基于RDTS高精度溫度解調(diào)算法的研究

曹桂芳

（山西交通科技研發(fā)有限公司智慧交通研究院 山西省太原市 030006）

1 引言

拉曼分布式光纖測溫系統(tǒng)具有長距離測量、耐腐蝕、易安裝、靈敏度高等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的光纖測溫技術(shù)采用單頭結(jié)構(gòu)型分布式光纖測溫系統(tǒng)進(jìn)行測量，存在諸多問題[2]，例如：在探測光纖的始端和末端溫度測量準(zhǔn)確度低、精度低、誤差大；若探測光纖斷裂，斷裂后的部分無法繼續(xù)測量[3][4]。

為解決傳統(tǒng)光纖測溫技術(shù)存在的缺陷，本文提出了一種雙頭結(jié)構(gòu)型的溫度解調(diào)方法，即雙參考點(diǎn)溫度解調(diào)方法。并通過理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可以提高測溫精度，且測溫精度不受光纖微小損耗變化的影響。

2 拉曼散射測溫原理

拉曼散射的產(chǎn)生是由于連續(xù)介質(zhì)中光與光子的相互作用，在相互作用的過程中，介質(zhì)通過散射失去能量（反斯托克斯光）或者獲得能量（斯托克斯光），分子與光子的振動狀態(tài)服從玻色——愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分布，是溫度的函數(shù)。在室溫下，大部分光子處于低能量狀態(tài)，所以反斯托克斯散射比斯托克斯散射弱，通常斯托克斯光Ist和反斯托克斯光Ias強(qiáng)度表為[5][6]：

此處v0是入射光的波數(shù)，△v 是拉曼變化的波數(shù)，n 是光子數(shù)，可表示為：

上式中 h 是普朗克常數(shù)，k 是玻爾茲曼常數(shù)，c 是光速。拉曼變化的波數(shù)取決于介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，石英光纖中的拉曼光譜在400～500 cm-1之間有一個峰值。

在拉曼散射中，由于反斯托克斯光對溫度的敏感性相對較強(qiáng)，因此常用的溫度解調(diào)方法是把反斯托克斯光作為信號通道，斯托克斯光作為比較通道，根據(jù)式（1）和（2），反斯托克斯光Ias和斯托克斯光Ist強(qiáng)度的比值R(T)和溫度的變化關(guān)系是：

利用內(nèi)置光纖的溫度，即參考溫度T0（固定的溫度）：

綜上所述，溫度解調(diào)的關(guān)鍵是通過探測斯托克斯和反斯托克斯光強(qiáng)信息而計(jì)算溫度的，因此依據(jù)光電轉(zhuǎn)換、放大電路和數(shù)據(jù)采集電路的處理獲得斯托克斯和反斯托克斯光的數(shù)字電信號，再根據(jù)公式（4）計(jì)算溫度信息。根據(jù)公式（4）散射點(diǎn)的溫度由R(T0)和R(T)確定，所以計(jì)算出的溫度值僅是溫度的理論計(jì)算值。

圖1：常規(guī)法和校準(zhǔn)法的測量結(jié)果

圖2：改進(jìn)的雙頭結(jié)構(gòu)

圖3：改進(jìn)的雙頭結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果

在實(shí)際應(yīng)用中，溫度的理論計(jì)算值與實(shí)際測量值之間存在一定的誤差，溫度測量的精度受到光器件特性的影響，比如光源（波長）、光濾波器、光電二極管、參考溫度計(jì)（不可靠）、光開關(guān)、光連接器、接口和傳感光纖等。通常光器件的連接是通過光連接器或者光纖接口，長距離的傳感光纖是以約兩公里的光纜為標(biāo)準(zhǔn)通過光纖接口連接而成的，光連接器和光纖接口勢必會存在損耗，影響測溫精度。

盡管每個分布式光纖測溫技術(shù)對測溫精度提供了獨(dú)特的溫度校準(zhǔn)技術(shù)，但研究新的溫度校準(zhǔn)技術(shù)對測溫系統(tǒng)仍具有十分重要的意義。簽于此，本文提出了一種新的溫度校準(zhǔn)方法。

3 新型溫度校準(zhǔn)方法

根據(jù)上述的溫度解調(diào)原理，為了消除光器件特性對溫度測量的影響，提高測溫精度，本文采用設(shè)置參考點(diǎn)的溫度解調(diào)方法。把傳感光纖（傳感光纖和內(nèi)置光纖的特性不同）連接于測溫系統(tǒng)主機(jī)，假設(shè)傳感光纖的拉曼頻移波數(shù)和內(nèi)置光纖是相同的，Rr(T0)和R(Ts)是內(nèi)置光纖在實(shí)際溫度和參考溫度處的反斯托克斯光和斯托克斯光的強(qiáng)度的比值，那么散射點(diǎn)測量的溫度(T's)可通過測量Rr(T0)和R(Ts)計(jì)算。此處，Ts是實(shí)際溫度，T0是參考溫度。

實(shí)際測量的R(Ts)可以表示為：

此處DLconn是光連接器的差損，是傳感光纖的拉曼頻移的波數(shù)。Rr(T0)由下式給出：

聯(lián)立（7）（8）（9）可得：

目前，巴爾查斯在中國共有12個涂層中心（第13個正在籌備中），有效輻射了大部分中國客戶。同時，巴爾查斯始終貫徹用戶定制化的戰(zhàn)略，通過分析用戶需求及相關(guān)零件的實(shí)際功能，為用戶打造最為合適的涂層解決方案。“我們的每個類型的涂層都可以定制，并可以通過用戶的具體需求進(jìn)行調(diào)整，我們?yōu)橛脩籼峁┑氖钦w的解決方案而不是涂層本身。”?Spyros?Katsikis博士說道。

當(dāng)在散射點(diǎn)測量溫度時，溫度可由（7）式計(jì)算出來，實(shí)際溫度設(shè)為T'1和T1。然后在另一個溫度測量，溫度同樣可以由（7）式計(jì)算出來，實(shí)際溫度設(shè)為T'2和T2，那么，Ts和傳感光纖的拉曼頻移波數(shù)可表示為：

根據(jù)上述計(jì)算，運(yùn)用我們提出的校準(zhǔn)方法評估了溫度測量的精確度。首先，運(yùn)用（12）式，我們確定了傳感光纖在+80℃（T1）和+300℃（T2）時的實(shí)際拉曼頻移波數(shù)；溫度從+80 ℃到+300℃，參考溫度計(jì)和DTS 之間測量的溫度差是在±0.2℃內(nèi)。

4 實(shí)驗(yàn)測試

為了補(bǔ)償差損，研究者們提出了許多方法，例如：使用不同波長的兩種光源[7-12]，最特別的是在雙頭（環(huán)形）結(jié)構(gòu)使用一根傳感光纖(需要都接近光纖末端)。后來可靠的補(bǔ)償差損的技術(shù)是通過計(jì)算向前和向后的斯托克斯和反斯托克斯光，用這種方法，在溫度近似上，光纖的衰減和局部損耗通過反斯托克斯/斯托克斯信噪比相互抵消，導(dǎo)致自動校準(zhǔn)測量而不取決于光纖損耗的變化。

這種雙頭結(jié)構(gòu)需要在DTS 外安裝參考溫度計(jì)，但是這樣會很不方便。為了克服這個不便，我們提出了一種利用內(nèi)置溫度參考光纖的雙頭結(jié)構(gòu)的方法[6]。

圖2中，近光纖末端A 和遠(yuǎn)光纖末端B 設(shè)置為同樣的溫度條件，在點(diǎn)DA測得A 處的反斯托克斯/斯托克斯信噪比表示為：

在點(diǎn)Dc處測得A 和B 反斯托克斯/斯托克斯信噪比之和（幾何平均數(shù)）為：

利用（15）和（16）式，內(nèi)置光纖（單頭）和傳感光纖（雙頭）的信號可以相結(jié)合。

在上述討論的基礎(chǔ)上，在差損變化時，我們使用傳感光纖對溫度測量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

圖3是恒溫（+24.8℃）時測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，溫度測量使用的是改進(jìn)的雙頭結(jié)構(gòu)，傳感光纖不受差損變化的影響；但是若溫度測量使用常規(guī)的單頭結(jié)構(gòu)，測量結(jié)果會受到強(qiáng)烈的影響。同樣地，圖3表明了采用沒有修正的標(biāo)準(zhǔn)雙頭結(jié)構(gòu)，DLfiber_total仍然存在誤差。

5 總結(jié)

本文從該類系統(tǒng)的工作原理出發(fā)提出一種基于雙頭結(jié)構(gòu)型DTS的新雙參考點(diǎn)溫度校準(zhǔn)方法，并通過理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本溫度解調(diào)方法能夠提高測溫精度，同時運(yùn)用該解調(diào)方法的測溫系統(tǒng)其測溫精度不受光纖微小損耗變化的影響。使用該方法，溫度范圍在+80℃～+320 ℃之間時，溫度測量的精確度在 1℃內(nèi)。