基于RDTS高精度温度解调算法的研究

曹桂芳

（山西交通科技研发有限公司智慧交通研究院 山西省太原市 030006）

1 引言

拉曼分布式光纤测温系统具有长距离测量、耐腐蚀、易安装、灵敏度高等独特的优点[1]。传统的光纤测温技术采用单头结构型分布式光纤测温系统进行测量，存在诸多问题[2]，例如：在探测光纤的始端和末端温度测量准确度低、精度低、误差大；若探测光纤断裂，断裂后的部分无法继续测量[3][4]。

为解决传统光纤测温技术存在的缺陷，本文提出了一种双头结构型的温度解调方法，即双参考点温度解调方法。并通过理论和实验验证了该方法可以提高测温精度，且测温精度不受光纤微小损耗变化的影响。

2 拉曼散射测温原理

拉曼散射的产生是由于连续介质中光与光子的相互作用，在相互作用的过程中，介质通过散射失去能量（反斯托克斯光）或者获得能量（斯托克斯光），分子与光子的振动状态服从玻色——爱因斯坦统计分布，是温度的函数。在室温下，大部分光子处于低能量状态，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强度表为[5][6]：

此处v0是入射光的波数，△v 是拉曼变化的波数，n 是光子数，可表示为：

上式中 h 是普朗克常数，k 是玻尔兹曼常数，c 是光速。拉曼变化的波数取决于介质的分子结构，石英光纤中的拉曼光谱在400～500 cm-1之间有一个峰值。

在拉曼散射中，由于反斯托克斯光对温度的敏感性相对较强，因此常用的温度解调方法是把反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为比较通道，根据式（1）和（2），反斯托克斯光Ias和斯托克斯光Ist强度的比值R(T)和温度的变化关系是：

利用内置光纤的温度，即参考温度T0（固定的温度）：

综上所述，温度解调的关键是通过探测斯托克斯和反斯托克斯光强信息而计算温度的，因此依据光电转换、放大电路和数据采集电路的处理获得斯托克斯和反斯托克斯光的数字电信号，再根据公式（4）计算温度信息。根据公式（4）散射点的温度由R(T0)和R(T)确定，所以计算出的温度值仅是温度的理论计算值。

图1：常规法和校准法的测量结果

图2：改进的双头结构

图3：改进的双头结构的测试结果

在实际应用中，温度的理论计算值与实际测量值之间存在一定的误差，温度测量的精度受到光器件特性的影响，比如光源（波长）、光滤波器、光电二极管、参考温度计（不可靠）、光开关、光连接器、接口和传感光纤等。通常光器件的连接是通过光连接器或者光纤接口，长距离的传感光纤是以约两公里的光缆为标准通过光纤接口连接而成的，光连接器和光纤接口势必会存在损耗，影响测温精度。

尽管每个分布式光纤测温技术对测温精度提供了独特的温度校准技术，但研究新的温度校准技术对测温系统仍具有十分重要的意义。签于此，本文提出了一种新的温度校准方法。

3 新型温度校准方法

根据上述的温度解调原理，为了消除光器件特性对温度测量的影响，提高测温精度，本文采用设置参考点的温度解调方法。把传感光纤（传感光纤和内置光纤的特性不同）连接于测温系统主机，假设传感光纤的拉曼频移波数和内置光纤是相同的，Rr(T0)和R(Ts)是内置光纤在实际温度和参考温度处的反斯托克斯光和斯托克斯光的强度的比值，那么散射点测量的温度(T's)可通过测量Rr(T0)和R(Ts)计算。此处，Ts是实际温度，T0是参考温度。

实际测量的R(Ts)可以表示为：

此处DLconn是光连接器的差损，是传感光纤的拉曼频移的波数。Rr(T0)由下式给出：

联立（7）（8）（9）可得：

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当在散射点测量温度时，温度可由（7）式计算出来，实际温度设为T'1和T1。然后在另一个温度测量，温度同样可以由（7）式计算出来，实际温度设为T'2和T2，那么，Ts和传感光纤的拉曼频移波数可表示为：

根据上述计算，运用我们提出的校准方法评估了温度测量的精确度。首先，运用（12）式，我们确定了传感光纤在+80℃（T1）和+300℃（T2）时的实际拉曼频移波数；温度从+80 ℃到+300℃，参考温度计和DTS 之间测量的温度差是在±0.2℃内。

4 实验测试

为了补偿差损，研究者们提出了许多方法，例如：使用不同波长的两种光源[7-12]，最特别的是在双头（环形）结构使用一根传感光纤(需要都接近光纤末端)。后来可靠的补偿差损的技术是通过计算向前和向后的斯托克斯和反斯托克斯光，用这种方法，在温度近似上，光纤的衰减和局部损耗通过反斯托克斯/斯托克斯信噪比相互抵消，导致自动校准测量而不取决于光纤损耗的变化。

这种双头结构需要在DTS 外安装参考温度计，但是这样会很不方便。为了克服这个不便，我们提出了一种利用内置温度参考光纤的双头结构的方法[6]。

图2中，近光纤末端A 和远光纤末端B 设置为同样的温度条件，在点DA测得A 处的反斯托克斯/斯托克斯信噪比表示为：

在点Dc处测得A 和B 反斯托克斯/斯托克斯信噪比之和（几何平均数）为：

利用（15）和（16）式，内置光纤（单头）和传感光纤（双头）的信号可以相结合。

在上述讨论的基础上，在差损变化时，我们使用传感光纤对温度测量进行了实验。

图3是恒温（+24.8℃）时测量的实验结果，温度测量使用的是改进的双头结构，传感光纤不受差损变化的影响；但是若温度测量使用常规的单头结构，测量结果会受到强烈的影响。同样地，图3表明了采用没有修正的标准双头结构，DLfiber_total仍然存在误差。

5 总结

本文从该类系统的工作原理出发提出一种基于双头结构型DTS的新双参考点温度校准方法，并通过理论和实验验证了本温度解调方法能够提高测温精度，同时运用该解调方法的测温系统其测温精度不受光纤微小损耗变化的影响。使用该方法，温度范围在+80℃～+320 ℃之间时，温度测量的精确度在 1℃内。