本發(fā)明涉及分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)（DTS），特別涉及DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時標定方法。

背景技術(shù)：

測溫光纜產(chǎn)生拉曼散射時，由于斯托克斯光和反斯托克斯光波長相差大于200nm,它們的衰減系數(shù)一般并不相同.而這種衰減系數(shù)的不同對DTS溫度分布影響很大，理論分析和至今為止的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表明這是DTS系統(tǒng)對測量精度影響最大的因素之一。因此，DTS系統(tǒng)必須對由此造成的影響進行標定。

當忽略衰減系數(shù)的影響或當傳輸距離為零時，溫度計算公式為：

（1）

這里：T_m是由APD信號直接計算得到的溫度值， T₀是參考光纖的溫度值；Ｉ_s（Ｔ_０）是參考光纖斯托克斯光強；Ｉ_a（Ｔ_０）是參考光纖反斯托克斯光強；Ｉ_s（Ｔ_m）是測量光纖斯托克斯光強；Ｉ_a（Ｔ_m） 是測量光纖反斯托克斯光強；

，其中h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，△v為拉曼頻移，在石英光纖中，實際上，當信號從測試點傳輸至APD處，由于信號的衰減其數(shù)值就變?yōu)椋?/p>

（2）

這里，P₀是原始功率，P_x是傳輸了距離為x以后的功率，l是衰減相關(guān)的系數(shù)（并不是衰減系數(shù)，因單位不同），x為距離。由此我們可以得到在衰減系數(shù)不同時的溫度計算公式：

（3）

這里， T_r為準確溫度值，T_m是由APD信號直接計算得到的溫度值，A_a和A_s分別是在Anti-Stokes 和Stokes 波長下的衰減系數(shù)，單位是dB/km,X是距離,C₀是一常數(shù)：0.23026

由公式（3）可以看出，當衰減系數(shù)相同時，T_r等于T_m。而當衰減系數(shù)不同時，其對結(jié)果的影響程度決定于衰減系數(shù)的差值，距離以及計算得到的溫度。也就是說，衰減系數(shù)差別越大，或者距離越遠，再或者測試點的溫度越高，其受到的影響也就越大。

設(shè)(A_a－A_s)為Cat,由公式（3）也可以看出，當Cat不等于零時，溫度T隨光纖長度方向（X方向）就不再水平，其傾斜程度直接決定于Cat的絕對值。由于目前市場上的光纖在斯托克斯和反斯托克斯波長處的衰減系數(shù)沒有實施標準，因此光纖同一批次、光纖批次與批次之間，甚至同一批次不同位置處的衰減系數(shù)并不相同。實際試驗表明這種差別比較大或非常大，要得到準確的DTS系統(tǒng)，必須對系統(tǒng)進行標定。

理論和目前市場上的系統(tǒng)都表明：要標定Cat，嚴格地說必須知道溫度沿長度方向的準確分布。假定Cat在整個長度上相同（在一定情況下能夠成立），標定可以簡化為測量在一定位置處的準確溫度分布即準確位置和溫度。同時，由于不可避免的信號噪聲和各種誤差因素，系統(tǒng)標定需要一定數(shù)量點的準確溫度分布，才有可能實現(xiàn)所需的系統(tǒng)精度（系統(tǒng)要求的精度越高，標定所需要的點數(shù)就越多）。要準確得到準確位置的準確溫度，必須在現(xiàn)場進行準確測量，這在許多實際使用現(xiàn)場可能比較難以實現(xiàn)。另一方面，當需要準確溫度分布（位置和溫度）的點數(shù)比較多時，實現(xiàn)起來就比較困難，至少比較費時。這種時間上的不同就會增加系統(tǒng)標定難度或結(jié)果不準確性，因為在測量其它點的位置和溫度時已測量的點的溫度可能已經(jīng)發(fā)生改變（參考光纖的溫度也可能發(fā)生了改變）。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時標定方法。

本發(fā)明所采取的技術(shù)措施是：一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時標定方法，其特征是該DTS系統(tǒng)包含DTS主機和與高反射鏡，還有連通DTS主機和高反射鏡之間光路的測溫光纜、62.5/125um測溫光纜末端耦合的高反射鏡（波長范圍在1400nm-1700nm）.該方法的主要步驟是：

1）DTS主機第一次獲取激光脈沖在測溫光纜中產(chǎn)生的背向拉曼散射中包含斯托克斯光強和反斯托克斯光強的原始數(shù)據(jù)。定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat，計算任意一點的溫度值T_r；

2）DTS主機第二次獲取高反射鏡反射回來的激光脈沖產(chǎn)生的的拉曼散射含斯托克斯光強與反斯托克斯光強的原始數(shù)據(jù)，。定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat’,根據(jù)計算任意一點的溫度值T_r’；

3)根據(jù)同一位置、較短時間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，即Cat=Cat’, T_r= T_r’.計算獲取DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)。

本方案的具體特征還有，全光范圍內(nèi)反射鏡必須對波長為1550nm光、波長為1660nm斯托克斯光、波長為1450nm反斯托克斯光具有高反射能力。

本方案還提供一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時標定方法，其特征是將同一段光纖首尾兩端分別接入帶有光開關(guān)的DTS系統(tǒng)中以形成第一通道和第二通道，DTS主機分別獲取第一通道、第二通道中含斯托克斯光強、反斯托克斯光強的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)同一位置、較短時間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，做對比可計算獲得DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是:

1、傳統(tǒng)獲取DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)的方法都是基于溫度準確測量的，且必須保證溫度保持恒定的條件下，而本發(fā)明不需要知道溫度參數(shù)，直接摒除溫度變量對于結(jié)果的影響，這樣測量的結(jié)果誤差小，精度提高。

2、本發(fā)明的優(yōu)點是不需要知道光纖沿長度方向的溫度分布，就可以準確計算出光纖上每點的衰減系數(shù)，這樣就可以掌握整根光纜的衰減系數(shù)信息，非常有利于溫度的精確計算。

3、DTS系統(tǒng)在工程安裝之后，由于光纜的型號、批次、敷設(shè)環(huán)境等改變，實驗室標定的參數(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用時差別很大，特別是衰減系數(shù)的標定對于結(jié)果的影響重大，因此，很有必要準確獲取DTS系統(tǒng)的衰減系數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點是只需要在光纖末端簡單的處理，經(jīng)軟件計算即可獲取衰減系數(shù)，大大節(jié)省了人力和物力，提高了測量精度，也提高了工作效率。

在光纖尾端實現(xiàn)對3個波長（原始脈沖光，斯托克斯和反斯托克斯）的高反射，這樣，當脈沖光到達終點后會沿原路返回，在返回的過程中會得到相應(yīng)的斯托克斯和反斯托克斯信號。由于原路返回的斯托克斯和反斯托克斯經(jīng)過了完全相同的光纖并在非常短的時間內(nèi)完成，它們在同一位置的溫度和衰減系數(shù)（及之差C_at）完全相同。這種完全相同的溫度就給我們提供了準確計算C_at的可靠方法。理論分析表明（推導過程略），C_at可以通過下面的公式計算得到：

(4)

式中是正向傳輸時在位置j處的信號比值；

是反向傳輸時在位置j處的信號比值；

JLen是光纖長度；

C₀是與公式（3）相同的常數(shù)。

理論分析表明，用這種方法標定（計算）C_at并不需要知道溫度分布，這將極大地簡化了系統(tǒng)標定過程。并且，理論分析還表明，用這種方法標定C_at時可以得到任何一點的C_at值，也就是說，并不需要假定C_at沿長度方向不變，從而具有更大的適用性。

附圖說明

圖1是第一次獲取DTS系統(tǒng)激光脈沖產(chǎn)生拉曼背向散射示意圖。圖2是第二次獲取反射激光脈沖產(chǎn)生拉曼散射光強示意圖。圖3是同一根光纜首尾分別接入DTS主機的第一和第二通道示意圖。

具體實施方式

實施例1：

一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時標定方法，其特征是該DTS系統(tǒng)包含DTS主機和與高反射鏡，還有連通DTS主機和高反射鏡之間光路的62.5/125um測溫光纜，62.5/125um測溫光纜末端耦合的高反射鏡波長范圍在1400nm-1700nm.該方法的主要步驟是：

1）DTS主機第一次獲取激光脈沖在測溫光纜中產(chǎn)生的背向拉曼散射中包含斯托克斯光強和反斯托克斯光強的原始數(shù)據(jù)，定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat，計算任意一點的溫度值T_r；

2）DTS主機第二次獲取高反射鏡反射回來的激光脈沖產(chǎn)生的的拉曼散射含斯托克斯光強與反斯托克斯光強的原始數(shù)據(jù)，定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat’,計算任意一點的溫度值T_r’；

3)根據(jù)同一位置、較短時間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，即Cat=Cat’, T_r= T_r’。計算獲取DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)。

本方案的具體特征還有，高反射鏡必須對波長為1550nm光、波長為1660nm斯托克斯光、波長為1450nm反斯托克斯光具有高反射能力。

假設(shè)光纖的總長度為JLen,第一次測量時X_j處真實溫度為T_r, 計算溫度為T_m；

第二次測量時X_j處真實溫度為T_r’,計算溫度為T_m’。

DTS主機第一次獲取激光脈沖在測溫光纜中產(chǎn)生的背向拉曼散射中包含斯托克斯光強和反斯托克斯光強的原始數(shù)據(jù)，定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat，計算任意一點的溫度值T_r；

DTS主機第二次獲取高反射鏡反射回來的激光脈沖產(chǎn)生的的拉曼散射含斯托克斯光強與反斯托克斯光強的原始數(shù)據(jù)，定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat’,根據(jù)計算任意一點的溫度值T_r’

根據(jù)同一位置、較短時間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，即Cat=Cat’, T_r= T_r’.做對比可計算獲取DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)。所以

DTS標定主要內(nèi)容如下：

DTS系統(tǒng)搭建之后，需要對光纖沿距離方向的溫度系數(shù)Crs、插損系數(shù)Closs光纜衰減系數(shù)Cat進行標定。其中，Crs表示計算出來T_r系數(shù)，為溫度的斜率，Closs表示該項的常數(shù)項，為儀器內(nèi)部通道內(nèi)的插損，整根光纜處于比較恒定溫度環(huán)境下。比如，常溫下水槽，稱為低溫區(qū)。在光纜尾部盤至少3米的光纖，然后放在恒溫水槽中，恒溫水槽的溫度要高于環(huán)境溫度，如環(huán)境溫度為25℃，恒溫水槽設(shè)定80℃，稱為高溫區(qū)。高溫恒溫水槽溫度恒定以后，輸入低溫區(qū)光纜起始位置、終止位置及常溫下水槽的溫度值，再輸入高溫區(qū)光纜起始位置、終止位置及高溫區(qū)水槽的溫度值。結(jié)合Cat標定方法，計算Crs、Closs及Cat系數(shù)。

實施例2：

本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處在于一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時標定方法：同一段光纖首尾兩端分別接入帶有光開關(guān)的DTS主機，首段接入第一通道，尾端接入第二通道，通過較短時間內(nèi)光開關(guān)切換，DTS主機分別獲取第一通道、第二通道中含斯托克斯光強、反斯托克斯光強的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)同一位置、較短時間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，做對比也可計算獲取衰減系數(shù)。