一种分布式光纤温度传感校准单元、传感装置及检测方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种分布式光纤温度传感校准单元、传感装置及检测方法。

背景技术

激光在光纤中传播时会产生三种后向散射，分别为瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。拉曼散射源于入射光与光纤的光学声子相互作用，是一种非弹性散射。拉曼散射会产生斯托克斯光(散射光频率低于入射光频率)和反斯托克斯光(散射光频率高于入射光频率)。反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比值对温度极其敏感且是温度的单值函数，利用此原理可以进行温度测量。在时域中，利用光时域反射技术，即通过向光纤中注入脉冲激光，利用散射光和注入激光的时间差以及光在光纤中的传播速度，实现对测量点定位。基于上述原理，对光纤沿线温度进行测量的装置成为拉曼型分布式光纤温度传感(DTS)装置。

拉曼型分布式光纤温度传感设备通过测量并解调拉曼散射光的强度对光纤沿线温度进行分布式测量，由于其传感距离长，实时定量，连续测量，信噪比高，不易受电磁干扰且成本较低等优势，已经在石油化工、电力、建筑等领域的安全监控中具有重要的工程应用。

已有的DTS装置通常是利用脉冲激光器产生探测激光脉冲，注入到传感光纤中产生后向拉曼散射；利用波分复用器滤除多余的瑞利散射与布里渊散射后，得到相对纯净的拉曼散射光；再利用光电探测器探测得到电信号，由数据采集卡采集并处理，经过解调后得到温度信息。为消除激光脉冲能量起伏的影响，现有的DTS装置通常采用的双路解调技术，即同时探测反斯托克光和斯托克斯光，用两路散射信号光强比来解调温度。

测温精度是DTS装置的关键性能指标之一，其受光电器件的温度效应影响非常大。由于光纤中的后向拉曼散射信号非常弱，仅约为探测激光的60db，普通光电探测器常无法满足应用需求。DTS装置通常采用高增益的雪崩光电二极管(APD)探测器探测拉曼散射光。但APD的增益系数受环境温度影响较大，当环境温度发生改变时，APD的输出光电流会发生明显改变，导致DTS系统响应系数与标定时发生偏离，从而影响测量准确度。当DTS装置在温差较大的环境中工作时，比如跨昼夜或野外，APD的温漂效应将极大地降低DTS装置的测温精度。此外，激光器的性能也会受到环境温度的影响，影响系统的测温精度。可以说，激光器和APD等关键器件的温漂影响是影响DTS系统测温精度，尤其是长时间测温精度的主要因素。

因此，为满足地热能源开采等领域对DTS系统高测温精度的需求，一种简单、实用、有效解决DTS系统受环境温度变化产生的测温精度下降的问题的技术方案有待提出。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种分布式光纤温度传感校准单元、传感装置及检测方法。

本发明提出的一种分布式光纤温度传感装置及其校准单元，包括：参考光纤和校准温度计；

参考光纤用于探测参考温度信号，校准温度计用于检测参考光纤的参考温度值，根据所述参考温度信号和所述参考温度值计算传感校准因子。

优选地，还包括导热体，参考光纤布置在导热体上，校准温度计设置在导热体上通过导热体检测参考光纤的参考温度值；

优选地，参考光纤缠绕导热体螺旋布置；

优选地，参考光纤在导热体上呈S型布置。

优选地，还包括隔热包覆层，隔热包覆层包覆在参考光纤、导热体和校准温度计外部。

优选地，校准温度计和/或参考光纤通过导热胶耦合在导热体上。

优选地，校准温度计采用高精度点式温度计。

本发明中，所提出的分布式光纤温度传感校准单元，参考光纤用于探测参考温度信号，校准温度计用于检测参考光纤的参考温度值，根据所述参考温度信号和所述参考温度值计算传感校准因子。通过参考光纤与校准温度计的设置，利用二者的检测温度差异，获得整体系统的实时校准因子，从而对传感光纤探测值进行实时校准，进而消除光电系统中光电探测器等光学器件在不同工况下的温漂效应，实现非常高的测温精度。

本发明还提出一种分布式光纤温度传感装置，包括上述的分布式光纤温度传感校准单元。

优选地，包括：温度解调主机、传感光纤和控制主机；

温度解调主机包括脉冲激光器、环形器、波分复用器、光电探测单元和所述的分布式光纤温度传感校准单元；

波分复用器上具有激光入射端和散射光出射端和信号探测端，脉冲激光器与激光入射端连接用于发射脉冲激光，环形器连接在脉冲激光器和激光入射端之间的光路上，传感光纤与信号探测端连接用于探测传感温度信号，参考光纤连接在信号探测端和传感光纤之间的光路上，光电探测单元与所述散射光出射端连接用于接收包含所述传感温度信号和所述参考温度信号的散射光信号，并解调出传感光纤和参考光纤的参考传感温度值和检测传感温度值；

控制主机用于根据所述参考传感温度值和所述参考温度值计算所述传感校准因子，并通过所述传感校准因子对所述检测传感温度值进行校准。

优选地，温度调节主机包括一级波分复用器、第一二级波分复用器、第二二级波分复用器，一级波分复用器用于将返回的散射光信号分为斯托克斯信号和反斯托克斯信号，第一二级波分复用器用于对斯托克斯信号进行除杂且第二二级波分复用器用于对反斯托克斯信号进行除杂；

优选地，脉冲激光器输出波长为1550nm，第一二级波分复用器的工作波段为1660nm，第二二级波分复用器的工作波段为1450nm。

优选地，光纤探测单元包括第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集卡，第一光电探测器用于接收除杂后的斯托克斯信号且第二光电探测器用于接收除杂后的反斯托克斯信号，数据采集卡用于根据所接收的斯托克斯信号和反斯托克斯信号解调出所述参考传感温度值和所述检测传感温度值；

优选地，第一光电探测器和/或第二光电探测器采用雪崩二极管光电探测器；

优选地，雪崩二极管光电探测器带宽为100MHz，斯托克斯路增益为300K，反斯托克路增益为600K。

本发明还提出一种通过上述的分布式光纤温度传感装置实现的温度检测方法，包括下列步骤：

在预设恒温环境对所述分布式光纤温度传感装置进行标定，得出传感光纤的所述传感温度信号与探测传感温度值之间的标定参数；

根据所述标定参数和传感光纤探测的传感温度信号得出传感光纤的检测传感温度值，并根据所述标定参数和参考光纤探测的参考温度信号得出所述参考传感温度值，然后根据参考传感温度值和所述参考温度值计算所述传感校准因子，并通过所述传感校准因子对所述检测传感温度值进行校准得到传感光纤的实际温度检测值。

本发明中，所提出的分布式光纤温度传感装置及温度检测方法，利用参考传感温度值和所述参考温度值计算得到的传感校准因子，对传感光纤的检测传感温度值进行实时校准，解决现有技术中存在的激光器、高增益光电探测器等器件温度漂移带来的测温精度下降的问题，提高DTS装置的测温精度。

附图说明

图1为本发明提出的一种分布式光纤温度传感装置的系统框架示意图。

图2为本发明提出的一种分布式光纤温度传感校准单元一种实施方式的结构示意图。

图3为本发明提出的一种分布式光纤温度传感校准单元另一种实施方式的结构示意图。

图4为本发明提出的一种分布式光纤温度传感装置的一种实施方式中的连接框图。

具体实施方式

如图1至4所示，图1为本发明提出的一种分布式光纤温度传感装置的系统框架示意图，图2为本发明提出的一种分布式光纤温度传感校准单元一种实施方式的结构示意图，图3为本发明提出的一种分布式光纤温度传感校准单元另一种实施方式的结构示意图，图4为本发明提出的一种分布式光纤温度传感装置的一种实施方式中的连接框图。

参照图1至3，本实施例提出一种分布式光纤温度传感校准单元，包括：参考光纤109和校准温度计110；

参考光纤109用于探测参考温度信号，校准温度计110用于检测参考光纤109的参考温度值，根据所述参考温度信号和所述参考温度值计算传感校准因子。

为了详细说明本实施例的分布式光纤温度传感校准单元的具体工作方式，参照图4，本实施例还提出一种分布式光纤温度传感装置，包括所述的分布式光纤温度传感校准单元。

具体地，所述的分布式光纤温度传感装置，包括：温度解调主机100、传感光纤300和控制主机200；

温度解调主机100包括脉冲激光器101、环形器102、波分复用器、光电探测单元和所述的分布式光纤温度传感校准单元；

波分复用器上具有激光入射端和散射光出射端和信号探测端，脉冲激光器101与激光入射端连接用于发射脉冲激光，环形器102连接在脉冲激光器101和激光入射端之间的光路上，传感光纤300与信号探测端连接用于探测传感温度信号，参考光纤109连接在信号探测端和传感光纤300之间的光路上，光电探测单元与所述散射光出射端连接用于接收包含所述传感温度信号和所述参考温度信号的散射光信号，并解调出传感光纤300和参考光纤109的参考传感温度值和检测传感温度值；

控制主机200用于根据所述参考传感温度值和所述参考温度值计算所述传感校准因子，并通过所述传感校准因子对所述检测传感温度值进行校准。

本实施例的分布式光纤温度传感装置具体工作过程中，预先在预设恒温环境对所述分布式光纤温度传感装置进行标定，得出传感光纤300的所述传感温度信号与探测传感温度值之间的标定参数。工作时，首先，脉冲激光器产生特定脉宽的脉冲激光，脉冲激光经过环形器，环形器与波分复用器激光入射端相连，环形器将从波分复用器返回来的瑞利散射光导离开原始光路，保护激光器不受瑞利散射光损坏。脉冲激光通过经过波分复用器后依次进入参考光纤和传感光纤。脉冲激光在参考光纤和传感光纤内探测后形成探测散射光信号返回波分复用器，滤除后向瑞利散射光和布里渊散射光，并将后向拉曼散射光中的斯托克斯光与反斯托克斯光分开。光电探测单元探测斯托克斯光与反斯托克斯光，得到两路电信号，经采集并解调后得到传感光纤300探测的传感温度信号和参考光纤109探测的参考温度信号。信号处理时，根据所述标定参数和所述传感温度信号得出传感光纤300的检测传感温度值，并根据所述标定参数和所述参考温度信号得出所述参考传感温度值，然后根据参考传感温度值和所述参考温度值计算所述传感校准因子，并通过所述传感校准因子对所述检测传感温度值进行校准得到传感光纤300的实际温度检测值。

在本实施例中，所提出的分布式光纤温度传感装置和校准单元，参考光纤用于探测参考温度信号，校准温度计用于检测参考光纤的参考温度值，根据所述参考温度信号和所述参考温度值计算传感校准因子。通过参考光纤与校准温度计的设置，利用二者的检测温度差异，获得整体系统的实时校准因子，从而对传感光纤探测值进行实时校准，进而消除光电系统中光电探测器等光学器件在不同工况下的温漂效应，实现非常高的测温精度。

在实际设计中，本实施例的分布式光纤温度传感装置，可将将校准单元预置在温度解调主机内，实现高精度校准检测。也可以将校准单元作为单独工作模块，对现有DTS进行改动，即可实现校准检测的功能；从而在没有增加设计复杂度、没有明显增加成本和计算难度的前提下实现高精度温度测量，具备工程实用价值。

参照图2和3，在本实施例的校准单元的具体实施方式中，还包括导热体112，参考光纤109布置在导热体112上，校准温度计110设置在导热体112上。通过导热体112的设计，光纤、导热体和校准温度计三者密切耦合，确保三者温度平衡，减小参考光纤和校准温度计检测时所受到的环境温差的影响。

如图2所示，在一种具体设计方式中，参考光纤109可缠绕导热体112螺旋布置。此时，导热体可采用紫铜，制成棒状结构，校准温度计可固定在棒状结构截面的中心位置。如图3所示，在另一种具体实施方式中，参考光纤109在导热体112上呈S型布置。此时，导热体可采用无氧铜制成平板结构，校准温度计可固定在导热体中部。采用上述设计方式，一方面，保证参考光纤具有一定长度，能够实现检测功能，另一方面，增大光纤与导热体之间的接触面积，提高热传导，再一方面，能够提高校准单元的空间利用率。

在进一步具体实施方式中，本实施例还包括隔热包覆层111，隔热包覆层111包覆在参考光纤109、导热体112和校准温度计110外部，保证参考光纤和校准温度计在相对稳定的环境温度下可靠工作。例如，可采用隔热棉包覆在参考光纤、导热体和温度计的外部。

为了进一步减小参考光纤和校准温度计检测时所受到的环境温差的影响，校准温度计110和/或参考光纤109通过导热胶耦合在导热体112上。

在校准温度计的选择中，校准温度计110采用高精度点式温度计，具体地可以选择铂电阻温度计或具备数据实时上传功能的其他温度计。

在光电系统的具体设计方式中，温度调节主机可包括一级波分复用器103、第一二级波分复用器104、第二二级波分复用器105，一级波分复用器103用于将返回的散射光信号分为斯托克斯信号和反斯托克斯信号，第一二级波分复用器104用于对斯托克斯信号进行除杂且第二二级波分复用器105用于对反斯托克斯信号进行除杂。工作时，入射到一级波分复用器中的脉冲激光，滤除后向瑞利散射光和布里渊散射光后，将剩余的后向拉曼散射光中的斯托克斯光与反斯托克斯光分开。两个二级波分复用器分别将分开后的斯托克斯光与反斯托克斯光二次滤除残留的瑞利散射光与布里渊散射光，消除二者对温度解调的影响，提高测温精度。

例如，脉冲激光器101输出波长为1550nm。第一二级波分复用器104的工作波段为1660nm，该波段与斯托克斯光的波长匹配，进一步滤除一级波分复用器出射的斯托克斯光中其他波段的残留散射光。同样，第二二级波分复用器105的工作波段为1450nm，该波段与反斯托克斯光的波长匹配，其进一步滤除一级波分复用器出射的反斯托克斯光中其他波段的残留散射光。

在实际操作中，一级波分复用器103、第一二级波分复用器104和第二二级波分复用器105可采用三个相同的波分复用器，工作波段为1450nm/1550nm/1660nm。连接时，所述脉冲激光器出射端连接一只可调光衰减器，光衰减器的另一端对应连接环形器的1号端口，环形器的2号端口与一级波分复用器的1550nm端口相连。一级波分复用器合波端口与参考光纤相连接，其余的1450nm和1660nm端口分别再与两个二级波分复用器的合波端口相连。两个第二级波分复用器的1450nm端口和1660nm端口分别与对应的光电探测器相连接。各探测器电信号输出端口与高速数据采集卡对应通道口相连接。

相应地，光纤探测单元包括第一光电探测器106、第二光电探测器107和数据采集卡108，第一光电探测器106用于接收除杂后的斯托克斯信号且第二光电探测器107用于接收除杂后的反斯托克斯信号，数据采集卡108用于根据所接收的斯托克斯信号和反斯托克斯信号解调出所述参考传感温度值和所述检测传感温度值。其中，解调过程可包括对采集到的斯托克斯与反斯托克斯信号进行累加平均，滑动去噪，求对应位置的反斯托克斯信号与斯托克斯信号的比值，根据定标参数计算相应的温度值。

为了满足拉曼散热光的探测要求，在光电探测器的选择中，第一光电探测器106和/或第二光电探测器107采用雪崩二极管光电探测器。优选地，雪崩二极管光电探测器带宽为100MHz，斯托克斯路增益为300K，反斯托克路增益为600K。

下面以本发明的分布式光纤温度传感装置的一个具体实施方式为例，详细说明本发明。参照图4，其包括温度解调主机100，控制主机200，传感光纤300。

温度解调主机100包括脉冲激光器101、环形器102、一级波分复用器103、第一二级波分复用器104、第二二级波分复用器105、第一雪崩二极管光电探测器106、第二雪崩二极管光电探测器107、高速数据采集卡108、参考光纤109和高精度点式温度计110。

其中脉冲激光器输出波长为1550nm，重复频率为5k-20khz可调，输出功率1W，脉宽为10-100ns可调。三个波分复用器均采用工作波段为1450nm/1550nm/1660nm，隔离度为50db。两个雪崩二极管光电探测器带宽为100MHz，斯托克斯一路增益为300K，反斯托克路增益为600K。高速数据采集卡为双通道，采集速率为500MS/s，带宽为200MHz。参考光纤同外部传感光纤选用多模光纤62.5/125OM1。高精度点式温度计铂电阻温度计精度为0.005℃。

脉冲激光器101输出端与光衰减器一端连接，之后另一个端口与环形器102的1号端口相连，环形器102的2号端口同一级波分复用器103中与脉冲激光器101所对应波长相同的工作端口连接。一级波分复用器103与参考光纤109连接。一级波分复用器103中剩余的两个工作端口分别与第一二级波分复用器104(Stokes)，第二二级波分复用器105(Anti-stokes)合波端口连接。第一二级波分复用器104中波长为1660nm的工作端口与第一雪崩二极管光电探测器106的光输入端口连接。同样，第二二级波分复用器105中波长为1450nm的工作端口同第二雪崩二极管光电探测器107的光输入端口连接。第二雪崩二极管光电探测器106、107的电平输出端与高速数据采集卡108所对应的通道口电连接。参考光纤109与高精度点式温度计110的温度探头密切耦合。

控制主机200的控制端口与脉冲激光器101，控制主机200的控制端口与高速数据采集卡108的数据端口连接。110高精度点式温度计的数据端口与控制主机200的数据端口连接，实现数据在设备间的传输。

参考光纤109与传感光纤300连接。

脉冲激光器产生的脉冲激光经过环形器、波分复用器进入传感光纤。在传感光纤中所产生的后向拉曼散射，进入波分复用器103。波分复用器103中滤除多余的瑞利散射与布里渊散射并实现斯托克斯和反斯托克斯光的分离，之后为近一步滤除杂质光，波长为1660nm的斯托克斯光信号在波分复用器104中继续滤光，得到更加纯净的散射信号。同样波长为1450nm的反斯托克斯光在波分复用器105中变得更加纯净。两路信号分别用APD 106，107进行光电转换，所输出的电平值通过高速数据采集装置108进行多次采集。

高速数据采集装置108用于采集斯托克斯与反斯托克斯信号，将其数字化，解调得到温度信息，上传给控制主机200。解调过程包括对采集到的斯托克斯与反斯托克斯信号进行累加平均，滑动去噪，求对应位置的反斯托克斯信号与斯托克斯信号的比值，根据定标参数得到光纤沿线不同位置的原始温度信息。

高精度点式温度计温度探头与参考光纤密切耦合，测得此段光纤的温度，将实时温度数据上传给控制主机200。

控制主机200接收解调主机100的数据，接收点式温度计110的数据，计算校准因子并对解调主机测量值进行校准，得到真实温度数值，显示和保存温度测量数据。

在具体工作时，例如高精度点式温度计110与参考光纤109密切耦合，测得此段光纤的温度为20.006℃，将此实时温度数据上传给控制主机200。

解调主机100得到参考光纤109处的传感温度信息21.08℃，将此实时温度原始数据上传给控制主机200。

控制主机200接收解调主机100的数据和点式温度计110的数据，计算校准因子，得到-1.07℃，并对解调主机测量值进行校准，得到真实温度数值。如传感光缆300中某一位置经解调主机测得实时温度为10℃，则经过校准之后的真实实时温度数值为9.93℃。因此，实现实时高精度温度检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。