專利名稱：自校正功能的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)及其溫度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有自動校正功能的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)以及使用其測量溫度的方法，更具體地，涉及具有自動校正功能的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)和使用其測量溫度的方法，在其中，可以通過在分布式溫度傳感器系統(tǒng)中提供反射裝置來使用一個光源和一個光檢測器，因此可以僅使用反斯托克斯拉曼散射光信號測量沿著光纖分布的溫度。
背景技術(shù)：
通常，使用光纖的背向散射光測量被測光纖中分布的溫度的原理如下面所描述的。如果激發(fā)光源的光脈沖進入被測光纖，則在該光纖中生成散射光，并且散射光的一部分反饋至被測光纖的進入端，因此，形成背向散射光。大部分背向散射光是波長與入射光的波長相等的瑞利散射光，并且在背向散射光中還包括具有被拉曼散射改變波長的少量拉曼散射光。瑞利散射光的強度通常是入射光的強度的大約1/100，而拉曼散射光與瑞利散射光的1/10，000 一樣弱。拉曼散射光包括:相對于入射光其波長朝向長波長改變的斯托克斯光；和相對于入射光其波長朝向短波長改變的反斯托克斯光。當(dāng)進入到光纖的光與二氧化娃分子碰撞時，發(fā)生拉曼散射。由于二氧化娃分子的運動量根據(jù)溫度而改變，所以散射量根據(jù)溫度改變。即，斯托克斯光和反斯托克斯光的強度取決于絕對溫度。因此，如果獲得斯托克斯光和反斯托克斯光之間的比率，則可以獲得被測光纖的縱長方向上的溫度分布。在這點上，溫度僅影響反斯托克斯光，而為了補償光源的遷移，通過測量散射量來測量斯托克斯光。為了通過基于上述原理從被測光纖的背向散射光中分離和提取散射光來被測光纖的分布式溫度，確實需要光纖分布式溫度傳感器。

圖1示意性地示出了傳統(tǒng)拉曼傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。圖1所示的拉曼傳感器系統(tǒng)使用拉曼現(xiàn)象按照距離測量溫度。拉曼傳感器系統(tǒng)通常包括:電源單元、激光二極管、脈沖發(fā)生器、光循環(huán)器、拉曼散射測量濾波器、光檢測器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)等。如果將通過激光二極管生成的脈沖調(diào)制入射光傳送至被測光纖中，則取決于距離發(fā)生光的延遲。因此，脈沖形式的輸入光信號被轉(zhuǎn)換成具有背向距離分辨率的散射光。將使用拉曼濾波器將通過光纖產(chǎn)生的散射信號分成具有不同波長的散射信號。波長與通過激光二極管生成的入射光的波長相同的的瑞利散射信號接收在瑞利散射區(qū)域中，以及能夠根據(jù)溫度改變測量信號變化的反斯托克斯散射信號和斯托克斯散射信號接收在反斯托克斯散射區(qū)域和斯托克斯散射區(qū)域中。通過光檢測器獨立地檢測各散射區(qū)域所接收的瑞利散射信號、反斯托克斯散射信號、斯托克斯散射信號，并且通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然而，在拉曼傳感器系統(tǒng)中背向散射光的強度分布的不正確性已成為嚴重的問題。不正確性不僅受溫度影響，而且由光纖中的物理干擾所產(chǎn)生的局部衰減也會引起不正確性。為了避免由強度分布的不正確性所導(dǎo)致的測量誤差，需要去除局部衰減的影響。這種不正確性主要由斯托克斯光和反斯托克斯光之間范圍在IOOnm至200nm內(nèi)的波長差和對入射光的波長的依賴性所導(dǎo)致。另外，以不同制造工藝制造的光纖具有差分衰減分布。此夕卜，當(dāng)光纖受彎曲、張力、壓縮、輻射以及化學(xué)污染防礙時，差分衰減進一步增加。在彎曲和壓縮的情況下，差分衰減相對較小，因此，可以通過瑞利波或斯托克斯波來補償這種差分衰減。另外，在核結(jié)構(gòu)中的伽馬射線輻射是差分衰減導(dǎo)致溫度誤差的典型原因。盡管為了解決該問題已經(jīng)提出了使用瑞利帶和反斯托克斯帶的一些方法，但是波長差的問題仍然存在，因此，不能完全去除因波長差所導(dǎo)致的差分衰減。為了解決該問題，已提出用于自動校正差分衰減的雙端方法。然而，盡管該方法具有很多優(yōu)點，當(dāng)被測光纖損壞時，仍存在需要被測光纖的兩倍長度的光纖和附加分布的溫度傳感器信道的問題。此后，為了解決雙端方法的問題，提出了使用雙光源的方法。然而，使用雙光源的方法仍具有需要一個附加的光源、一個光學(xué)開關(guān)以及兩個光檢測器的問題。因此，需要開發(fā)一種使用一個光源和一個光檢測器進一步簡單和完整地測量自動校正溫度的方法。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題因此，考慮到上述問題提出了本發(fā)明，本發(fā)明的第一目的是提供具有自動校正功能的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)測量溫度的方法，其中，可以使用一個光源和一個光檢測器測量自動校正的溫度。本發(fā)明的第二目的是提供具有自動校正功能的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)測量溫度的方法，其中，取決于入射光的斯托克斯光和反斯托克斯光之間的波長差以及光纖中存在的實際障礙可以克服。本發(fā)明的第三目的是提供具有自動校正功能的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)測量溫度的方法，其中，由差分衰減導(dǎo)致的被測溫度的不正確性可以簡單地并完全消除，因此，節(jié)省了其成本。問題的解決方案為了實現(xiàn)以上目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種具有自動校正功能的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:用于生成脈沖調(diào)制的光信號的光源，包括電源單元100、脈沖發(fā)生器110以及激光二極管105 ;與光源單元連接的被測光纖120，其中光信號通過被測光纖進入和傳輸；設(shè)置在被測光纖120的一端處的反射裝置125，用于沿著被測光纖120反射通過被測光纖120傳輸?shù)墓庑盘?；設(shè)置在被測光纖120和光源單兀之間的光循環(huán)器115,用于在與從光源單兀進入的光信號的方向不同的方向上分離并傳輸從被測光纖120進入的光信號；與光循環(huán)器115連接的拉曼濾波器130,用于分離光學(xué)循環(huán)器115所分離和傳輸?shù)墓庑盘柡蛢H通過在光學(xué)循環(huán)器115所分離和傳輸?shù)墓庑盘栔械姆此雇锌怂估⑸涔庑盘?；與拉曼濾波器130連接的光檢測器135，用于將反斯托克斯拉曼散射光信號轉(zhuǎn)化為可以進行信號處理的電信號；與光檢測器135連接的放大器140，用于放大被轉(zhuǎn)換的電信號；與放大器140連接的數(shù)字轉(zhuǎn)換器145，用于將放大的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；以及與數(shù)字轉(zhuǎn)換器145連接的信號處理單元150，用于在使用拉曼效應(yīng)測量溫度時，輸出在被測光纖120的縱長方向上分布的溫度數(shù)據(jù)。另外，光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)進一步包括光放大器160，用于放大光源單元所生成的光信號并且位于光源單兀和光學(xué)循環(huán)器115之間。
另外，光放大器160包括EDFA和ASE濾波器。另外，反射裝置125是鏡子。另外，反射裝置125反射從光源單元進入的光信號并且反射由被測光纖120產(chǎn)生的對于所反射的光信號的背向散射光。另外，從被測光纖120進入光檢測器135的光信號包括:由被測光纖120產(chǎn)生的常規(guī)背向散射光信號、對于被反射裝置125反射的光信號由被測光纖120產(chǎn)生的反射的背向散射光信號以及由被測光纖120生成的前向散射光信號。另外，光檢測器135是APD，并且AH)檢測拉曼散射光信號中的反斯托克斯光信號并且將反斯托克斯光信號轉(zhuǎn)換為電信號。另外，Aro通過反復(fù)檢測常規(guī)背向散射光信號、反射的背向散射光信號以及前向散射光信號來計算平均值。另外，放大器140包括電流放大器和電壓放大器。另外，沿被測光纖120分布的溫度僅使用反斯托克斯拉曼散射光來測量。另外，使用以下數(shù)學(xué)公式計算被測光纖120中的某點z處的溫度:
權(quán)利要求
1.一種具有自動校正功能的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 光源單元，包括電源單元(100)、脈沖發(fā)生器(110)以及激光二極管(105)，并用于生成脈沖調(diào)制的光信號； 被測光纖(120)，與所述光源單元連接，所述光信號通過所述被測光纖進入和傳輸； 反射裝置(125)，被設(shè)置在所述被測光纖(120)的一端處，用于沿著所述被測光纖(120)反射通過所述被測光纖(120)傳輸?shù)乃龉庑盘枺? 光學(xué)循環(huán)器(115)，被設(shè)置在所述被測光纖(120)和所述光源單元之間，用于在與從所述光源單兀進入的光信號的方向不同的方向上分離和傳輸從所述被測光纖(120)進入的光信號; 拉曼濾波器(130)，與光學(xué)循環(huán)器(115)連接，用于分離由所述光學(xué)循環(huán)器(115)所分離和傳輸?shù)墓庑盘柌⑶覂H通過該光信號中的反斯托克斯拉曼散射光信號； 光檢測器(135)，與所述拉曼濾波器(130)連接，用于將所述反斯托克斯拉曼散射光信號轉(zhuǎn)換為可以進行信號處理的電信號； 放大器(140)，與所述光檢測器(135)連接，用于放大所轉(zhuǎn)換的電信號； 數(shù)字轉(zhuǎn)換器(145)，與所述放大器(140)連接，用于將放大的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；以及 信號處理單元(150)，與所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器(145)連接，用于在使用拉曼效應(yīng)測量溫度時，輸出在所述被測光纖(120)的縱長方向上分布的溫度數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括:光放大器(160)，用于放大所述光源單元生成的所述光信號，并且位于所述光源單元和所述光學(xué)循環(huán)器(115)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述光放大器(160)包括EDFA和ASE濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述反射裝置(125)是鏡子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述反射裝置(125)反射從所述光源單元進入的所述光信號以及反射由所述被測光纖(120)產(chǎn)生的對于所反射的光信號的背向散射光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，從所述被測光纖(120)進入所述光檢測器(135)的光信號包括:由所述被測光纖(120)產(chǎn)生的常規(guī)背向散射光信號、對于被所述反射裝置(125)反射的光信號由所述被測光纖(120)產(chǎn)生的反射的背向散射光信號以及由所述被測光纖(120)產(chǎn)生的前向散射光信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光檢測器(135)是APD，并且所述AH)檢測拉曼散射光信號中的反斯托克斯光信號并且將所述反斯托克斯光信號轉(zhuǎn)換為所述電信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述APD通過反復(fù)檢測常規(guī)背向散射光信號、反射的背向散射光信號和前向散射光信號來計算平均值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述放大器(140)包括電流放大器和電壓放大器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，僅使用反斯托克斯拉曼散射光測量沿著所述被測光纖(120)分布的所述溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，使用以下數(shù)學(xué)公式來計算所述被測光纖120的某點z處的溫度:
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括顯示單元，用于根據(jù)所述信號處理單元(150)輸出的數(shù)據(jù)在屏幕上顯示整個被測光纖(120)上的溫度的信息。
13.一種使用具有自動校正功能的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)測量溫度的方法，所述方法包括以下步驟: 通過光源單元生成脈沖調(diào)制的光信號(S410)； 所生成的光信號通過設(shè)置在被測光纖(120)的一端處的光學(xué)循環(huán)器(115)進入所述被測光纖(120) (S420)； 在所進入的光信號沿著被測光纖傳輸時產(chǎn)生散射光信號，沿著所述被測光纖120傳輸所述散射光信號中的背向散射光信號，并且所述背向散射光信號進入所述光循環(huán)器115(S430)； 通過設(shè)置在所述被測光纖(120)的另一端處的反射裝置(125)對所進入的光信號產(chǎn)生反射的光信號，并且在所述反射的光信號在至所述光循環(huán)器115的方向上沿著所述被測光纖120傳輸時產(chǎn)生散射光信號(S4 40)； 通過所述反射裝置(125)反射對于所述反射的光信號的所述散射光信號中的背向散射光信號，沿著所述被測光纖(120)傳輸所述背向散射光信號，以及所述背向散射光信號進入所述光學(xué)循環(huán)器(115) (S450)； 通過所述光學(xué)循環(huán)器(115)將所進入的光信號傳輸至拉曼濾波器(130)，通過所述拉曼濾波器(130)分離所述光信號并且僅通過所述光信號中的反斯托克斯拉曼散射光信號(S460)； 通過光檢測器(135)將所通過的反斯托克斯拉曼散射光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大器(140)放大所述電信號并且通過數(shù)字轉(zhuǎn)換器(145)將放大的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(S470);以及， 通過所述信號處理單元(150)根據(jù)所轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號數(shù)據(jù)輸出在所述被測光纖120的縱長方向上分布的溫度數(shù)據(jù)(S480)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，生成所述光信號的步驟(S410)進一步包括:通過連接至所述光源單元的光放大器(160)來放大所生成的光信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，生成溫度數(shù)據(jù)的步驟(S480)進一步包括:通過連接至所述信號處理單元(150)的顯示單元基于數(shù)據(jù)顯示整個被測光纖(120)上的溫度信息的步驟。
全文摘要
本發(fā)明對使用一個光源和光檢測器測量自動校正溫度是有效的。
文檔編號G02B6/00GK103180702SQ201180038312
公開日2013年6月26日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者權(quán)日凡, 尹東珍, 黃斗善 申請人:韓國標(biāo)準科學(xué)研究院