[发明专利]一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法

说明书

本发明公开一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法，该方法考虑了两种拉曼散射光分量的衰减差随温度的变化导致的温度测量误差，在拉曼散射光功率比表达式中的衰减系数项中加入温度相关的补偿因子，并给出补偿后的待测温度表达式以及获取温度补偿因子的表达式的方法，从而消除温度相关的两拉曼散射光分量的衰减差导致的测量误差，使解调出的温度曲线与实际情况更加相符，提高了分布式光纤温度传感系统的测温精度和可靠性。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种分布式光纤温度传感系统的衰减差补偿方法。

背景技术

光纤传感器有固有体积小、重量轻、抗电磁干扰、传感距离长等特性，因此成为一些复杂应用环境中不可替代的温度传感解决方案。其中，分布式光纤温度传感系统能够提供连续的时空温度分布信息，被广泛应用于大型基础设施结构安全监测，油气开采和火灾探测等诸多领域，是当前最广泛应用的光纤温度传感技术之一。

分布式光纤温度传感系统的探测原理主要基于光纤中后向散射光的探测，包括瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射三种，温度的变化导致散射光特性的改变，由此得到测量环境的温度分布。其中，拉曼散射过程只对温度变化敏感，因此基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术（RDTS）是其中最知名和成熟的技术。

RDTS的工作原理一般采用高能激光脉冲耦合进光纤，随着激光脉冲在光纤中传输，同时产生了前向和后向的散射光。拉曼的散射光中包含高频分量Anti-Stokes光和低频分量Stokes光。两个拉曼散射光分量对温度的敏感性不同，通过收集后向的这两种散射光可以判断光纤沿线的温度，利用对温度变化敏感的Anti-Stokes光和相对稳定的Stokes光或瑞利散射光信号强度的比值进行温度解调，可以消除光纤损耗、耦合效率等的影响，是一种自校准的方式，具有较好的长期稳定性。

分布式光纤温度传感系统主要的性能参数包括传感距离、空间分辨率、温度分辨率、温度精度和测量时间几个方面。其中温度精度用于表征系统测量的温度与实际温度之间的误差。可以通过温度解调过程的优化提升系统温度精度。实际应用中温度解调需要通过温度校准明确信号强度与温度的对应关系。在拉曼散射过程中，介质局部的Stokes和Anti-Stokes光的散射系数正比于微分散射截面：

；

其中 λ_S和 λ_A分别为Stokes和Anti-Stokes光波长， h为普朗克常量， K为玻尔兹曼常数，Δ ν为拉曼频移， T( z)为传感光纤位置 z处的温度。由上述两式对比可知Anti-Stokes光相比Stokes光对温度变化的响应更加敏感。除散射系数外，介质中 z位置处返回到入射端的散射光功率还与入射光功率以及光纤衰减系数等有关，具体可表示为：