消除瑞利光串扰的分布式光纤拉曼测温系统及测温方法

摘要

一种消除瑞利光串扰的分布式拉曼系统温度解调方法，属光纤测温技术领域。它是一种消除反斯托克斯光路中的瑞利光的温度解调的方法，取室温T1作为参考温度；在光纤的初始位置往后200米连续取50米，100米两段参考光纤，分别放到两个恒温槽中，温度分别为室温T1和T2，T2≠T1.第一个恒温槽的T1用于消除激光器功率的波动的影响，算出第二个恒温槽中光纤的温度T2下的反斯托克斯的数据与其室温T1的数据的差值，再算出测量光纤中所测量温度T下的反斯托克斯光功率的数据与其室温T1数据的差值，根据这两个差值就可以求出测量光纤的温度T。本发明方法能够消除激光器功率的波动和瑞利光的串扰，使测温精度和稳定性得到提高。

主权项

一种消除瑞利光串扰的分布式光纤拉曼系统温度解调方法，通过以下系统来实现，该系统包括1550nm脉冲激光器、1*2波分复用器、传感光纤、雪崩光电二极管、数据采集卡、计算机、2个恒温槽和电子温度计，1550nm脉冲激光器的脉冲输出端连接1*2波分复用器的1550nm的端口，1*2波分复用器的COM端口连接传感光纤，在传感光纤200米之外分别取50米和100米光纤段放置到两个恒温槽中，并作为参考光纤1和参考光纤2，1*2波分复用器的1450nm端口连接雪崩光电二极管,雪崩光电二极管的输出端口连接数据采集卡的输入端口，数据采集卡的输出端连接计算机，经计算机进行数据处理及计算后将光纤测得温度显示在计算机屏幕上，该方法步骤如下：1)连接上述系统，两段参考光纤放到外界环境中，并打开激光器，雪崩光电二极管,数据采集卡和计算机的电源；2)用电子温度计测量此时室温T1，点击数据采集卡的采集按钮，采集此时整段光纤的反斯托克斯散射光功率的数据，数据传输到计算机上并保存，并记做P1；3)取传感光纤200之外的50米和100米两段光纤作为参考光纤1和参考光纤2，参考光纤2后的传感光纤作为测量光纤，则参考光纤1，参考光纤2和测量光纤在室温下的反斯托克斯光的功率记为P11，P12和P13；4)把参考光纤1和参考光纤2分别放到恒温槽1和恒温槽2中，恒温槽1温度设置为T1，与上述的室温相同，恒温槽2温度设置为T2，T2≠T1,测量光纤放到测量环境中，设被测量环境的温度为T；5)打开数据采集卡进行数据采集，对整条传感光纤进行二次测量，采集此时整段光纤的反斯托克斯散射光功率的数据，数据传输到计算机上并保存，整条光纤的反斯托克斯的功率的数据记为P2；参考光纤1，参考光纤2和测量光纤此时的反斯托克斯光的功率记为P21，P22和P23；6)在计算机上进行数据计算，对第二次测量进行激光脉冲功率补偿得到P3，P3＝P2×(P11/P21)，对第二次测量激光脉冲功率补偿后，则参考光纤1，参考光纤2和测量光纤第二次测量的反斯托克斯功率分别为P31，P32和P33；7)第二次测量激光脉冲功率补偿后的参考光纤2的反斯托克斯功率减去参考光纤2温度T1的反斯托克斯功率得到P4，P4＝P32‑P12，根据反斯托克斯光功率P_as(T)与光纤温度的理论关系，$P_{\mathrm{as}}\left(T\right)=\frac{V}{2}{E}_0\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT})}{\Gamma }_{\mathrm{as}}\exp [-({\alpha }_0+{\alpha }_{\mathrm{as}})L],$则$P4=P32-P12=\frac{V}{2}{E}_0{\Gamma }_{\mathrm{as}}(\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)}-\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)})\exp [-({\alpha }_0+{\alpha }_{\mathrm{as}})L_1]---\left(1\right)$上式中，v为光在光纤中的传输速度，E₀为泵浦光脉冲的能量，h、k分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数，T为被测量环境的温度，Δv为光纤的拉曼频移量，г_as为光纤中单位长度上的后向反斯克斯拉曼散射光的散射系数，α₀、α_as分别为入射泵浦光和后向反斯托克斯拉曼散射光在光纤中单位长度上的损耗系数，L为被测量环境处的光纤上一测量点到测量起始点的距离，L₁为对应参考光纤2上某一测量点到测量起始点的距离，把(1)式两端求ln，得到：$\ln \left(P4\right)=\ln (P32-P12)=\ln [\frac{V}{2}{E}_0{\Gamma }_{\mathrm{as}}\left(\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)}\right)-\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}]-({\alpha }_0+{\alpha }_{\mathrm{as}})L_1---\left(2\right)$把上式进行一次项拟合得到：ln(P4)＝a×L₁+b； (3)根据上面(2)，(3)，得到α₀+α_as＝‑a；8)对P4进行衰减补偿，P4乘以exp(‑aL₁)，得到P5，$P5=(P32-P12)\exp (-a{L}_1)=\frac{V}{2}{E}_0{\Gamma }_{\mathrm{as}}\left(\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)}\right)-\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}---\left(4\right)$9)用第二次测量激光脉冲功率补偿后的测量光纤的反斯托克斯功率减去温度T1的反斯托克斯光的功率，得到的差值记为P6,即：P6＝P33‑P13；再根据反斯托克斯光的功率与光纤温度的关系式，P6与光纤温度T的关系式如下$P6=P33-P13=\frac{V}{2}{E}_0{\Gamma }_{\mathrm{as}}\left(\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT})}\right)-\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}\exp [-({\alpha }_0+{\alpha }_{\mathrm{as}})L_2]---\left(5\right)$L₂为对应测量光纤上某一测量点到测量起始点的距离，10)对P6进行衰减补偿，P6乘以exp(‑aL₂)，得到P7，$P7=(P33-P13)\exp (-a{L}_2)=\frac{V}{2}{E}_0{\Gamma }_{\mathrm{as}}\left(\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT})}\right)-\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}---\left(6\right)$11)用P7除以P5，得到P8，$P8=\frac{(P33-P13)\exp (-a{L}_2)}{(P32-P12)\exp (-a{L}_1)}=\frac{\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT})}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT})}-\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}}{\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)}-\frac{\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}{1-\exp (-\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)}}---\left(7\right)$12)(7)式中，P33，P13,P32,P12,a，L₁，L₂，h、Δv、k、T1和T2都是常数，只有T为未知，则根据(7)得到光纤温度T的关系式：$T=\mathrm{h\Delta v}/\left\{k\ln \right[1+\frac{1}{P8(\frac{1}{\exp (\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}2)-1}-\frac{1}{\exp (\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)-1})+\frac{1}{\exp (\mathrm{h\Delta v}/\mathrm{kT}1)-1}}\left]\right\}---\left(8\right)$$P8=\frac{(P33-P13)\exp (-a{L}_2)}{(P32-P12)\exp (-a{L}_1)}---\left(9\right)$P3＝P2×(P11/P21) (10)把已知量P33，P32，P13，P12，P11，P2，P21，L₁,L₂，h、Δv、k、T1和T2带入(8)，(9)，(10)求出光纤温度T。