基于光纖的溫度監(jiān)測方法以及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光纖的溫度監(jiān)測方法以及系統(tǒng)，所述溫度監(jiān)測方法包括：獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的拉曼散射光；對至少部分所述拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光以及第二頻率光；分別對所述第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號以及第二電信號；通過所述第一電信號以及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn)的測量溫度。通過上述方式，能夠方便、精確地電纜溫度進(jìn)行監(jiān)測，且結(jié)構(gòu)簡單、布設(shè)方便、耐高溫，能夠有效降低監(jiān)測成本。
【專利說明】
基于光纖的溫度監(jiān)測方法從及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種基于光纖的溫度監(jiān)測方法W及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 地下電纜的安全檢測直接關(guān)系到周邊安全，可通過多種指標(biāo)來體現(xiàn)。溫度監(jiān)測是 其中比較關(guān)鍵的一個因素。
[0003] 目前常用的電纜溫度檢測系統(tǒng)主要有感溫電纜式測溫系統(tǒng)W及熱敏電阻式測溫 系統(tǒng)。感溫電纜式測溫系統(tǒng)是將感溫電纜與電纜平行安放，當(dāng)電纜溫度超過固定溫度值時， 感測電纜被短路，但是該系統(tǒng)只能是一次性使用，不能對數(shù)量較多的電纜進(jìn)行檢測，而且系 統(tǒng)安裝W及維護(hù)也不方便，設(shè)備比較容易損壞，也不能進(jìn)行溫度顯示，因此，該系統(tǒng)不能進(jìn) 行早期故障預(yù)測且不能進(jìn)行溫度趨勢分析。
[0004] 熱敏電阻是測溫系統(tǒng)，雖然可W對溫度進(jìn)行顯示，但是由于其每個熱敏電阻都需 要獨(dú)立的接線、布線，不僅操作復(fù)雜且熱敏電阻容易損壞，加之其數(shù)量本身較大，因此，維護(hù) 工作量巨大，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于光纖的溫度監(jiān)測方法W及系統(tǒng)，能夠 方便、精確地電纜溫度進(jìn)行監(jiān)測，且結(jié)構(gòu)簡單、布設(shè)方便、耐高溫，能夠有效降低監(jiān)測成本。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供一種基于光纖的溫度 監(jiān)測方法，所述溫度監(jiān)測方法包括：
[0007] 獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的拉曼散射光；
[000引對至少部分所述拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻率光；
[0009] 分別對所述第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號W及第二電 信號；
[0010] 通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn) 的測量溫度。
[0011] 其中，所述通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所 述測量點(diǎn)的測量溫度的步驟之后還包括：
[0012] 獲取參考光纖的測量溫度W及實際溫度;其中，所述參考光纖設(shè)置在所述光信號 的傳輸路徑上，所述參考光纖的測量溫度的獲取方式與所述測量點(diǎn)的測量溫度的獲取方式 相同；
[0013] 參考所述參考光纖的測量溫度與實際溫度之間的關(guān)系，由所述測量點(diǎn)的測量溫度 得到所述測量點(diǎn)的實際溫度。
[0014] 其中，所述參考所述參考光纖的測量溫度與實際溫度之間的關(guān)系，由所述測量點(diǎn) 的測量溫度得到所述測量點(diǎn)的實際溫度的步驟包括：
[0015] 根據(jù)公式I
求得所述測量點(diǎn)的實際溫度T，
[0016] 其中，所述R(T)為所述測量點(diǎn)的測量溫度，所述R(To)為所述參考光纖的測量溫 度，所述To為所述參考光纖的實際溫度，h為普朗克常數(shù)，C為光速，y為波爾茲曼常數(shù)，所述k 為玻爾茲曼常數(shù)，其中，K = I.3806488(13) Xicr-23J/K。
[0017] 其中，所述溫度檢測方法還包括：
[0018] 判斷所述測量點(diǎn)當(dāng)前的實際溫度與之前得到的實際溫度間是否發(fā)生超過設(shè)定值 的變化；
[0019] 若是，則發(fā)出所述測量點(diǎn)的溫度發(fā)生變化的警報。
[0020] 其中，所述第一電信號為第一電壓值，所述第二點(diǎn)信號為第二電壓值，
[0021] 所述通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測 量點(diǎn)的測量溫度的步驟具體包括：
[0022] 根據(jù)所述第一電壓值W及第二電壓值分別獲取所述第一頻率光的第一光強(qiáng)W及 第二頻率光的第二光強(qiáng)；
[0023] 將所述第一光強(qiáng)和所述第二光強(qiáng)的比值確定為所述測量點(diǎn)的測試溫度。
[0024] 其中，在所述分別對所述第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信 號W及第二電信號的步驟之后，所述方法還包括：
[0025] 對所述第一電信號W及第二電信號分別進(jìn)行卡爾曼濾波。
[0026] 其中，所述獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的拉曼散射光的步驟之后，還包括：
[0027] 通過所述返回的拉曼散射光的傳輸時間W及所述拉曼散射光的傳輸速度，確定所 述測量點(diǎn)的位置。
[0028] 其中，所述對至少部分所述拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻率光 的步驟具體包括：
[0029] 將50%的拉曼散射光信號禪合到所述分光器中，W得到第一頻率光W及第二頻率 光，其中，所述第一頻率光為斯托克斯光，所述第二頻率光為反斯托克斯光。
[0030] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是:提供一種基于光纖的溫 度監(jiān)測系統(tǒng)，
[0031] 所述溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括:傳感光纖、光禪合器W及光處理裝置，其中所述光禪合器 設(shè)置在所述傳感光纖的傳輸路徑上，所述光處理裝置與所述光禪合器電路連接；
[0032] 所述光處理裝置包括分光器、第一信號轉(zhuǎn)換單元、第二信號轉(zhuǎn)換單元W及信號處 理單元，所述第一信號轉(zhuǎn)換單元W及所述第二信號轉(zhuǎn)換單元分別與所述分光器W及信號處 理單元連接；
[0033] 所述光禪合器用于獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的拉曼散射光；
[0034] 所述分光器用于對至少部分所述拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二 頻率光；
[0035] 所述第一轉(zhuǎn)換單元用于對所述第一頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號;所述 第二轉(zhuǎn)換單元用于對所述第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第二電信號；
[0036] 所述信號處理單元用于通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對 應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn)的測量溫度。
[0037] 其中，所述信號處理單元還用于獲取參考光纖的測量溫度W及實際溫度;其中，所 述參考光纖設(shè)置在所述光信號的傳輸路徑上，所述參考光纖的測量溫度的獲取方式與所述 測量點(diǎn)的測量溫度的獲取方式相同；
[0038] 參考所述參考光纖的測量溫度與實際溫度之間的關(guān)系，由所述測量點(diǎn)的測量溫度 得到所述測量點(diǎn)的實際溫度。
[0039] 本發(fā)明的有益效果是：區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本實施方式首先獲取傳感光纖的 測量點(diǎn)返回的拉曼散射光，再對至少部分拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻 率光，分別對第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號W及第二電信號，最 后通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn)的測量 溫度。通過上述方式，不僅可W精確地對傳感光纖的測量點(diǎn)進(jìn)行精確定位，在實際測量中， 精度可W達(dá)到0.67米。而且將光纖本身作為傳感器，實現(xiàn)真正的分布式測量，在實現(xiàn)實時監(jiān) 測的同時大大降低誤報和漏報率。而且，由于光纖本身完全電絕緣，因此，脈沖光在傳輸過 程中不受任何外界環(huán)境的電磁干擾，又由于光纖傳輸數(shù)據(jù)量大、損耗小且不腐蝕、耐火、耐 水及壽命長的特性，不僅在無需中繼的情況下，可W精確的實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，還能夠有效降低 傳感器本身的維護(hù)成本，進(jìn)而降低整個監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)營成本。
【附圖說明】
[0040] 圖1是本發(fā)明基于光纖的溫度監(jiān)測方法一實施方式的流程示意圖；
[0041] 圖2是本發(fā)明基于光纖的溫度監(jiān)測方法另一實施方式的流程示意圖；
[0042] 圖3是本發(fā)明基于光纖的溫度監(jiān)測系統(tǒng)一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖4是本發(fā)明基于光纖的溫度監(jiān)測系統(tǒng)另一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖5是本發(fā)明基于光纖的溫度監(jiān)測系統(tǒng)再一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 參閱圖1，圖1是本發(fā)明基于光纖的溫度檢測方法一實施方式的流程示意圖。如圖1 所示，本實施方式的溫度監(jiān)測方法包括如下步驟：
[0046] 101:獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的拉曼散射光。
[0047] 由于光纖具有結(jié)構(gòu)簡單、布設(shè)方便、電絕緣、耐高溫、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，本實施方 式中將光管本身作為溫度傳感器來采集溫度。適用于地下或井下如煤礦電纜溫度監(jiān)測等， 還可W應(yīng)用于其他對于溫度敏感的惡劣環(huán)境，在此不做限定。
[0048] 為了對監(jiān)測點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量，激光發(fā)生器在傳感光纖的起始位置發(fā)出激光，該 激光在光脈沖調(diào)制器的調(diào)制作用下，形成設(shè)定周期和持續(xù)時間的短的脈沖光，該脈沖光在 通過光禪合器在傳感光纖上傳播。在脈沖光的傳輸過程中，由于脈沖光與光纖分子發(fā)生相 互作用，發(fā)生多種形式的散射，如由光纖分子的熱振動和光子作用發(fā)生能量交換而形成的 拉曼散射。不同距離點(diǎn)的散射光信號會有部分沿著傳輸光路返回至光禪合器。
[0049] 對應(yīng)地，通過光禪合器獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的光信號，如拉曼散射光。
[0050] 102:對至少部分所述拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻率光。
[0051] 拉曼散射光在產(chǎn)生的過程中，由于光纖分子的熱振動和光子相互作用發(fā)生能量交 換，一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動，產(chǎn)生一個比光源脈沖光波長長的第一頻率光，即斯托克斯 光，一部分熱振動轉(zhuǎn)換成光能，產(chǎn)生一個比光脈沖波長短的第二頻率光，即反斯托克斯光。 其中，該第一頻率光和第二頻率光的波長的偏移量由傳感光纖組成元素的固定屬性決定。
[0052] 具體地，本實施方式的光禪合器在接收到該拉曼散射光后，將拉曼散射光信號禪 合到所述分光器中，W得到第一頻率光W及第二頻率光。
[0053] 在一個優(yōu)選的實施方式中，光禪合器將50%的拉曼散射光信號禪合到所述分光器 中。
[0054] 103:分別對所述第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號W及第 二電信號。
[0055] 正如上述所分析，由于脈沖光在傳輸過程中，會產(chǎn)生各種不同類型的散射光，因 此，拉曼散射光中可能還夾雜著其他類型的散射光和干擾光，為了使溫度監(jiān)測更加準(zhǔn)確，需 要盡量的保證分光后的第一頻率光和第二頻率光的純凈。因此，在分光器對拉曼散射光進(jìn) 行分光得到第一頻率光W及第二頻率光后，分別將該兩路不同頻率的光進(jìn)行處理。
[0056] 具體地，首先分別對該兩路不同頻率的光進(jìn)行帶通濾波處理，得到比較純凈的第 一頻率光和第二頻率光，然后再對經(jīng)過帶通濾波處理后的第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行光 電轉(zhuǎn)換和放大，得到第一電信號和第二電信號。
[0057] 其中，該第一電信號為第一電壓值，第二電信號為第二電壓值。
[0058] 其中，本實施方式中通過雪崩光電二極管APD對經(jīng)過帶通濾波處理后的第一頻率 光和第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大。在其他實施方式中，也可W通過其他器件對經(jīng)過帶 通濾波處理后的第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行光電和放大，在此不做限定。
[0059] 104:通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測 量點(diǎn)的測量溫度。
[0060] 在得到第一電信號和第二電信號W后，為了使監(jiān)測結(jié)果更加精確，進(jìn)一步地對第 一電信號和第二電信號進(jìn)行卡爾曼濾波。
[0061] 在一個具體的實施方式中，用matlab實現(xiàn)對第一電信號和第二電信號的卡爾曼濾 波，W濾出噪聲，得到純凈的第一電信號和第二電信號。
[0062] 由于拉曼散射光的光強(qiáng)度與溫度有關(guān)，即可W通過第一頻率光的第一光強(qiáng)與第二 頻率光的第二光強(qiáng)的比值確定測量點(diǎn)的測試溫度。
[0063] 具體地，第一光強(qiáng)與第一電信號即第一電壓值存在對應(yīng)關(guān)系，第二光強(qiáng)與第二電 信號即第二電壓值存在對應(yīng)關(guān)系，因此，可根據(jù)第一電壓值獲取第一光強(qiáng)，根據(jù)第二電壓值 獲取第二光強(qiáng)。在通過公式
巧定測量點(diǎn)的溫度R(T),其中，Ia為第一光強(qiáng)，Is為第 二光強(qiáng)。
[0064] 通過上述方式，可W精確地對傳感光纖的測量點(diǎn)進(jìn)行精確定位，在實際測量中，精 度可W達(dá)到0.67米。而且將光纖本身作為傳感器，實現(xiàn)真正的分布式測量，在實現(xiàn)實時監(jiān)測 的同時大大降低誤報和漏報率。
[0065] 由于在實際測量測量點(diǎn)的溫度時，波長不同的第一頻率光和第二頻率光的衰減存 在差異，和探測器對二者的響應(yīng)也存在差異，因此，即使對第一電信號和第二電信號進(jìn)行了 多次濾波處理，仍然存在誤差。本實施方式中通過參考光纖來消除該誤差。
[0066] 具體地參閱圖2,圖2是本發(fā)明基于光纖的溫度監(jiān)測方法另一實施方式的流程示意 圖。本實施方式在通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述 測量點(diǎn)的測量溫度的步驟之后還包括：
[0067] 205:獲取參考光纖的測量溫度W及實際溫度；。
[0068] 其中，該參考光纖設(shè)置在光信號即脈沖光的傳輸路徑上?？蛇x地，為了減小誤差， 該參考光纖設(shè)置在該傳感光纖的前200米。
[0069] 具體地，首先獲取該參考光纖的的測量溫度和實際溫度。其中，該參考光纖的測量 溫度的獲取方式與上述測量點(diǎn)的測量溫度的獲取方式相同，在此不再寶述。該實際溫度為 該參考光纖存儲在恒溫箱的溫度。在【具體實施方式】中，該實際溫度可通過一個電壓值來對 應(yīng)。
[0070] 206:參考所述參考光纖的測量溫度與實際溫度之間的關(guān)系，由所述測量點(diǎn)的測量 溫度得到所述測量點(diǎn)的實際溫度。
[0071 ]具體地，通過公式1來求得測量點(diǎn)的實際溫度T，公式1如下所示
。其中，所述R(T)為所述測量點(diǎn)的測量溫度，所述R(To)為所 述參考光纖的測量溫度，所述To為所述參考光纖的實際溫度，h為普朗克常數(shù)，C為光速，y為 波爾茲曼常數(shù)，所述k為玻爾茲曼常數(shù)，其中，K = I.3806488(13) Xicr-23J/K。
[0072] 通過上述方式，能夠進(jìn)一步消除第一頻率光和第二頻率光由于波長不同而產(chǎn)生的 衰減差異和響應(yīng)差異，提高監(jiān)測到的測量點(diǎn)的溫度。
[0073] 在上述任一實施實施方式中，在得到測量點(diǎn)的實際溫度后，為了進(jìn)一步確定該采 樣點(diǎn)的實際溫度是否存在異常，如大幅度提高或降低，需進(jìn)一步對該監(jiān)測點(diǎn)的溫度進(jìn)行判 斷。
[0074] 具體地，將該測量點(diǎn)當(dāng)前的實際溫度與前一時刻得到的實際溫度相比較，判斷所 述測量點(diǎn)當(dāng)前的實際溫度與之前得到的實際溫度間是否發(fā)生超過設(shè)定值的變化，如果發(fā)生 變化，進(jìn)一步判斷該變化是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，如果在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則代表該測量點(diǎn)的溫度正 常。如果該變化不在預(yù)設(shè)范圍沒，則發(fā)出該測量點(diǎn)溫度發(fā)生變化的報警。
[0075] 在上述任一實施方式中，在得到測量點(diǎn)溫度后，進(jìn)一步確定該測量點(diǎn)位于傳感光 纖的位置，即實現(xiàn)對檢測點(diǎn)的定位。
[0076] 在一個可選實施實施方式中，通過返回光禪合器的拉曼散射光的傳輸時間W及該 拉曼散射光的傳輸速度，即距離二傳輸時間*傳輸速度的原理確定該測量點(diǎn)的位置。
[0077] 在另一個具體的實施方式中，根據(jù)拉曼散射光的信號采樣頻率來確定測量點(diǎn)的位 置，比如，采樣頻率為150MHZ，每秒采集150M個數(shù)據(jù)，所W每個數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的時間為t = l/ 1.5ns，如果光在光纖中的傳播速度為c = 2*l〇V/s，則兩個采樣點(diǎn)之間對應(yīng)的實際距離S為 s = ct = 2*108* (1/1.5)=0.65m。在根據(jù)間隔的采樣點(diǎn)的數(shù)量確定距離。
[0078] 在上述任一實施方式中，對第一電信號即第一電壓值和第二電信號即第二電壓值 進(jìn)行處理的裝置同時給將激光器發(fā)出的激光形成設(shè)定周期和持續(xù)時間的短的脈沖光的光 脈沖調(diào)制器提供時鐘，因此，該處理裝置與光脈沖調(diào)制器的工作時鐘同步。
[0079] 區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，本實施方式首先獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的拉曼散射光，再 對至少部分拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻率光，分別對第一頻率光和第 二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號W及第二電信號，最后通過所述第一電信號W及 第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn)的測量溫度。通過上述方式，不僅可 W精確地對傳感光纖的測量點(diǎn)進(jìn)行精確定位，在實際測量中，精度可W達(dá)到0.67米。而且將 光纖本身作為傳感器，實現(xiàn)真正的分布式測量，在實現(xiàn)實時監(jiān)測的同時大大降低誤報和漏 報率。而且，由于光纖本身完全電絕緣，因此，脈沖光在傳輸過程中不受任何外界環(huán)境的電 磁干擾，又由于光纖傳輸數(shù)據(jù)量大、損耗小且不腐蝕、耐火、耐水及壽命長的特性，不僅在無 需中繼的情況下，可W精確的實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，還能夠有效降低傳感器本身的維護(hù)成本，進(jìn)而 降低整個監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)營成本。
[0080] 另外，在光信號的傳輸路徑上設(shè)置參考光纖，通過參考該參考光纖的測量溫度與 實際溫度之間的關(guān)系，進(jìn)一步地根據(jù)測量點(diǎn)的測量溫度得到測量點(diǎn)的實際溫度，通過該實 際溫度最終代表該測量點(diǎn)的溫度，能夠進(jìn)一步消除第一頻率光和第二頻率光由于波長不同 而產(chǎn)生的衰減差異和響應(yīng)差異，提高監(jiān)測到的測量點(diǎn)的溫度。
[0081] 另外，在確定測量點(diǎn)的實際溫度后，判斷當(dāng)前的實際溫度與之前得到的實際溫度 間是否發(fā)生超過設(shè)定值的變化，并在發(fā)生變化時發(fā)出所述測量點(diǎn)的溫度發(fā)生變化的警報， 能夠?qū)崿F(xiàn)精確遠(yuǎn)程的檢測。
[0082] 參閱圖3,圖3是本發(fā)明基于光纖的溫度監(jiān)測系統(tǒng)一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0083] 如圖3所示，本實施方式的溫度檢測系統(tǒng)包括傳感光纖301、光禪合器302 W及光處 理裝置303,其中，該光禪合器302與光處理裝置303電路連接，進(jìn)一步如圖3所示，該光處理 裝置303包括分光器3031、第一信號轉(zhuǎn)換單元3032、第二信號轉(zhuǎn)換單元3033W及信號處理單 元3034,其中，該第一信號轉(zhuǎn)換單元3032W及第二信號轉(zhuǎn)換單元3033分別與分光器3031W 及信號處理單元3034電路連接。
[0084] 該光禪合器302用于獲取傳感光纖301的測量點(diǎn)返回的拉曼散射光。
[0085] 由于光纖具有結(jié)構(gòu)簡單、布設(shè)方便、電絕緣、耐高溫、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，本實施方 式中將光管本身作為溫度傳感器來采集溫度。適用于地下或井下如煤礦電纜溫度監(jiān)測等， 還可W應(yīng)用于其他對于溫度敏感的惡劣環(huán)境，在此不做限定。
[0086] 為了對監(jiān)測點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量，進(jìn)一步如圖4所示，激光發(fā)生器404在傳感光纖401 的起始位置發(fā)出激光，該激光在光脈沖調(diào)制器405的調(diào)制作用下，形成設(shè)定周期和持續(xù)時間 的短的脈沖光，該脈沖光在通過光禪合器401在傳感光纖上傳播。在脈沖光的傳輸過程中， 由于脈沖光與光纖分子發(fā)生相互作用，發(fā)生多種形式的散射，如由光纖分子的熱振動和光 子作用發(fā)生能量交換而形成的拉曼散射。不同距離點(diǎn)的散射光信號會有部分沿著傳輸光路 返回至光禪合器402。
[0087] 對應(yīng)地，光禪合器獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的光信號，如拉曼散射光。
[0088] 分光器3031用于對至少部分所述拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二 頻率光。
[0089] 進(jìn)一步參閱圖3,拉曼散射光在產(chǎn)生的過程中，由于光纖分子的熱振動和光子相互 作用發(fā)生能量交換，一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動，產(chǎn)生一個比光源脈沖光波長長的第一頻率 光，即斯托克斯光，一部分熱振動轉(zhuǎn)換成光能，產(chǎn)生一個比光脈沖波長短的第二頻率光，即 反斯托克斯光。其中，該第一頻率光和第二頻率光的波長的偏移量由傳感光纖組成元素的 固定屬性決定。
[0090] 具體地，本實施方式的光禪合器302在接收到該拉曼散射光后，將拉曼散射光信號 禪合到所述分光器3031中，分光器3031對至少部分所述拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率 光W及第二頻率光。
[0091] 在一個優(yōu)選的實施方式中，光禪合器302將50%的拉曼散射光信號禪合到所述分 光器3031中。
[0092] 第一轉(zhuǎn)換單元3032用于對所述第一頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號;所述 第二轉(zhuǎn)換單元3033用于對所述第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第二電信號。
[0093] 正如上述所分析，由于脈沖光在傳輸過程中，會產(chǎn)生各種不同類型的散射光，因 此，拉曼散射光中可能還夾雜著其他類型的散射光和干擾光，為了使溫度監(jiān)測更加準(zhǔn)確，需 要盡量的保證分光后的第一頻率光和第二頻率光的純凈。因此，在分光器3031對拉曼散射 光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻率光后，分別將該兩路不同頻率的光進(jìn)行處理。
[0094] 具體地，第一轉(zhuǎn)換單元3032對第一頻率光進(jìn)行帶通濾波處理，然后再對經(jīng)過帶通 濾波處理后的第一頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大，得到第一電信號。第二轉(zhuǎn)換單元3033對第 二頻率光進(jìn)行帶通濾波處理，然后再對經(jīng)過帶通濾波處理后的第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和 放大，得到第二電信號。
[00M]其中，該第一電信號為第一電壓值，第二電信號為第二電壓值。
[0096] 其中，本實施方式中第一轉(zhuǎn)換單元3032W及第二轉(zhuǎn)換單元3033是通過雪崩光電二 極管AH)對經(jīng)過帶通濾波處理后的第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大。在其他 實施方式中，也可W通過其他器件對經(jīng)過帶通濾波處理后的第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行 光電和放大，在此不做限定。
[0097] 信號處理單元3034用于通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對 應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn)的測量溫度。
[0098] 在得到第一電信號和第二電信號W后，為了使監(jiān)測結(jié)果更加精確，信號處理單元 3034進(jìn)一步地對第一電信號和第二電信號進(jìn)行卡爾曼濾波。
[0099] 在一個具體的實施方式中，信號處理單元3034用matlab實現(xiàn)對第一電信號和第二 電信號的卡爾曼濾波，W濾出噪聲，得到純凈的第一電信號和第二電信號。
[0100] 由于拉曼散射光的光強(qiáng)度與溫度有關(guān)，信號處理單元3034即可W通過第一頻率光 的第一光強(qiáng)與第二頻率光的第二光強(qiáng)的比值確定測量點(diǎn)的測試溫度。
[0101] 具體地，第一光強(qiáng)與第一電信號即第一電壓值存在對應(yīng)關(guān)系，第二光強(qiáng)第二電信 號即第二電壓值存在對應(yīng)關(guān)系，因此，信號處理單元3034可根據(jù)第一電壓值獲取第一光強(qiáng)， 根據(jù)第二電壓值獲取第二光強(qiáng)。在通過公式
巧定測量點(diǎn)的溫度R(T),其中，Ia為 第一光強(qiáng)，Is為第二光強(qiáng)。
[0102] 通過上述方式，可W精確地對傳感光纖的測量點(diǎn)進(jìn)行精確定位，在實際測量中，精 度可W達(dá)到0.67米。而且將光纖本身作為傳感器，實現(xiàn)真正的分布式測量，在實現(xiàn)實時監(jiān)測 的同時大大降低誤報和漏報率。
[0103] 由于在實際測量測量點(diǎn)的溫度時，波長不同的第一頻率光和第二頻率光的衰減存 在差異，和探測器對二者的響應(yīng)也存在差異，因此，即使對第一電信號和第二電信號進(jìn)行了 多次濾波處理，仍然存在誤差。本實施方式中通過參考光纖來消除該誤差。
[0104] 進(jìn)一步如圖5所示，光信號即脈沖光的傳輸路徑上還包括恒溫箱506,該恒溫箱中 設(shè)置有參考光纖，且保存有參考光纖的實際溫度。
[0105] 可選地，為了減小誤差，該設(shè)置參考光纖的恒溫箱506設(shè)置在該傳感光纖的前200 米。
[0106] 具體地，信號處理單元5034獲取該參考光纖的的測量溫度和實際溫度。其中，該參 考光纖的測量溫度的獲取方式與上述測量點(diǎn)的測量溫度的獲取方式相同，在此不再寶述。 該實際溫度為該參考光纖存儲在恒溫箱的溫度。在【具體實施方式】中，該實際溫度可通過一 個電壓值來對應(yīng)。
[0107] 信號處理單元5034進(jìn)一步參考所述參考光纖的測量溫度與實際溫度之間的關(guān)系， 由所述測量點(diǎn)的測量溫度得到所述測量點(diǎn)的實際溫度。
[0108] 具體地，信號處理單元5034通過公式1來求得測量點(diǎn)的實際溫度T，公式1如下所示
其中，所述R(T)為所述測量點(diǎn)的測量溫度，所述R(To)為 所述參考光纖的測量溫度，所述To為所述參考光纖的實際溫度，h為普朗克常數(shù)，C為光速，y 為波爾茲曼常數(shù)，所述k為玻爾茲曼常數(shù)，其中，K = I.3806488(13) Xicr-23J/K。
[0109] 通過上述方式，能夠進(jìn)一步消除第一頻率光和第二頻率光由于波長不同而產(chǎn)生的 衰減差異和響應(yīng)差異，提高監(jiān)測到的測量點(diǎn)的溫度。
[0110] 在上述任一實施實施方式中，信號處理單元在得到測量點(diǎn)的實際溫度后，為了進(jìn) 一步確定該采樣點(diǎn)的實際溫度是否存在異常，如大幅度提高或降低，需進(jìn)一步對該監(jiān)測點(diǎn) 的溫度進(jìn)行判斷。
[0111] 具體地，信號處理單元將該測量點(diǎn)當(dāng)前的實際溫度與前一時刻得到的實際溫度相 比較，判斷所述測量點(diǎn)當(dāng)前的實際溫度與之前得到的實際溫度間是否發(fā)生超過設(shè)定值的變 化，如果發(fā)生變化，進(jìn)一步判斷該變化是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，如果在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則代表該測 量點(diǎn)的溫度正常。如果該變化不在預(yù)設(shè)范圍沒，則發(fā)出該測量點(diǎn)溫度發(fā)生變化的報警。
[0112] 在上述任一實施方式中，在得到測量點(diǎn)溫度后，信號處理單元進(jìn)一步確定該測量 點(diǎn)位于傳感光纖的位置，即實現(xiàn)對檢測點(diǎn)的定位。
[0113] 在一個可選實施實施方式中，信號處理單元通過返回光禪合器的拉曼散射光的傳 輸時間W及該拉曼散射光的傳輸速度，即距離=傳輸時間*傳輸速度的原理確定該測量點(diǎn) 的位置。
[0114] 在另一個具體的實施方式中，信號處理單元根據(jù)拉曼散射光的信號采樣頻率來確 定測量點(diǎn)的位置，比如，采樣頻率為150MHZ，每秒采集150M個數(shù)據(jù)，所W每個數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的 時間為t = 1/1.5ns，如果光在光纖中的傳播速度為C = 2*108m/s，則兩個采樣點(diǎn)之間對應(yīng)的 實際距離S為s = ct = 2*108*(l/1.5)=0.65m。在根據(jù)間隔的采樣點(diǎn)的數(shù)量確定距離。
[0115] 在上述任一實施方式中，對第一電信號即第一電壓值和第二電信號即第二電壓值 進(jìn)行處理的信號處理單元同時給將激光器發(fā)出的激光形成設(shè)定周期和持續(xù)時間的短的脈 沖光的光脈沖調(diào)制器提供時鐘，因此，該信號處理單元與光脈沖調(diào)制器的工作時鐘同步。如 圖4中信號處理單元4034與光脈沖調(diào)制器405電路連接，圖5中信號處理單元5034與光脈沖 調(diào)制器505電路連接。
[0116] 區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，本實施方式溫度監(jiān)測系統(tǒng)的光禪合器獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返 回的拉曼散射光，分光器對至少部分拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻率 光，第一轉(zhuǎn)換單元用于對第一頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號;第二轉(zhuǎn)換單元用于對 第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第二電信號，信號處理單元通過所述第一電信號W及第二 電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn)的測量溫度。通過上述方式，不僅可W精 確地對傳感光纖的測量點(diǎn)進(jìn)行精確定位，在實際測量中，精度可W達(dá)到0.67米。而且將光纖 本身作為傳感器，實現(xiàn)真正的分布式測量，在實現(xiàn)實時監(jiān)測的同時大大降低誤報和漏報率。 而且，由于光纖本身完全電絕緣，因此，脈沖光在傳輸過程中不受任何外界環(huán)境的電磁干 擾，又由于光纖傳輸數(shù)據(jù)量大、損耗小且不腐蝕、耐火、耐水及壽命長的特性，不僅在無需中 繼的情況下，可W精確的實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，還能夠有效降低傳感器本身的維護(hù)成本，進(jìn)而降低 整個監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)營成本。
[0117] 另外，在光信號的傳輸路徑上設(shè)置參考光纖，通過參考該參考光纖的測量溫度與 實際溫度之間的關(guān)系，進(jìn)一步地根據(jù)測量點(diǎn)的測量溫度得到測量點(diǎn)的實際溫度，通過該實 際溫度最終代表該測量點(diǎn)的溫度，能夠進(jìn)一步消除第一頻率光和第二頻率光由于波長不同 而產(chǎn)生的衰減差異和響應(yīng)差異，提高監(jiān)測到的測量點(diǎn)的溫度。
[0118] 另外，在確定測量點(diǎn)的實際溫度后，判斷當(dāng)前的實際溫度與之前得到的實際溫度 間是否發(fā)生超過設(shè)定值的變化，并在發(fā)生變化時發(fā)出所述測量點(diǎn)的溫度發(fā)生變化的警報， 能夠?qū)崿F(xiàn)精確遠(yuǎn)程的檢測。
[0119] W上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本 發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的 技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于光纖的溫度監(jiān)測方法，其特征在于，所述溫度監(jiān)測方法包括： 獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的拉曼散射光； 對至少部分所述拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻率光； 分別對所述第一頻率光和第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號W及第二電信 號； 通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn)的測 量溫度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度監(jiān)測方法，其特征在于，所述通過所述第一電信號W及第 二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn)的測量溫度的步驟之后還包括： 獲取參考光纖的測量溫度W及實際溫度;其中，所述參考光纖設(shè)置在光信號的傳輸路 徑上，所述參考光纖的測量溫度的獲取方式與所述測量點(diǎn)的測量溫度的獲取方式相同； 參考所述參考光纖的測量溫度與實際溫度之間的關(guān)系，由所述測量點(diǎn)的測量溫度得到 所述測量點(diǎn)的實際溫度。3. 根據(jù)權(quán)利2所述的溫度監(jiān)測方法，其特征在于，所述參考所述參考光纖的測量溫度與 實際溫度之間的關(guān)系，由所述測量點(diǎn)的測量溫度得到所述測量點(diǎn)的實際溫度的步驟包括： 根據(jù)公式]1^得所述測量點(diǎn)的實際溫度1'， 其中，所述R(T)為所述測量點(diǎn)的測量溫度，所述R(To)為所述參考光纖的測量溫度，所述 To為所述參考光纖的實際溫度，h為普朗克常數(shù)，C為光速，y為波爾茲曼常數(shù)，所述k為玻爾 茲曼常數(shù)，其中，K = I.3806488(13) X 10 --23J/K。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度監(jiān)測方法，其特征在于，還包括： 判斷所述測量點(diǎn)當(dāng)前的實際溫度與之前得到的實際溫度間是否發(fā)生超過設(shè)定值的變 化； 若是，則發(fā)出所述測量點(diǎn)的溫度發(fā)生變化的警報。5. 根據(jù)權(quán)利1所述的溫度監(jiān)測方法，其特征在于，所述第一電信號為第一電壓值，所述 第二點(diǎn)信號為第二電壓值， 所述通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān)系得到所述測量點(diǎn) 的測量溫度的步驟具體包括： 根據(jù)所述第一電壓值W及第二電壓值分別獲取所述第一頻率光的第一光強(qiáng)W及第二 頻率光的第二光強(qiáng)； 將所述第一光強(qiáng)和所述第二光強(qiáng)的比值確定為所述測量點(diǎn)的測試溫度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度監(jiān)測方法，其特征在于，在所述分別對所述第一頻率光和 第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號W及第二電信號的步驟之后，所述方法還包括： 對所述第一電信號W及第二電信號分別進(jìn)行卡爾曼濾波。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電纜溫度監(jiān)測方法，其特征在于，所述獲取傳感光纖的測量點(diǎn) 返回的拉曼散射光的步驟之后，還包括： 通過所述返回的拉曼散射光的傳輸時間W及所述拉曼散射光的傳輸速度，確定所述測 量點(diǎn)的位置。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度監(jiān)測方法，其特征在于，所述對至少部分所述拉曼散射光 進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻率光的步驟具體包括： 將50%的拉曼散射光信號禪合到所述分光器中，W得到第一頻率光W及第二頻率光， 其中，所述第一頻率光為斯托克斯光，所述第二頻率光為反斯托克斯光。9. 一種基于光纖的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括:傳感光纖、光 禪合器W及光處理裝置，其中所述光禪合器設(shè)置在所述傳感光纖的傳輸路徑上，所述光處 理裝置與所述光禪合器電路連接； 所述光處理裝置包括分光器、第一信號轉(zhuǎn)換單元、第二信號轉(zhuǎn)換單元W及信號處理單 元，所述第一信號轉(zhuǎn)換單元W及所述第二信號轉(zhuǎn)換單元分別與所述分光器W及信號處理單 元連接； 所述光禪合器用于獲取傳感光纖的測量點(diǎn)返回的拉曼散射光； 所述分光器用于對至少部分所述拉曼散射光進(jìn)行分光得到第一頻率光W及第二頻率 光； 所述第一轉(zhuǎn)換單元用于對所述第一頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第一電信號;所述第二 轉(zhuǎn)換單元用于對所述第二頻率光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第二電信號； 所述信號處理單元用于通過所述第一電信號W及第二電信號與測量溫度間的對應(yīng)關(guān) 系得到所述測量點(diǎn)的測量溫度。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理單元還用于獲取 參考光纖的測量溫度W及實際溫度;其中，所述參考光纖設(shè)置在所述光信號的傳輸路徑上， 所述參考光纖的測量溫度的獲取方式與所述測量點(diǎn)的測量溫度的獲取方式相同； 參考所述參考光纖的測量溫度與實際溫度之間的關(guān)系，由所述測量點(diǎn)的測量溫度得到 所述測量點(diǎn)的實際溫度。
【文檔編號】G01K11/32GK105987771SQ201610512131
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】張強(qiáng), 劉博宇, 聶鑫, 劉本剛, 李建彬
【申請人】深圳艾瑞斯通技術(shù)有限公司