基于拉曼散射光动态校准的分布式光纤温度传感系统*

孙苗 杨爽 汤玉泉† 赵晓虎 张志荣 庄飞宇

1) (合肥师范学院物理与材料工程学院,合肥 230601)

2) (中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,光子器件与材料安徽省重点实验室,合肥 230031)

3) (合肥师范学院,电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室,合肥 230601)

分布式光纤温度传感(distributed temperature sensor,DTS)系统进行温度测量时,参考光斯托克斯光强度随着温度的升高而增大,使信号光反斯托克斯光与参考光斯托克斯光强度的比值减小,测量温度小于真实温度,降低系统的测温准确度.本文提出并实验验证了一种新的动态校准法修正斯托克斯光信号,可有效减小斯托克斯光导致的测温误差,提高系统的测温准确度.该方法根据参考光纤中的实时斯托克斯光强分布,模拟出对应的整条光纤在参考温度环境中的斯托克斯光强度曲线,实现斯托克斯光的温度响应修正.实验结果表明,与传统温度解调方法相比,分布式光纤温度传感系统进行斯托克斯光动态校准后测温准确度最高提升4.3 ℃.与瑞利噪声抑制法联用后,测温准确度提高8.9 ℃.本研究为DTS 系统进行高温环境温度监测提供了一种新的解决方案.

1 引言

分布式光纤温度传感(distributed temperature sensor,DTS)系统利用光纤中的拉曼散射效应实现了空间温度场分布的实时连续测量.与传统温度检测方法相比,DTS 系统具有抗电磁干扰、长距离大范围温度监测等优势,被广泛用于道路隧道安全、油气管道泄露、火灾监测预警等领域[1-7].

光在光纤中传输时发生拉曼散射效应,产生斯托克斯光和反斯托克斯光.与斯托克斯光相比,反斯托克斯光对温度变化非常敏感,DTS 系统常以斯托克斯光为参考光、反斯托克斯光为信号光,采用散射光强度比值法和光时域反射技术对各个散射点进行温度解调和定位,以消除光源扰动以及光纤损耗对测量温度的影响[8].为提高DTS 系统的测温准确度,研究者们做了大量的分析和研究工作,主要集中于光纤色散[8-10]、噪声抑制[11-18]和损耗补偿[19-23]等方面,但忽略了参考光斯托克斯光强度的温度响应对测温准确度的影响.

DTS 系统对光纤所处环境进行温度测量时,光纤中的散射光强度随着被测区域温度的升高而增强.当环境温度升高300 ℃时,反斯托克斯光强变化约为237%,而斯托克斯光强也变化了34%[24].由于被测区域光纤中的斯托克斯光强度局部增大,使得反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比值减小,解调温度与实际温度存在偏差.为减小测温误差,传统方法是DTS 系统进行温度测量前将整条传感光纤放置在同一温度下测量光纤中的斯托克斯光强分布,作为固定的参考光解调温度.这种校正方法可以消除斯托克斯光的温度响应造成的测温误差,但是无法消除光源扰动的影响.若测量过程中更换传感光纤等设备,斯托克斯光强分布需要重新测量标定,系统灵活性较差,且测量标定过程中需要将光纤放置在同一温度下,这一标定条件在很多工程应用中难以实现.

针对上述斯托克斯光影响DTS 系统的测温准确度及现有校准方法使用灵活性较差等问题,本文提出一种基于斯托克斯光动态校准的温度解调方法.该方法对随着光纤所处环境温度升高而增大的斯托克斯背向散射光信号进行修正,模拟整条光纤在参考温度下的斯托克斯光强度分布曲线.利用DTS 系统测量的反斯托克斯光强度与模拟的斯托克斯光强度的比值解调光纤所处环境的温度.该方法避免了DTS 系统测温前对整条光纤进行定标处理的过程,消除了光源扰动对测量结果的影响.实验结果表明,采用斯托克斯光动态校准解调温度,可以提高DTS 系统的测温准确度.

2 温度解调原理

2.1 传统温度解调方法

激光脉冲在光纤中传输时发生拉曼散射效应,产生的反斯托克斯光和斯托克斯光,光通量可以表示为[20]

其中,下标S,AS,O 分别表示斯托克斯拉曼散射光、反斯托克斯拉曼散射光和入射光,Φ表示光通量,K为与光纤散射截面有关的系数,S为光纤背向散射因子,ν为散射光子的频率,φe为入射到光纤的激光脉冲的光通量,αO,αS,αAS为光纤中光的平均传输损耗,L为激光脉冲在光纤内传输的距离,RS(T),RAS(T) 是背向散射光的温度调制函数.

其中

式中,h为普朗克常量,Δν为拉曼频移量,k为玻尔兹曼常量,T为光纤所处环境的温度.

利用反斯托克斯光强度与斯托克斯光强度之比解调温度时,将所处环境温度为T0、长为l0的光纤作为参考光纤,解调温度表达式为

通常情况下,忽略反斯托克斯光和斯托克斯光的平均传输损耗差异,解调温度为

2.2 斯托克斯光动态校准法

与反斯托克斯光相比,斯托克斯光对温度变化不敏感,但随着温度的升高,斯托克斯光强度也逐渐增大.当采用散射光强度比值法解调温度时,参考光的斯托克斯光强度发生变化,导致解调温度值偏小.为减小因斯托克斯光强度的温度响应导致的测温误差,本文提出斯托克斯光动态校准法对DTS系统解调的温度进行校正.

在均匀、未断裂的光纤中,拉曼散射光信号沿光纤长度的增加呈指数衰减.DTS 系统进行温度测量时,以光纤首端长为l0的光纤作为参考光纤,放置在温度为T0的环境中,参考光纤中斯托克斯光通量的实时分布如(1)式所示,对(1)式进行对数运算,可得

其中ΦS0表示实时测量的参考光纤中的背向斯托克斯光通量.通过曲线拟合(L,l nΦS0)计算斯托克斯光的衰减系数-(αO+αS).温度为T0时光纤首端长为l01处的斯托克斯光通量记为ΦS0(T0,l01),利用衰减系数进行指数拟合可以推导出其余光纤在温度为T0时的斯托克斯光通量,则光纤中任意位置处(假设光纤在该位置处的长度为l)的斯托克斯光通量为

(8)式为根据参考光纤中的实时斯托克斯光通量计算得到的整条光纤处于温度为T0的环境中时光纤中的背向斯托克斯光通量,即动态斯托克斯光通量.以动态斯托克斯光通量为参考光,以实时测量的反斯托克斯光作为信号光,利用散射光强度比值法解调温度,(2)式除以(8)式可得:

利用参考光纤消除与光纤散射截面有关的系数,忽略反斯托克斯光和斯托克斯光的平均传输损耗差异,最终解调温度为

通过参考光纤中的实时斯托克斯光信号求解衰减系数,从而推导出整条光纤处于T0温度时的斯托克斯光通量,以动态斯托克斯光通量作为参考光解调温度,可以减小斯托克斯光强度的温度响应导致的测温误差,而且不需要将整条光纤放在同一温度下获得斯托克斯光强度分布,方便快捷.

3 实验装置

DTS 系统的实验装置如图1 所示.脉冲激光器(laser)发出脉宽10 ns、重复频率20 kHz 的激光脉冲经隔离度35—40 dB 的1×3 波分复用器(wavelength division multiplexer,WDM)进入传感光纤.脉冲光在光纤中发生拉曼散射效应,产生斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光,其中,背向斯托克斯光和反斯托克斯光再经波分复用器滤波进入低噪声光电探测器(avalanche photodiode,APD)完成光电转换和放大,输出的信号被双通道高速采集卡(data acquisition card,DAQ)采集平均后传输至计算机进行处理和存储.实验中传感光纤长度为1800 m,主要分为4 部分,其中光纤I(长度为90 m)放置在水浴箱中作为参考光纤,光纤III(长度为90 m)放置在恒温箱中,作为测试光纤,光纤II(长度为70 m)和剩余光纤(长度为1550 m)放置在室温环境中.

图1 DTS 系统的实验装置图Fig.1.The experimental setup of the DTS system.

4 实验结果和讨论

对所搭建的DTS 系统进行温度测量实验.将参考光纤I 所在水浴箱的温度设置为35 ℃,测温光纤III 所在的恒温箱温度从35 ℃逐渐升高至90 ℃,每次升高5 ℃,剩余光纤放置在室温环境中.当恒温箱温度为35 ℃,50 ℃和75 ℃时,DTS 系统采集的斯托克斯光强度和反斯托克斯光强度如图2(a)所示.从图2(a)可以看出,随着恒温箱温度的升高,反斯托克斯光强度显著增强,参考光斯托克斯光强度的增强也非常明显.当恒温箱温度从35 ℃升高到90 ℃时,测温光纤180 m 位置处的斯托克斯光和反斯托克斯光强度的归一化结果如图2(b)所示.恒温箱温度升高时,光纤中的反斯托克斯光比斯托克斯光表现出更强的温度灵敏度,当温差为55 ℃时,反斯托克斯光强度增大了40.8%,斯托克斯光增大了12.2%.虽然反斯托克斯光强度比斯托克斯光强度增大得多,但斯托克斯光强度的温度响应也不容忽视,且恒温箱温度越高,斯托克斯光强度的增量越大,导致的系统误差也越大,因此,需要对斯托克斯光强度进行修正和校准以减小DTS 系统的测温误差.

图2 (a) 光纤中的背向散射光分布;(b) 不同温度下归一化的散射光强度图Fig.2.(a) Backscattered lights distribution along the fiber;(b) variation of normalized Raman signals with temperature.

图3 所示为恒温箱温度为50 ℃和75 ℃时光纤中的实时斯托克斯光强曲线及斯托克斯光强指数拟合曲线,衰减系数分别为-1.39476×10-4和-1.47946×10-4.由于光源扰动的影响,当光纤所处环境一致时DTS 系统采集到的斯托克斯光强度曲线并不重合.利用实时采集的参考光纤中的斯托克斯光强度分布模拟得到整条光纤的斯托克斯光强度分布,对斯托克斯光进行动态校准,指数拟合后的斯托克斯光强度曲线与原曲线吻合度较高,消除了光源扰动和恒温箱温度变化的影响.

图3 原始的斯托克斯光信号和指数拟合的斯托克斯光信号Fig.3.Original Stokes signals and exponential fits.

分别采用传统温度解调方法(6)式和斯托克斯光动态校准法(10)式解调的温度及相应的测温误差如图4 所示.当恒温箱温度为35 ℃时,传统温度解调方法和斯托克斯光动态校准法解调的温度分别为35.3 ℃和35.4 ℃,此时DTS 系统的测温误差最小,原因是被测温度与参考温度一致,斯托克斯光强度变化非常小,所以两种方法解调的温度几乎一致.随着恒温箱温度升高,测量温度逐渐偏离真实温度,当恒温箱温度为90 ℃时,传统温度解调方法解调的温度为79.8 ℃,测温误差为10.2 ℃.由于恒温箱温度升高,斯托克斯光强度逐渐增大,使信号光反斯托克斯光与斯托克斯光强度的比值相对减小,导致DTS 系统存在测温误差,因此被测温度越高,测温误差越大.经过斯托克斯光动态校准后DTS 系统测量的温度为84.1 ℃,最大测温误差从10.2 ℃降低到5.9 ℃,测温准确度有明显提升.被测环境温度越高,斯托克斯光强度变化越显著,测温误差越大,因此DTS 系统进行高温环境温度监测时可以使用斯托克斯光动态校准法进行温度修正.

图4 不同被测温度对应的测量结果 (a) 温度测量值;(b) 温度测量误差Fig.4.Demodulated temperature versus different measured temperature: (a) Measured temperature;(b) temperature error.

由于DTS 系统的测温准确度不仅受斯托克斯光强温度响应的影响,还受散射光中的瑞利噪声、光电探测器噪声、散射光损耗差异、光纤色散等影响,因此经过斯托克斯光动态校准后的测量温度还存在误差.斯托克斯光动态校准可以与噪声抑制等方法联用进一步提高DTS 系统的测温准确度.当DTS 系统的激光器参数、光电探测器所处环境和光纤的种类确定后,拉曼散射光中的瑞利噪声可以看作固定值,通过参考光纤I 的3 组温度及对应信号值可以解出斯托克斯光和反斯托克斯光中的瑞利噪声;分别设置水浴箱温度为35 ℃,55 ℃和75 ℃,计算出斯托克斯光和反斯托克斯光中的瑞利噪声平均值分别为0.289 V 和0.109 V[21].DTS系统使用传统的温度解调方法消除瑞利噪声后的测量温度与斯托克斯光动态校准并消除瑞利噪声后的测量温度如图5(a)所示,对应的测温误差如图5(b)所示.从图中可以看出,消除瑞利噪声后,系统的测温准确度显著提高.相比于未进行斯托克斯光动态校准直接消除瑞利噪声,测温误差减小值最高达2.6 ℃,与未进行斯托克斯光动态校准未消除瑞利噪声相比,测温误差减小值最高达8.9 ℃.

图5 DTS 系统的测温结果 (a) 斯托克斯光动态校准前后消除瑞利噪声的测量温度;(b)斯托克斯光校准前后消除瑞利噪声的测温误差Fig.5.Temperature measurement results in DTS system: (a) Measurement temperature results without Rayleigh noise before and after Stokes light dynamic calibration;(b) temperature error without Rayleigh noise before and after Stokes light dynamic calibration.

5 结论

针对DTS 系统温度解调中斯托克斯光强的温度响应导致的测温误差,本文提出一种动态校准法修正斯托克斯拉曼散射光.通过计算指数拟合的参考温度下的斯托克斯光强度分布,利用实时测量的反斯托克斯光强度与模拟的斯托克斯光强度的比值解调被测温度,校正了由于参考光斯托克斯光的温度响应导致的测温误差.理论分析及实验结果表明,斯托克斯光动态校准法可有效减小测温误差,提高DTS 系统的测温准确度.与传统温度解调方法相比,DTS 系统使用斯托克斯光动态校准法后测温准确度最大提高了4.3 ℃;与瑞利噪声抑制法联用,DTS 系统的测温准确度提高了8.9 ℃.被测环境温度越高,斯托克斯光强度的变化越大,导致的测温误差越大,本研究为DTS 系统进行高温环境温度监测提供了一种新的温度校正方法.