為簡化。

附圖說明

圖1為光纖情況較為理想狀態(tài)下反斯托克斯光與斯托克斯光比值曲線，

圖2為光纖情況較為復(fù)雜狀態(tài)下反斯托克斯光與斯托克斯光比值曲線，

圖3為本發(fā)明實施例標(biāo)定過程流程圖，

圖4為本發(fā)明實施例衰減補償過程流程圖，

圖5為本發(fā)明實施例反斯托克斯光與斯托克斯光原始比值曲線以及B_fn、B_zn、R_n曲線圖，

圖6為本發(fā)明實施例反斯托克斯光與斯托克斯光原始比值曲線和B_fn曲線局部放大圖，

圖7為本發(fā)明實施例衰減補償以及溫度解調(diào)后的反斯托克斯光與斯托克斯光比值曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖說明本發(fā)明的具體實施方式：

本實施例提供的一種復(fù)雜環(huán)境下分布式光纖測溫方法，依次包括1.標(biāo)定，2.衰減補償，3.溫度解調(diào)的步驟，如圖3所示，標(biāo)定具體步驟如下：

(1.1)使用分布式光纖傳感系統(tǒng)獲取該條實驗光纖反斯托克斯信號和斯托克斯信號，觀察上述信號，對有熔點和信號有明顯衰減的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記和記錄，并將記錄的數(shù)據(jù)定義為衰減點數(shù)據(jù)，

(1.2)求取所述實驗光纖反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值，并對光強比值取以10為底的對數(shù)，

(1.3)以衰減點數(shù)據(jù)為分段點對經(jīng)以10為底對數(shù)計算后的光強比值數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，

(1.4)根據(jù)分段信息，將每一段經(jīng)以10為底對數(shù)計算后的光強比值數(shù)據(jù)進(jìn)行二階多項式擬合，擬合結(jié)果記為B_fn，所得B_fn曲線如圖5所示，實驗光纖原始反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值曲線與分段擬合后的B_fn曲線放大圖詳見圖6，

(1.5)對步驟(1.2)求取的反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值的以10為底的對數(shù)函數(shù)進(jìn)行二階多項式擬合，擬合結(jié)果記為B_zn，所得B_zn曲線如圖5所示，將得到的二階多項式擬合系數(shù)定義為補償系數(shù)基線數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲，

(1.6)求B_zn與B_fn的差值，定義為差值基線數(shù)據(jù)，結(jié)果記為C_z，C_z與步驟(1.5)所得補償系數(shù)基線數(shù)據(jù)定義為分布式光纖傳感系統(tǒng)基線數(shù)據(jù)，并存儲在分布式光纖傳感系統(tǒng)中。

如圖4所述，衰減補償具體步驟如下：

(2.1)由所述標(biāo)定步驟錄入基線數(shù)據(jù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)獲取光纖的反斯托克斯光與斯托克斯光數(shù)據(jù)，

(2.2)求步驟(2.1)的反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值，

(2.3)根據(jù)步驟(2.1)分布式光纖傳感系統(tǒng)讀取該系統(tǒng)測溫所需的基線數(shù)據(jù)，

(2.4)將步驟(2.2)的反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值取以10為底的對數(shù)，并用經(jīng)以10為底的對數(shù)計算的反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值減去C_z，結(jié)果記為R_n，所得R_n曲線如圖5所示，并對R_n求以10為底的指數(shù)，結(jié)果記為R_n1，

(2.5)將步驟(2.1)分布式光纖傳感系統(tǒng)二階多項式擬合系數(shù)讀出，去掉常數(shù)項系數(shù)，將高次項系數(shù)取反，對經(jīng)處理后的二階多項式系數(shù)求其與光纖長度L相關(guān)的以10為底的指數(shù)函數(shù)，結(jié)果記為D(L)，

(2.6)將R_n1與D(L)一一對應(yīng)相乘得Radio Re sult(L)，即通過公式 $Radio\mathrm{Re}sult\left(L\right)={10}^{\[\log \frac{I_a\left(L\right)}{I_s\left(L\right)}-C_z\]}\×D\left(L\right)$求出經(jīng)過衰減補償后的反斯托克光與斯托克斯光光強比值，所得Radio Re sult(L)曲線詳見圖7。

溫度解調(diào)具體步驟如下：

(3.1)建立數(shù)學(xué)模型：

Temperature(L)＝A₁×L+A₂×RadioResult(L)²+A₃×RadioResult(L)+A₄，其中， L代表實際采樣點數(shù)，也代表光纖長度，Temperature(L)是待測環(huán)境光纖每一點的實際溫度，RadioResult(L)是待測環(huán)境下經(jīng)過衰減補償后的反斯托克光與斯托克斯光光強比值，A₁、A₂、A₃、A₄為系數(shù)；

(3.2)求解所述數(shù)學(xué)模型的系數(shù)A₁、A₂、A₃、A₄；

(3.2.1)將一段實驗光纖首尾兩端纏出光纖圈，并進(jìn)行升溫操作；

(3.2.2)從分布式光纖測溫設(shè)備中讀出首尾光纖圈的長度L；

(3.2.3)讀取光纖圈所升溫的溫度值，計算整條實驗光纖反斯托克斯光與斯托克斯光的光強比值，并進(jìn)行衰減補償，獲取首尾光纖圈所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點相應(yīng)的經(jīng)過衰減補償以后的比值數(shù)據(jù)，并求這些數(shù)據(jù)點對應(yīng)的比值數(shù)據(jù)的均值；

(3.2.4)對步驟(3.2.1)至(3.2.3)重復(fù)至少4次，獲得首尾光纖圈在至少4個不同溫度下的溫度數(shù)據(jù)，以及在至少4個不同溫度下首尾光纖圈所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點相應(yīng)的經(jīng)過衰減補償以后的比值數(shù)據(jù)的均值；

(3.2.5)將首尾光纖圈在相同溫度下的反斯托克斯光與斯托克斯光的比值數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行線性擬合，對步驟(3.2.4)獲取的每一個比值數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行擬合，至少得到4條擬合線；

(3.2.6)求解實驗光纖上每一點的A₁、A₂、A₃、A₄系數(shù)：

(a)從步驟(3.2.5)擬合數(shù)據(jù)中獲取實驗光纖某一點至少4個均值數(shù)據(jù)，

(b)將獲得的均值數(shù)據(jù)帶入到

Temperature(L)＝A₁×L+A₂×RadioResult(L)²+A₃×RadioResult(L)+A₄中，解方程組求得該點的A₁、A₂、A₃、A₄系數(shù)，并進(jìn)行存儲，

(c)遍歷光纖上的每一個點，重復(fù)步驟(a)至(b),得到光纖上每一點的系數(shù)A₁、A₂、A₃、A₄，并進(jìn)行存儲；

(3.3)在實際測溫時，經(jīng)過衰減補償步驟，待測環(huán)境中光纖反斯托克光與斯托克斯光光強比值RadioResult(L)已知，光纖每一點的A₁、A₂、A₃、A₄系數(shù)已存儲，即可帶入Temperature(L)＝A₁×L+A₂×RadioResult(L)²+A₃×RadioResult(L)+A₄中求解光纖每一點的實際溫度值，經(jīng)過溫度解調(diào)后，待測環(huán)境中光纖反斯托克光與斯托克斯光的光強比值經(jīng)衰減補償后的RadioResult(L)曲線詳見圖7。采用本發(fā)明專利技術(shù)方案后所計算的溫度曲線線性度好，無扭曲，實現(xiàn)了光纖質(zhì)量較差、熔接點較多的情況下對光纖上每一點進(jìn)行測溫。