基于拉曼散射光動態校準的分布式光纖溫度傳感系統*

孫苗 楊爽 湯玉泉? 趙曉虎 張志榮 莊飛宇

1) (合肥師范學院物理與材料工程學院,合肥 230601)

2) (中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所,光子器件與材料安徽省重點實驗室,合肥 230031)

3) (合肥師范學院,電子信息系統仿真設計安徽省重點實驗室,合肥 230601)

分布式光纖溫度傳感(distributed temperature sensor,DTS)系統進行溫度測量時,參考光斯托克斯光強度隨著溫度的升高而增大,使信號光反斯托克斯光與參考光斯托克斯光強度的比值減小,測量溫度小于真實溫度,降低系統的測溫準確度.本文提出并實驗驗證了一種新的動態校準法修正斯托克斯光信號,可有效減小斯托克斯光導致的測溫誤差,提高系統的測溫準確度.該方法根據參考光纖中的實時斯托克斯光強分布,模擬出對應的整條光纖在參考溫度環境中的斯托克斯光強度曲線,實現斯托克斯光的溫度響應修正.實驗結果表明,與傳統溫度解調方法相比,分布式光纖溫度傳感系統進行斯托克斯光動態校準后測溫準確度最高提升4.3 ℃.與瑞利噪聲抑制法聯用后,測溫準確度提高8.9 ℃.本研究為DTS 系統進行高溫環境溫度監測提供了一種新的解決方案.

1 引言

分布式光纖溫度傳感(distributed temperature sensor,DTS)系統利用光纖中的拉曼散射效應實現了空間溫度場分布的實時連續測量.與傳統溫度檢測方法相比,DTS 系統具有抗電磁干擾、長距離大范圍溫度監測等優勢,被廣泛用于道路隧道安全、油氣管道泄露、火災監測預警等領域[1-7].

光在光纖中傳輸時發生拉曼散射效應,產生斯托克斯光和反斯托克斯光.與斯托克斯光相比,反斯托克斯光對溫度變化非常敏感,DTS 系統常以斯托克斯光為參考光、反斯托克斯光為信號光,采用散射光強度比值法和光時域反射技術對各個散射點進行溫度解調和定位,以消除光源擾動以及光纖損耗對測量溫度的影響[8].為提高DTS 系統的測溫準確度,研究者們做了大量的分析和研究工作,主要集中于光纖色散[8-10]、噪聲抑制[11-18]和損耗補償[19-23]等方面,但忽略了參考光斯托克斯光強度的溫度響應對測溫準確度的影響.

DTS 系統對光纖所處環境進行溫度測量時,光纖中的散射光強度隨著被測區域溫度的升高而增強.當環境溫度升高300 ℃時,反斯托克斯光強變化約為237%,而斯托克斯光強也變化了34%[24].由于被測區域光纖中的斯托克斯光強度局部增大,使得反斯托克斯光與斯托克斯光的強度比值減小,解調溫度與實際溫度存在偏差.為減小測溫誤差,傳統方法是DTS 系統進行溫度測量前將整條傳感光纖放置在同一溫度下測量光纖中的斯托克斯光強分布,作為固定的參考光解調溫度.這種校正方法可以消除斯托克斯光的溫度響應造成的測溫誤差,但是無法消除光源擾動的影響.若測量過程中更換傳感光纖等設備,斯托克斯光強分布需要重新測量標定,系統靈活性較差,且測量標定過程中需要將光纖放置在同一溫度下,這一標定條件在很多工程應用中難以實現.

針對上述斯托克斯光影響DTS 系統的測溫準確度及現有校準方法使用靈活性較差等問題,本文提出一種基于斯托克斯光動態校準的溫度解調方法.該方法對隨著光纖所處環境溫度升高而增大的斯托克斯背向散射光信號進行修正,模擬整條光纖在參考溫度下的斯托克斯光強度分布曲線.利用DTS 系統測量的反斯托克斯光強度與模擬的斯托克斯光強度的比值解調光纖所處環境的溫度.該方法避免了DTS 系統測溫前對整條光纖進行定標處理的過程,消除了光源擾動對測量結果的影響.實驗結果表明,采用斯托克斯光動態校準解調溫度,可以提高DTS 系統的測溫準確度.

2 溫度解調原理

2.1 傳統溫度解調方法

激光脈沖在光纖中傳輸時發生拉曼散射效應,產生的反斯托克斯光和斯托克斯光,光通量可以表示為[20]

其中,下標S,AS,O 分別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為與光纖散射截面有關的系數,S為光纖背向散射因子,ν為散射光子的頻率,φe為入射到光纖的激光脈沖的光通量,αO,αS,αAS為光纖中光的平均傳輸損耗,L為激光脈沖在光纖內傳輸的距離,RS(T),RAS(T) 是背向散射光的溫度調制函數.

其中

式中,h為普朗克常量,Δν為拉曼頻移量,k為玻爾茲曼常量,T為光纖所處環境的溫度.

利用反斯托克斯光強度與斯托克斯光強度之比解調溫度時,將所處環境溫度為T0、長為l0的光纖作為參考光纖,解調溫度表達式為

通常情況下,忽略反斯托克斯光和斯托克斯光的平均傳輸損耗差異,解調溫度為

2.2 斯托克斯光動態校準法

與反斯托克斯光相比,斯托克斯光對溫度變化不敏感,但隨著溫度的升高,斯托克斯光強度也逐漸增大.當采用散射光強度比值法解調溫度時,參考光的斯托克斯光強度發生變化,導致解調溫度值偏小.為減小因斯托克斯光強度的溫度響應導致的測溫誤差,本文提出斯托克斯光動態校準法對DTS系統解調的溫度進行校正.

在均勻、未斷裂的光纖中,拉曼散射光信號沿光纖長度的增加呈指數衰減.DTS 系統進行溫度測量時,以光纖首端長為l0的光纖作為參考光纖,放置在溫度為T0的環境中,參考光纖中斯托克斯光通量的實時分布如(1)式所示,對(1)式進行對數運算,可得

其中ΦS0表示實時測量的參考光纖中的背向斯托克斯光通量.通過曲線擬合(L,l nΦS0)計算斯托克斯光的衰減系數-(αO+αS).溫度為T0時光纖首端長為l01處的斯托克斯光通量記為ΦS0(T0,l01),利用衰減系數進行指數擬合可以推導出其余光纖在溫度為T0時的斯托克斯光通量,則光纖中任意位置處(假設光纖在該位置處的長度為l)的斯托克斯光通量為

(8)式為根據參考光纖中的實時斯托克斯光通量計算得到的整條光纖處于溫度為T0的環境中時光纖中的背向斯托克斯光通量,即動態斯托克斯光通量.以動態斯托克斯光通量為參考光,以實時測量的反斯托克斯光作為信號光,利用散射光強度比值法解調溫度,(2)式除以(8)式可得:

利用參考光纖消除與光纖散射截面有關的系數,忽略反斯托克斯光和斯托克斯光的平均傳輸損耗差異,最終解調溫度為

通過參考光纖中的實時斯托克斯光信號求解衰減系數,從而推導出整條光纖處于T0溫度時的斯托克斯光通量,以動態斯托克斯光通量作為參考光解調溫度,可以減小斯托克斯光強度的溫度響應導致的測溫誤差,而且不需要將整條光纖放在同一溫度下獲得斯托克斯光強度分布,方便快捷.

3 實驗裝置

DTS 系統的實驗裝置如圖1 所示.脈沖激光器(laser)發出脈寬10 ns、重復頻率20 kHz 的激光脈沖經隔離度35—40 dB 的1×3 波分復用器(wavelength division multiplexer,WDM)進入傳感光纖.脈沖光在光纖中發生拉曼散射效應,產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經波分復用器濾波進入低噪聲光電探測器(avalanche photodiode,APD)完成光電轉換和放大,輸出的信號被雙通道高速采集卡(data acquisition card,DAQ)采集平均后傳輸至計算機進行處理和存儲.實驗中傳感光纖長度為1800 m,主要分為4 部分,其中光纖I(長度為90 m)放置在水浴箱中作為參考光纖,光纖III(長度為90 m)放置在恒溫箱中,作為測試光纖,光纖II(長度為70 m)和剩余光纖(長度為1550 m)放置在室溫環境中.

圖1 DTS 系統的實驗裝置圖Fig.1.The experimental setup of the DTS system.

4 實驗結果和討論

對所搭建的DTS 系統進行溫度測量實驗.將參考光纖I 所在水浴箱的溫度設置為35 ℃,測溫光纖III 所在的恒溫箱溫度從35 ℃逐漸升高至90 ℃,每次升高5 ℃,剩余光纖放置在室溫環境中.當恒溫箱溫度為35 ℃,50 ℃和75 ℃時,DTS 系統采集的斯托克斯光強度和反斯托克斯光強度如圖2(a)所示.從圖2(a)可以看出,隨著恒溫箱溫度的升高,反斯托克斯光強度顯著增強,參考光斯托克斯光強度的增強也非常明顯.當恒溫箱溫度從35 ℃升高到90 ℃時,測溫光纖180 m 位置處的斯托克斯光和反斯托克斯光強度的歸一化結果如圖2(b)所示.恒溫箱溫度升高時,光纖中的反斯托克斯光比斯托克斯光表現出更強的溫度靈敏度,當溫差為55 ℃時,反斯托克斯光強度增大了40.8%,斯托克斯光增大了12.2%.雖然反斯托克斯光強度比斯托克斯光強度增大得多,但斯托克斯光強度的溫度響應也不容忽視,且恒溫箱溫度越高,斯托克斯光強度的增量越大,導致的系統誤差也越大,因此,需要對斯托克斯光強度進行修正和校準以減小DTS 系統的測溫誤差.

圖2 (a) 光纖中的背向散射光分布;(b) 不同溫度下歸一化的散射光強度圖Fig.2.(a) Backscattered lights distribution along the fiber;(b) variation of normalized Raman signals with temperature.

圖3 所示為恒溫箱溫度為50 ℃和75 ℃時光纖中的實時斯托克斯光強曲線及斯托克斯光強指數擬合曲線,衰減系數分別為-1.39476×10-4和-1.47946×10-4.由于光源擾動的影響,當光纖所處環境一致時DTS 系統采集到的斯托克斯光強度曲線并不重合.利用實時采集的參考光纖中的斯托克斯光強度分布模擬得到整條光纖的斯托克斯光強度分布,對斯托克斯光進行動態校準,指數擬合后的斯托克斯光強度曲線與原曲線吻合度較高,消除了光源擾動和恒溫箱溫度變化的影響.

圖3 原始的斯托克斯光信號和指數擬合的斯托克斯光信號Fig.3.Original Stokes signals and exponential fits.

分別采用傳統溫度解調方法(6)式和斯托克斯光動態校準法(10)式解調的溫度及相應的測溫誤差如圖4 所示.當恒溫箱溫度為35 ℃時,傳統溫度解調方法和斯托克斯光動態校準法解調的溫度分別為35.3 ℃和35.4 ℃,此時DTS 系統的測溫誤差最小,原因是被測溫度與參考溫度一致,斯托克斯光強度變化非常小,所以兩種方法解調的溫度幾乎一致.隨著恒溫箱溫度升高,測量溫度逐漸偏離真實溫度,當恒溫箱溫度為90 ℃時,傳統溫度解調方法解調的溫度為79.8 ℃,測溫誤差為10.2 ℃.由于恒溫箱溫度升高,斯托克斯光強度逐漸增大,使信號光反斯托克斯光與斯托克斯光強度的比值相對減小,導致DTS 系統存在測溫誤差,因此被測溫度越高,測溫誤差越大.經過斯托克斯光動態校準后DTS 系統測量的溫度為84.1 ℃,最大測溫誤差從10.2 ℃降低到5.9 ℃,測溫準確度有明顯提升.被測環境溫度越高,斯托克斯光強度變化越顯著,測溫誤差越大,因此DTS 系統進行高溫環境溫度監測時可以使用斯托克斯光動態校準法進行溫度修正.

圖4 不同被測溫度對應的測量結果 (a) 溫度測量值;(b) 溫度測量誤差Fig.4.Demodulated temperature versus different measured temperature: (a) Measured temperature;(b) temperature error.

由于DTS 系統的測溫準確度不僅受斯托克斯光強溫度響應的影響,還受散射光中的瑞利噪聲、光電探測器噪聲、散射光損耗差異、光纖色散等影響,因此經過斯托克斯光動態校準后的測量溫度還存在誤差.斯托克斯光動態校準可以與噪聲抑制等方法聯用進一步提高DTS 系統的測溫準確度.當DTS 系統的激光器參數、光電探測器所處環境和光纖的種類確定后,拉曼散射光中的瑞利噪聲可以看作固定值,通過參考光纖I 的3 組溫度及對應信號值可以解出斯托克斯光和反斯托克斯光中的瑞利噪聲;分別設置水浴箱溫度為35 ℃,55 ℃和75 ℃,計算出斯托克斯光和反斯托克斯光中的瑞利噪聲平均值分別為0.289 V 和0.109 V[21].DTS系統使用傳統的溫度解調方法消除瑞利噪聲后的測量溫度與斯托克斯光動態校準并消除瑞利噪聲后的測量溫度如圖5(a)所示,對應的測溫誤差如圖5(b)所示.從圖中可以看出,消除瑞利噪聲后,系統的測溫準確度顯著提高.相比于未進行斯托克斯光動態校準直接消除瑞利噪聲,測溫誤差減小值最高達2.6 ℃,與未進行斯托克斯光動態校準未消除瑞利噪聲相比,測溫誤差減小值最高達8.9 ℃.

圖5 DTS 系統的測溫結果 (a) 斯托克斯光動態校準前后消除瑞利噪聲的測量溫度;(b)斯托克斯光校準前后消除瑞利噪聲的測溫誤差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 結論

針對DTS 系統溫度解調中斯托克斯光強的溫度響應導致的測溫誤差,本文提出一種動態校準法修正斯托克斯拉曼散射光.通過計算指數擬合的參考溫度下的斯托克斯光強度分布,利用實時測量的反斯托克斯光強度與模擬的斯托克斯光強度的比值解調被測溫度,校正了由于參考光斯托克斯光的溫度響應導致的測溫誤差.理論分析及實驗結果表明,斯托克斯光動態校準法可有效減小測溫誤差,提高DTS 系統的測溫準確度.與傳統溫度解調方法相比,DTS 系統使用斯托克斯光動態校準法后測溫準確度最大提高了4.3 ℃;與瑞利噪聲抑制法聯用,DTS 系統的測溫準確度提高了8.9 ℃.被測環境溫度越高,斯托克斯光強度的變化越大,導致的測溫誤差越大,本研究為DTS 系統進行高溫環境溫度監測提供了一種新的溫度校正方法.