本發(fā)明涉及分布式光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種分布式拉曼溫度傳感器溫度補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：
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近年來發(fā)展起來的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)作為線型火災(zāi)監(jiān)測感溫光纖的感溫火災(zāi)探測器，它可以在線實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)溫度的變化，可以在很大的溫度范圍設(shè)置報(bào)警溫度，光纖本身不帶電的，通過在光纖中傳送的光強(qiáng)度的變化或光譜位置的變化來檢測溫度是本質(zhì)安全型的線型感溫火災(zāi)探測器，也可稱為光纖激光溫度雷達(dá)，在電力工業(yè)、石化企業(yè)和土木工程等安全檢測上已成功地應(yīng)用。

在工程應(yīng)用中有些場合要求分布式光纖拉曼溫度傳感器應(yīng)可以適應(yīng)比較惡劣的環(huán)境特別是比較寬的溫度適應(yīng)范圍。分布式光纖拉曼溫度傳感器溫度解調(diào)方法一般有三種：

1、用斯托克斯拉曼解調(diào)反斯托克斯拉曼，該解調(diào)法是業(yè)界最常用的方法；

2、反斯托克斯拉曼自解調(diào)或用瑞利解調(diào)反斯托克斯拉曼，該解調(diào)方法由于溫度校準(zhǔn)難度比較大，工程應(yīng)用不方便，業(yè)界使用較少。

3、斯托克斯拉曼自解調(diào)，相對(duì)溫度靈敏度低，僅有理論意義無應(yīng)用價(jià)值。

使用斯托克斯解調(diào)反斯托克斯方法的分布式光纖拉曼溫度傳感器需要設(shè)計(jì)一段定標(biāo)光纖計(jì)算傳感光纖的溫度值。由于分布式光纖拉曼溫度傳感器 中斯托克斯拉曼和反斯托克斯拉曼會(huì)參雜部分光噪聲，導(dǎo)致當(dāng)定標(biāo)光纖的溫度變化時(shí)傳感光纖的測量溫度值與實(shí)際溫度值會(huì)出現(xiàn)偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種分布式拉曼溫度傳感器溫度補(bǔ)償方法，提高了分布式光纖溫度傳感器的環(huán)境適應(yīng)范圍。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種分布式拉曼溫度傳感器溫度補(bǔ)償方法，包括:

確定所述傳感器的傳感光纖溫度T；

確定所述傳感器的傳感光纖的誤差溫度ΔT；

根據(jù)所述傳感器的傳感光纖溫度T和所述傳感器的傳感光纖的誤差溫度ΔT確定所述傳感器的傳感光纖的最終溫度。

在確定所述傳感器的傳感光纖溫度T前還包括：

將所述分布式光纖拉曼溫度傳感器處在一個(gè)恒定的溫度下，記此時(shí)定標(biāo)光纖的溫度為T_0a和傳感光纖總長度記為L_a；在該溫度條件下對(duì)所述傳感器進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，保存所述傳感器的參數(shù)；

更換所述分布式光纖拉曼溫度傳感器所處環(huán)境溫度，保持所述傳感器的參數(shù)不變，記更換環(huán)境溫度后的定標(biāo)光纖的溫度記為T₀。

通過所述傳感器的傳感光纖的斯托克斯拉曼散射波和反斯托克斯拉曼散射波強(qiáng)度的信號(hào)電壓比來檢測所述傳感光纖的溫度T。

當(dāng)所述斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子不參雜其它雜散光時(shí)，所述傳感器的傳感光纖溫度T通過下式確定：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}\·ln\frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}$

其中，h是波朗克(Planck)常數(shù)，Δv是一光纖分子的聲子頻率為13.2THz，k是波爾茲曼常數(shù)，ν_ASR,ν_SR分別是反斯托克斯拉曼散射光子與斯托克斯拉曼散射光子的頻率。

所述傳感器的傳感光纖的誤差溫度ΔT通過下式確定：

$1/\mathrm{\Δ}T=(T_0-T_{0a})/T_{0a}*L/L_a*\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}*\ln \frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}$

其中，T₀為定標(biāo)光纖的溫度，T_0a為分布式光纖拉曼溫度傳感器溫度校準(zhǔn)時(shí)定標(biāo)光纖的溫度，L為傳感測器溫點(diǎn)的距離，La為傳感器測溫總長度，h是波朗克常數(shù)，Δν是光纖分子的聲子頻率，k是波爾茲曼常數(shù)。

所述傳感器的傳感光纖的最終溫度為所述傳感器的傳感光纖溫度T與所述傳感器的傳感光纖的誤差溫度ΔT之和。

當(dāng)所述分布式光纖拉曼溫度傳感器長25千米時(shí)，其包含一段長度為180m的定標(biāo)光纖；在所述定標(biāo)光纖為25℃時(shí)，對(duì)所述傳感光纖進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，校準(zhǔn)之后的溫度誤差小于±1℃。

和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果

1、本發(fā)明的技術(shù)方案克服了由于測溫主機(jī)所處環(huán)境溫度的變化造成的定標(biāo)光纖的溫度發(fā)生變化，解決了最終導(dǎo)致系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確性下降，又使解調(diào)后的溫度曲線變形的問題；

2、本發(fā)明的技術(shù)方案對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度適應(yīng)性的修正，保證測溫設(shè)備的溫度適應(yīng)性和測溫的準(zhǔn)確性；

3、本發(fā)明的技術(shù)方案沒有增加硬件成本，節(jié)省財(cái)力；

4、本發(fā)明的技術(shù)方案提高了分布式光纖溫度傳感器的環(huán)境適應(yīng)范圍；

5、本發(fā)明的技術(shù)方案在改善之后，分布式光纖溫度傳感器可以較好的 滿足實(shí)際工程應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的光纖拉曼溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明技術(shù)方案提供的方法流程圖；

其中，1-激光器，2-光波分復(fù)用器，3-光電轉(zhuǎn)換器，4-數(shù)據(jù)采集器，5-CPU處理器，6-定標(biāo)光纖，7-傳感光纖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

本例的發(fā)明提供一種分布式拉曼溫度傳感器溫度補(bǔ)償方法，如圖2所示，包括:

確定所述傳感器的傳感光纖溫度T；

確定所述傳感器的傳感光纖的誤差溫度ΔT；

根據(jù)所述傳感器的傳感光纖溫度T和所述傳感器的傳感光纖的誤差溫度ΔT確定所述傳感器的傳感光纖的最終溫度。

分布式光纖拉曼溫度傳感器處在一個(gè)恒定的溫度下，此時(shí)定標(biāo)光纖的溫度記為T_0a，傳感光纖總長度記為L_a，在該溫度條件下對(duì)傳感器進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，保存所述傳感器的參數(shù)。

更換分布式光纖拉曼溫度傳感器所處環(huán)境溫度，保持所述傳感器的參數(shù)不變，此時(shí)定標(biāo)光纖的溫度記為T₀，使用公式(2)計(jì)算傳感光纖的每一個(gè)點(diǎn)的溫度T。

使用公式(6)計(jì)算出傳感光纖的每一個(gè)點(diǎn)的溫度差ΔT，最終傳感光纖 的溫度T_M：

T_M＝T₀+ΔT

在分布式光纖拉曼溫度傳感器中為了提高溫度適應(yīng)性，本發(fā)明公開的是在傳感器的溫度計(jì)算過程中給出一個(gè)溫度適應(yīng)性函數(shù)ΔT[n(L*T₀)]，是與定標(biāo)光纖的溫度和測量距離相關(guān)的函數(shù)，通過它克服了由于測溫主機(jī)所處環(huán)境溫度的變化，而造成的定標(biāo)光纖的溫度發(fā)生變化，并最終導(dǎo)致傳感器測溫準(zhǔn)確性下降，又使解調(diào)后的溫度曲線變形。為此，在解調(diào)過程中，必須在對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度適應(yīng)性的修正，保證測溫設(shè)備的溫度適應(yīng)性和測溫的準(zhǔn)確性。

如附圖1所示，分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括1-激光器，2-光波分復(fù)用器，3-光電轉(zhuǎn)換器，4-數(shù)據(jù)采集器，5-CPU處理器，6-定標(biāo)光纖，7-傳感光纖。一般的除傳感光纖7鋪設(shè)在現(xiàn)場，其它部件將被裝配在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。

分布式光纖拉曼溫度傳感器的測溫原理：光纖脈沖激光器1發(fā)出激光脈沖通過集成型光纖波分復(fù)用器2射入本征型感溫光纖，激光與光纖分子的非線性相互作用，入射光子放出一個(gè)13.2THz的高頻聲子稱為斯托克斯拉曼散射光子，吸收一個(gè)13.2THz高頻聲子稱為反斯托克斯拉曼散射光子，光纖分子的高頻聲子頻率為13.2THz。光纖分子能級(jí)上的粒子數(shù)熱分布服從波爾茲曼定律。

分布式光纖拉曼溫度傳感器中入射到光纖的激光光波波長為λ0，頻率為ν0，使用光纖的斯托克斯拉曼散射波和反斯托克斯拉曼散射波強(qiáng)度的信號(hào)電壓比來檢測光纖的溫度，采用雙通道解調(diào)方法，用斯托克斯拉曼OTDR曲線來解調(diào)反斯托克斯拉曼OTDR曲線，通過測定光纖上每點(diǎn)的反斯托克斯拉曼散射光與斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度信號(hào)電壓的比值R(T)，即V_ASR/V_SR來確定光纖的溫度T。

$R\left(T\right)={\[\frac{{\mathrm{\ν}}_{ASR}}{{\mathrm{\ν}}_{SR}}\]}^4{e}^{-\left(\frac{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{kT}\right)}---\left(1\right)$

其中，ν_ASR,ν_SR分別是反斯托克斯拉曼散射光子與斯托克斯拉曼散射光子的頻率，h是波朗克(Planck)常數(shù)，Δν是一光纖分子的聲子頻率為13.2THz，k是波爾茲曼常數(shù)，T是凱爾文(Kelvin)絕對(duì)溫度。分別測定光纖處于溫度為T0(已知光纖的溫度)和T(待測空間的光纖溫度)兩種溫度狀態(tài)時(shí)的強(qiáng)度比，由已知溫度T0確定待測光纖的溫度T值。由此得到光纖各段的溫度信息。

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}\·\ln \frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}---\left(2\right)$

光纖長度由光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)測定，對(duì)光纖測溫點(diǎn)的位置進(jìn)行定位。公式2是理想狀態(tài)時(shí)的公式，即公式2成立的條件是斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子不能參雜其它雜散光。但實(shí)際應(yīng)用中斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子必然參雜著其它與溫度信息不相關(guān)的雜散光，設(shè)雜散光反映出的電壓信號(hào)幅度為ΔV，則公式2可表示為：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}\·ln\frac{\left(V_{ASR}\right(T)-{\mathrm{\ΔV}}_{ASR}(L\left)\right)/\left(V_{SR}\right(T)-{\mathrm{\ΔV}}_{SR}(L\left)\right)}{\left(V_{ASR}\right(T_0)-{\mathrm{\ΔV}}_{ASR}(L\left)\right)/\left(V_{SR}\right(T_0)-{\mathrm{\ΔV}}_{SR}(L\left)\right)}---\left(3\right)$

ΔV_ASR(L)和ΔV_SR(L)兩個(gè)噪聲變量與傳感光纖的溫度變化無關(guān)，所以導(dǎo)致在按照公式2進(jìn)行傳感光纖溫度T的計(jì)算時(shí)，計(jì)算溫度與實(shí)際溫度將存在一定偏差。分布式光纖拉曼溫度傳感器依靠斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算傳感光纖的溫度。從公式3中可以看出ΔV_ASR(L)和ΔV_SR(L)兩個(gè)噪聲變量將影響公式2中對(duì)數(shù)項(xiàng)的內(nèi)容，對(duì)數(shù)項(xiàng)中分子部分

(V_ASR(T)-ΔV_ASR(L))/(V_SR(T)-ΔV_SR(L)) (4)

將受到ΔV_ASR(L)和ΔV_SR(L)兩個(gè)噪聲變量的影響，分子部分的數(shù)值反映的 是傳感光纖處的信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)數(shù)項(xiàng)中分母部分

(V_ASR(T₀)-ΔV_ASR(L))/(V_SR(T₀)-ΔV_SR(L)) (5)

也將受到ΔV_ASR(L)和ΔV_SR(L)兩個(gè)噪聲變量的影響，分母部分的數(shù)值反映的是定標(biāo)光纖處的信號(hào)強(qiáng)度。定標(biāo)光纖安裝在分布式光纖拉曼溫度傳感器內(nèi)部，所以一旦分布式光纖拉曼溫度傳感器的環(huán)境溫度發(fā)生變化，定標(biāo)光纖的溫度就會(huì)隨之發(fā)生變法，定標(biāo)光纖處的信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。由于斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子中雜散光噪聲的存在，導(dǎo)致傳感光纖的溫度計(jì)算出現(xiàn)誤差。

從分析中可以得出，斯托克斯拉曼光子和反斯托克斯拉曼散射光子中雜散光噪聲的引入，將必然影響到傳感光纖的溫度計(jì)算，但影響溫度計(jì)算的參量主要與傳感光纖的距離L和定標(biāo)光纖處的溫度T0有關(guān)。為了保證傳感光纖溫度計(jì)算的準(zhǔn)確性，必須尋找到傳感光纖溫度誤差ΔT與定標(biāo)光纖溫度T0、傳感光纖所處距離L之間的函數(shù)關(guān)系ΔT[n(L*T₀)]。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和仿真，本發(fā)明給出了定標(biāo)光纖溫度補(bǔ)償函數(shù)：

$1/\mathrm{\Δ}T=(T_0-T_{0a})/T_{0a}*L/L_a*\frac{k}{h\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}*\ln \frac{V_{ASR}\left(T\right)/V_{SR}\left(T\right)}{V_{ASR}\left(T_0\right)/V_{SR}\left(T_0\right)}---\left(6\right)$

T_0a為溫度校準(zhǔn)時(shí)定標(biāo)光纖處的溫度，L_a為傳感光纖的總長度。通過公式6的溫度補(bǔ)償，分布式光纖拉曼溫度傳感器中由于光噪聲的存在對(duì)測溫準(zhǔn)確性帶來的影響將大大減小，進(jìn)而提高系統(tǒng)的環(huán)境溫度適應(yīng)范圍。

當(dāng)所述分布式光纖拉曼溫度傳感器長25千米時(shí)，其包含一段長度為180m的定標(biāo)光纖；在所述定標(biāo)光纖為25℃時(shí)，對(duì)所述傳感光纖進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，校準(zhǔn)之后的溫度誤差小于±1℃。

普通的分布式光纖溫度傳感器一次性校準(zhǔn)溫度之后，保證測溫誤差小于 ±1℃時(shí)，其環(huán)境溫度適應(yīng)范圍約10℃；增加本發(fā)明的溫度補(bǔ)償算法之后，分布式光纖溫度傳感器一次性校準(zhǔn)之后，保證溫度誤差小于±1℃時(shí)，其環(huán)境溫度適應(yīng)范圍可以達(dá)到60℃。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員盡管參照上述實(shí)施例應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。