分布式光纤泄露检测总结概要

1、目录第 1 1 章 绪论 1 11.11.1 引言. . . 1 11.21.2 管道泄漏检测方法 . . . 2 21.31.3 管道检漏方法评估 . . . 5 51.41.4 管道泄漏检测技术发展趋势 . 6 6第 2 2 章 分布式光纤温度传感的基本理论 8 82.12.1 光纤传感技术简介及分类 . 8 82.22.2 分布式光纤传感技术 . . . 9 92.32.3 典型的分布式光纤传感器 . 1010第 3 3 章 分布式光纤温度传感系统及技术 20203.13.1 系统组成 . . . 20203.23.2 激光脉冲光源 . . . 22223.33.3 光电探测器 . .

2、. 24243.43.4 散射光的分离 . . . 24243.53.5 系统定标 . . . 2626第 4 4 章 系统的信号处理技术 2828分布式光纤生产厂家（公司）附表 2828 本文内容主要整理参考于其他文献第 1 1 章 绪论1.11.1 引言目前，全世界大型输油管总长超过 200200 万公里，并且以每年 4-54-5 万公里的速度递增。由于管道输送在运送气体、液体、浆体 等散装物品方面所具有的独特优势， 管道工业在国民经济中占有 重要的位置。但是随着管线的增多、管龄的增长，由于施工缺陷 和腐蚀等问题和人为破坏的存在，管道事故频频发生， 给人们的 生命、财产和生存环境造成了巨大

3、的威胁。目前国内外油气管道泄漏实时监测技术主要通过检测管道输 送压力、流量、温度等参数的变化或者检测泄漏噪声来判断是否 发生泄漏，如质量平衡法、压力波分析法、实时模型法、统计检 漏法等。 由于该类测试方法受到流体特性、 输送工艺以及测试仪 器的灵敏度和测试精度等因素的限制， 该类技术可以检测到最小 泄漏量为管道输送总流量的 1 1，定位精度为管道总长度 1 1。 一般来说， 传统的温度测量中使用的是点式测量， 各处分布的大 量传感器测量并汇聚测量数据。 根据测量物理性质的不同， 有各 种测量技术。根据温度范围和应用性质等采用不同的测量方法。 所有这些方法有一个共同的限制， 它们只能测量一点的温

4、度。 在 一些应用中， 需要在一个大的范围收集温度信息， 这就需要大量 的传感器，从而对布线、安装等带来困难。分布式光纤温度传感系统能很好的解决这一问题，与传统传 感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多优点 : : 集传感与传输 于一体， 可实现远距离测量与监控； 一次测定就可以获取整个光 纤区域的一维分布图。 能在一条长达数千米的传感光纤环路上获 得几千条信息，因此单位信息成本显著降低。测量范围宽，具有 高空间分辨率和高精度； 在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其它 传感器无法接近的恶劣环境下， 分布式光纤温度传感器具有无可 比拟的优点。光纤传感器作为一种测量新技术， 利用光波导原理， 具有损耗

5、低、 频带宽、线径细、 重量轻、 可挠性好、 抗电磁干扰、 耐化学腐蚀、原料丰富、制造过程能耗少、节约大量有色金属等突出优点，近年来逐渐扩大应用范围和应用领域。1.21.2 管道泄漏检测方法管道在国民经济中的地位越重要， 管道的安全运行越受重视， 作为管道运行监控重要组成部分的泄漏检测技术一直在不断发 展中。目前已有多种管道泄漏检测方法在检测方式和技术手段方 面差别较大， 从最简单的人工分段沿管道巡线到复杂的软硬件相 结合的实时模型方法， 从陆地检测发展到海底检测， 甚至利用飞 机或卫星遥感检测大范围管网等。 对管道泄漏检测技术还没有统 一的系统分类方法， 这里从检测参数的角度将各种检测方法分

6、为 直接检漏法和间接检漏法。直接检漏法直接检漏法是利用安装在管道外边的检测器，直接检测漏到 管外的输送液体或其挥发气体， 从而达到检漏目的。 直接检漏法 包括主要有检漏电缆法、导电高聚合物检漏法、传感光缆法、红 外线法等。(1)(1)检漏电缆法 该方法是沿管线埋设附有易被碳氢化合物 溶解的绝缘材料的两芯电缆， 或非透水性但具有透油性材料制成 的同轴电缆。 优点是不需要在管线上配备任何地面检测设备， 就 能快速准确地检测出管道微小渗漏及其位置。(2)(2)导电高聚合物检漏法 探测电缆由两根常规绝缘导线 和两根探测导线组成， 外包特种导电高聚物。 这种方法利用探测 导线检测电缆中的水蒸气判断管道绝

7、缘层的浸水点和泄漏点， 适 用十绝缘管道的检漏。(3)(3)油检测元件法 这种方法是沿管道外层设置一种导电 性粉体元件，当泄漏的油接触到该元件时，其电阻会急剧变化， 在管道端部，通过测量处理电阻变化参数，可以确定泄漏位置。(4)(4)油溶性压力管法 将充注压缩空气的油溶性软管缠在 管道外围，当有溶油时， 软管溶解产生漏洞断裂， 压缩空气外泄， 管内压力下降，由此即可测知泄漏。这种方法只有一次性使用， 发现泄漏后，该处软管即损坏，更换非常困难。(5)(5) 传感光缆法 沿管线铺设一条传感光缆， 拾取管道周围的 异常压力、 声音和振动信号， 发现和定位管道泄漏和可能引起管 道损伤的第 3 3方责任

8、事件；或者利用对原油和成品油等碳氢化合 物敏感的传感光缆来检测和定位泄漏。(6)(6) 红外线法 利用机载或星载精密红外摄像装置， 记录管道 周围地热辐射效应或管道上方空气光谱， 利用光谱分析检测泄漏 及其位置。间接检漏法 间接检漏法是指检测因泄漏对管道运行参数造成的影响，如 流体压力、流量的变化来判断是否发生泄漏。(1)(1) 流量平衡法 根据流出和流人管道的介质质量 / / 体积之间 的差值判断管道泄漏。优点是可靠性高，可以检测小流量泄漏； 缺点是不能对泄漏做出定位，且实时性差。(2)(2) 负压波检漏法 管道泄漏会产生沿管道分别向上、 下游传 播的瞬态负压波。 在管道两端分别安装压力传感

9、器， 根据传感器 捕捉的负压波判断泄漏， 并根据负压波到达管道两端的时间差定 位泄漏。(3)(3) 压力 / / 流量梯度法 发生泄漏时，管道内的压力分布发生 变化，漏点前的流量增大，压力梯度变陡 ; ; 漏点后的流量减小， 梯度变平 ; ; 管道内压力梯度呈折线状下降；按照管道入口和出口 的压力梯度作线，交汇点就是泄漏的位置。(4)(4)管内智能爬行机法 爬行机已经广泛使用在管道工业中 配置各种传感器的智能爬行机检测系统可以用来周期性检测管 道因腐蚀或其它原因造成的损伤， 评估管道的完整性， 发现泄漏 和预报泄漏隐患。(5)(5) 统计检漏法 泄漏导致管道内压力和流速之间的关系发 生变化，

10、根据管道两端的流速和压力， 连续计算发生泄漏的统计 概率。根据管道两端流速和压力及统计平均值估计泄漏速度， 使 用最小二乘法对无分支管道泄漏进行定位。(6)(6) 声学方法 沿管道按照一定间隔离散地安装大量传感器， 借助对泄漏孔两侧传感器采集的声音信号进行相关处理来检测 与定位泄漏。 随着光纤传感技术的发展， 出现了连续型分布式光 纤传感器进行泄漏声音检测和定位。(7)(7) 实时模型法 建立管道实时模型， 在一定边界条件下求解 管道内流场， 然后将计算值与管道两端的实测值进行比较。 根据 实测值与计算值的偏差判断泄漏， 并根据管道内压力梯度变化确 定泄漏点位置。1.31.3 管道检漏方法评估

11、 管道测漏的方法比较多，各种方法都有自己的优点及使用范 围，选择时要根据其实际情况选用不同的检测方法。 可将上述泄 漏诊断系统的特征细分为以下指标进行综合考察， 检测方法的比 较如表 1-11-1 所示。我1-1管逍测方/咄*比報T:ih. 1-1 riereml estimate of pipeline Itnkngt deredien tcchnnlagy.卫atat性ft*响时间性适I.LV性性性川较奸屮屮有中差屮慣有屮申中斶ffipi|i瀛林Pitl迭羞较 慣fr - ItflU好负用波法较好好慣有较差局屮好压力加籲 +-21T/3 )* 壬L. -. -n:孫帕亍 lf“T23223

12、2 光纤 SAGNASAGNA 干涉型分布式传感器激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处再次发生干涉。 当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定；受到外界 干扰时，正反向两光束会产生不同的相移， 并于耦合器处发生干光纤 SAGNASAGNA 干涉型分布式传感器定位原理当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时，接收信号的功率幅值为零点频率发生在工=0,=0,-,? N捡=巴嗨（竽）小=% 勺=n(R-R.)/c局就十就.-光朿揺渕鼎信号处理涉，干涉信号的光强与干扰发生位置具有一定关系。广阴炉沁千沙仪的另一牛典型应州是 先外陀壕，印与沐形

13、兜路有转动时，顺逆才钎的比舍有非互禺性的死柱I差，可用于特动借冷干扰源位臵 R1R1 与第 N N 个零频之间的关系为fs) )7l1iU叫血E _略2TT皿皆刼）散射型光纤传感器分为以下几类: :利用背向瑞利散射-OTDR-OTDR利用布里渊散射-B-OTDR-B-OTDR、 B-OTDAB-OTDA利用拉曼散射-R-OTDR-R-OTDR光纤中的背向散射光分析：布里渊散射和拉曼散射在散射前 后有频移，是非弹性散射。光时域反射(OTDR)(OTDR)技术光时域反射(OTDR:Opitcal(OTDR:Opitcal Time-DomainTime-Domain Reflectometry)R

14、eflectometry)技术最初被用于检验光纤线路的损耗特性以及故障分析。当光脉冲在光纤中传输的时候， 由于光纤本身的性质、 连接 器、 接头、弯曲或其他类似事件而产生散射、反射，其中背向瑞 利散射光和菲涅尔反射光将返回输入端( (主要是瑞利散射光，瑞 利散射是光波在光纤中传输时由于光纤纤芯折射率在微观上的 起伏而引起的线性散射，是光纤的固有特性) )。光时域反射计将通过对返回光功率与返回时间的关系获得光 纤线路沿线的损耗情况。散射型分布式传感技术对被测量的空间 定位多基于光时域反射技术，即向光纤中注入一个脉冲，通过反射信号和入射脉冲之间的时间差来确定空间位置。d d 为事件点距离系统终端的

15、距离，c c 为真空光速，n n 为光纤有效折射率d=d=U U脉冲的重复频率决定了可监测的光纤长度，而脉冲的宽度定了空间定位精度（1010nsns 宽度对应空间分辨率 1m1m）图 1 1图 2 2234234 BOTDR-BOTDR-光时域布里渊散射光纤传感器布里渊散射产生机理这是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果，这个传播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅。因此布里渊散射可以看成是入射光在移动光栅上的散射。多普勒效应使散射光频率不同于入射光。（如图 2 2）量子光学描述: :入射光波（泵浦）与介质内弹性声波场作用中， 一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射（StokesStok

16、es）光子。散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波的频移（在1.55mm1.55mm 处）约为: : :=11.1GH=11.1GH Z Z。分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种BOTDR-BOTDR-传感原理布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升而线性增- - _._.(C)(C) + + ：-(-(卩 ) )布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加，随应变增加 而线性下降: :j冷 7 畑+坯(C) ) + +(卩 ) )通过测量布里渊散射光频移和光功率，就可以求得被测量点 的温度和应力的大小。BOTDR-BOTDR-布里渊频移系数1对于温度的布里渊频移系数是1.22M/1.22M/

17、度(1310(1310 nmnm, 1M/1M/度(155(1550nm)0nm)2对于应力的布里渊频移系数是581M/%(1310581M/%(1310 nm)nm)493M/%(1550nm)493M/%(1550nm)温度的影响较小泊松比人册光痂車il介届折射翠II_ _；2 ijtuj外歳申声建I介玻的筋氏模童折射阜超匕卷荧ft介冷虜度BOTDBOTD 与 BOTD/BOTD/区另 U UBOTDBOTD 系统从一端输入泵浦脉冲，在同一端检测返回信号的 中心波长和功率。使用方便，但自发布里渊散射信号很微弱，检 测困难。在 BOTDBOTD/ /中，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲

18、光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤。利用受激布里渊 散射效应，散射光强度更强。BOTDBOTD定位原理对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描，获得各个时间段 上的光谱，并将时间与位置相对应，即可获得沿光纤各位臵处的 布里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。BOTDR-BOTDR-优缺点优点: :1.1. 连续分布式测量温度和应变。2.2. 高温度和应变分辨率。3.3. 空间分辨率。4.4. 长传感范围（超过 8080 公里）。5.5. 一根光纤既可用于传感，也可用于通信。缺点: :1.1. 需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统的要求很高；2.2. 由于自发布里渊散

19、射相当微弱（比瑞利散射约小两个数量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较高的信噪比；3.3. 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间，实时性不够好。检测 30km30km 光纤沿线的应变，空间分辨力可达 1m1m 应变精度: :2020 卩 e e（0.002%0.002%）温度精度:1:1C取样时间:20s:20s 至 5min5min（典型值:2:2 minmin）。2.3.52.3.5 ROTDR-ROTDR-光时域拉曼散射光纤传感器拉曼散射产生机理: :在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用会引起的频率发生

20、变化的散射，此过程为拉曼散射。量子力学描述: :分子吸收频率为一的光子，发射_ - -.的光 子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克斯光）；分子吸 收频率为的光子，发射:-的光子，同时分子从高能态跃迁到 低能态（反斯托克斯光）。ROTDR-ROTDR-W感原理拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光可以携带散射 点的温度信息反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度， 而斯托克斯光则不是。 则通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比， 可以探测到温 度的变化。由于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊散射光还弱10dB,10dB,所以必须采用高输入功率， 且需对探测到的后向散射光信 号取较长时间内的

21、平均值。此方法上世纪 8080 年代就已被提出， 并商用化。基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关。常温下(T=300K)(T=300K)其温敏系数为 8%o8%o/ /Co采用反斯托克斯与斯托克斯 比值的分布式光纤温度测量，其结果消除了光源波动、光纤弯曲 等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。几种散射式传感技术的比较应用场合优点缺点OTDR斯点*损伤检测盜燥宴示衰减惜 况有盲区BOTDR应力、温废测量耦度和分瓣 準离要求极帘线宽.可罰纯 宜瀝光醫；兗又干航；BOTDA应力、温

22、VWVVV测莹精度和井辫 率离7 :t幼态范 围系统災杀；两请测童； 羊能检测斷展;支支干 扰ROTOR滉度進凹的牯号弱，大功率各种分布式光纤传感技术的应用传感原理传感监测量应用领域B-()TER应力，温度管道泄露监测，结构健 康监测等R-tyiDR温度油气油井里温度分布监 测、管道泄露监测等M-Z微振动周界防护等Sagnac較有规律气体管道泄霹监测、周的微振动界防护等第三我们主要讲解一下拉曼散射光纤系统。第 3 3 章分布式光纤温度传感系统及技术分布式光纤温度传感器系统，能在整个连续的光纤上，以距 离的连续函数形式，测量出光纤上各点的温度值。 由于实际应用 场合不同，要求的技术指标也不一样，

23、 如有些需要长距离的传感 长度，如输油管线的泄漏检测；有些需要测温精度高，如水库大 坝的渗漏检测；有些需要空间分辨率要高， 如在电力系统的温度 检测。所以，系统设计要充分考虑应用要求，选择合适的器件和 工作参数。3.13.1 系统组成分布式光纤温度传感系统由传感光纤、主机、温度信号处理和显示软件等组成，如图 3-13-1 所示。其中主机主要由以下几个部分组成: :13-1采缰爼成激光脉冲光源由带尾纤的 InGaAsPInGaAsP 高脉冲半导体激光器和驱动电路组成。(2)(2)散射光分离器件由双向耦合器和波分复用器系统组成。(3)(3)光电探测器由带尾纤、带前置放大器的雪崩光电二极管(APD(

24、APD) )和主放大器组成。(4)(4)恒温装置用来解决温度传感器的定标，提供参考温度。(5)(5)A/DA/D 采集与信号处理单元对放大信号采集、A/DA/D 转换、对信号进行调理、累加平均、去噪等处理。(6)(6)软件系统完成系统的各种参数设置、图形显示、报警、数据存储功能。(7)(7)光纤铺设位置 将探测光缆沿着管道，铺设在管道下面10cm10cm 深的土壤中，然后连接到控制室中的主机，就能够探测沿 着整个管线的温度，进而探测管道的泄漏，并能精确的定位。当 某个位置温度升高时，确定其发生泄漏。对于新管道，在管道铺设过程中将光缆铺在管道中轴线的下 方，如图3-2(a)3-2(a)所示；对于

25、已经铺好的管道，在管道的一边铺 设探测光缆，其高度与管道底平齐，如图 3-2(b)3-2(b)所示。3.23.2 激光脉冲光源由十拉曼散射信号非常微弱，而且随传感光纤长度的增加，信号损耗会加大。为保证测量空间分辨率等技术指标，光源部分 要产生脉宽很窄的大功率光脉冲输入到传感光纤中。在光纤传感应用中，选择激光器时主要考虑以下因素 ：价格、 物理尺寸、激光的工程温度和激光材料的寿命等。 半导体激光器 由于体积小、价格低、高效率而获得广泛应用。激光脉冲宽度分析根据 0TDR0TDR 的空间分辨率公式，泵浦光持续时间( (激光脉冲宽 度) )决定(a)新管道光纤位置(b) I日管道光纤位置了空间分辨率

26、指标( (其他如光电探测器响应时间和 A/DA/D转换时间也影响空间分辨率) )。所以，要缩小空间分辨率，就要使发射的激光脉冲要窄，如在普通多模光纤中，I I _ _ I I，要达到 ImIm 的空间分辨率，则脉冲宽度应满足。但为获得长的测量距离，就要发射大的激光功率。所 以，要根据系统测量长度和空间分辨率指标要求来确定激光发射 的脉冲宽度和功率大小。激光器波长分析光在光纤中的传输存在损耗，光纤拉曼散射信号随着注入光 波长的增加而变弱。由于背向拉曼散射信号的信噪比和散射点的 位置有关，散射点离光源越远信噪比越小。 在光纤各处被测量并 返回到开始端的反斯托克斯信号光功率可以表示为: :式中，L

27、L 是测量点的距离，一般取 L L 为最大传感距离时确定激光 器波长；|円 为从传感光纤 L L 返回到光纤始端（光检测器处）的 反斯托克斯光功率；:为光源始端激光光源所发出的光功率；a为与光纤祸合，散射等相关的衰减系数；憑灯是反斯托克斯散射光 波长。可看到，入射光波长越短，自发拉曼散射信号强度越大，但 相应传感光纤的损耗也越大（损耗与传输距离成正比）。因此，测 量点最佳波长与系统选用的传感光纤的损耗分布密切相关。由于在光纤末端损耗最大，选择最佳工作波长的准则是: :使传感光纤尾端返回的反斯托克斯信号最强。所以，在工程设计中，一般取 L L 为最大传感距离时确定激光器波长。3.33.3 光电探

28、测器把光信号转变为电信号这一过程由光电探测器和相应的放大 电路来完成。 由于反斯托克斯和斯托克斯光非常微弱， 所以光电 探测器的性能对分布式光纤传感系统的工作具有重要影响。雪崩光电二极管 APDAPD 是在高反向雪崩偏压附近工作的具有内 部倍增放大作用的光电转换器件。 由于雪崩光电二极管的内部雪 崩增益使得其光电转换灵敏度比一般的光电二极管高很多，在0.40.4 艸-1.11.1 艸 光谱范围内的微弱信号检测中，APDAPD 是优选器件。 虽然 APAPD D具有较大的增益，但其输出仍然非常微弱，需要进 一步对信号进行放大。分布式光纤温度传感器系统要求所用放大 器为宽频带放大器， 而放大器不但

29、不能提高信号的信噪比， 在放 大信号过程中还会引入噪声。与 APDAPD 连接的第一级放大器称为前置放大器，它一般采用低 噪声放大器，低噪声放大器比一般放大器有低得多的噪声系数， 在系统中， 这一级放大器噪声性能的优劣通常会影响到整个系统 的品质。 所以，虽然不同系统对放大器的质量指标要求会各不相 同，但是对前置放大器进行周密的低噪声设计是必须优先考虑 的。此外，还需考虑放大器的增益、频率的特性、动态范围、信 号源阻抗等要求。3.43.4 散射光的分离 光纤的背向散射光中包含瑞利背向散射光，反斯托克斯和斯 托克斯背向散射光及其他散射光。 光滤波的作用就是抑制无关的 散射光，取出携带温度信息的反

30、斯托克斯散射光以及作为参考光 的斯托克斯散射光。常温下，光纤中背向散射光非常微弱，使信 号的提取非常困难。考虑到拉曼散射的特点和参考各种分波合波 技术的优缺点，这里使用了 3 3级级联的 3 3 个波长的窄带通构成 1X31X3 的 WDIWDI 型拉曼散射用波分复用器用十背向散射光的分离。波分复用器结构如图 3-43-4 所示，入射光由端口 1 1 入射，经过 端口 2 2输出，2 2 端口与传感光纤相连。由于光的光路可逆性，由 传感光纤产生的背向散射光，再经过端口2 2，由滤光片滤出的斯托克斯和反斯托克斯光分别经过端口3,3, 4 4 输出。单级介质膜滤波器的结构如图 3-53-5 所示。

31、多波长光复用/ /解复 用器件采用级联型结构，如图 3-63-6 所示。图3-5单缈的介威膜泄披瞬的结构朋意圈3-6 3级联型多波长波甘艮用（解复用）器件结构对解复用器而言，包含_.一. 共 N N 个波长的信 号光由双芯毛细管的端口 a a 输入，光束被准直以后，由于滤光片 的选频作用，滤光片后的由自聚焦透镜与单芯毛细管耦合输出。 而其它波长的信号為则经滤光片反射后，滤光 片前的由自聚焦透镜与双芯毛细管耦合，端口 c c输出。对复用器件而言，图中的光路方向则相反。3.53.5 系统定标光纤测温的机理是依据背向拉曼散射温度效应，在分布式光纤测温系统中，使用反斯托克斯和斯托克斯光强之比对温度进行

32、 解调。根据式（2-292-29），需要知道传感光纤中某一段长度范围的 准确的温度信息，将系统测得的反斯托克斯和斯托克斯光强度与 该段的比值作比较，从而得出被测区域的温度信息。通过在光纤上设置定标区，可以消除反斯托克斯和斯托克斯信号处理通道的 散射系数、响应度和光滤波因子等灵敏度不同对温度测量带来的 误差，解决温度传感测量的温度基准问题，实现高精度、高稳定 度的分布式温度测量定标区位置选择泵浦光脉冲在光纤中产生背向散射光信号如图 3 3 -7-7 所示， 曲线分三个部分: :前端反射区、温度测量区和尾端反射区，前端 反射区和后端反射区的拉曼散射信号不反映光纤沿线的温度分 布。温度测量区的信号较

33、为稳定， 而且反映光纤沿线的温度变化 信息，所以定标区应该设在这个区域的首端。温度标定基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统需要首先确定传感光纤中某一段长度范围的准确的温度信息，将系统测得的反斯托克斯与斯托克斯光强度比与该段的比值作比较，从而得出被测区域的温度信息。温度定标区域位置在图3-73-7 已标出。系统温度分辨率与标定温度的精确度有关，可得到式人T_刖=hAf-7bfc4nKCr)/It訂式中，一一.为系统的定标精度；AT为系统的测温精度。 具有以下关系: :(1)(1)定标精度一定时，测量温度越高，测温精度越低;(2)(2) 定标温度一定时，定标精度越高，测温精度越高；(3)(3)测温

34、精度一定时，定标温度越高，要求的定标精度越低。 按照国际上通用的分布式温度传感器定标方法，定标区一般 设在 200200m m 处，这一点的空间位置是测量的起始点，所以计算时其测量长度 L=OL=O 把前 200m200m 的光纤放在恒温槽中，保持为设定的 温度。第 4 4 章 系统的信号处理技术来自光纤反射回来的背向散射信号极其微弱，经过光电探测 器转化为电信号后， 微弱的信号完全淹没在噪声中， 必须采用特 殊的处理方法，将噪声降低，相对提高信号的信噪比，为正确提 取温度信号提供必要的信号质量保证。取样积分 取样积分是提高信噪比的一种有效方法，这种方法要求信号一定要具有周期性。 对于分布式光

35、纤温度测量技术， 接收的信号 是光脉冲的回波，是以光脉冲进入光纤为开始标记的周期性信 号，所以满足使用取样积分法的要求。完成取样积分的方式可分为模拟和数字两种，在早期的研究 中几乎都是使用模拟的取样积分器 (Boxcar(Boxcar Integrator)Integrator) 。尽管 模拟取样积分器具有结构简单成本低等优点， 但由于其精度易受 到干扰， 目前已经很少使用该方法来处理背向散射信号。 模拟取 样积分器的另外一个严重的缺陷是对激光脉冲的利用率极低， 每 一个激光脉冲期间只能采样一次。数字累加技术 鉴于模拟取样积分器的种种缺陷，再加上高速采集技术的飞 速发展， 制作成本的一再降低，

36、 采用数字式累加技术的线路便日 益成熟。与模拟技术相比数字累加技术有如下优点 : :(1)(1) 工作节拍由晶振同步其稳定度远高于模拟的 RCRC 定时网 络；(2)(2) 空间分辨率和定位精度不超过 2 2 个时钟周期，即误差有限 且可估计；(3)(3) 激光脉冲的利用率高，相对提高了激光器寿命 10001000 倍以 上。1线性累加平均法 这是一种批量算法，采集完 n n 个数据 后，再由计算机计算其平均值。这种算法的缺点是计算量较大， 需要做 n n 次累加和一次除法才能得到一个平均结果， 所以获得结 果的频次较低。2递推式平均算法 利用递推式平均算法，当每个取样数 据到来后，可以利用新

37、数据对上次的平均结果进行更新， 这样相 对于每个取样数据，都会得到一个平均结果。 随着一个个取样数 据的到来， 平均结果的信噪比越来越高， 被测信号的波形逐渐清 晰。如果被测信号波形发生了变化，平均结果也不能跟踪这种变 化，所以该算法不适于对时变信号进行处。3指数加权平均算法 它是在每次取样数据到来时， 根据新数 据对上次的平均结果进行修正，得到本次的平均结果。通过 MATLABMATLAB 模拟了多次测量的严重的淹没在噪声中反斯托克斯信号，图 4-14-1 为测量的原始信号，图 4-24-2 至图 4-44-4 分别表示 了应用指数加权平均算法，累加次数分别为 1010 次、100100 次

38、、10001000 次时反斯托克斯曲线。| 1辿0-800-&0O-JOO-1I.戈咖0亠-2QO-100-050D 1OCO 15002000 25OD 3000350C400045 DO 50C0原始的反斯托克斯備号图弘3 1CJ0次累血乎闵的反斯托克斯伯号SOO-60000-*00-200500 LOOD1500汕 2250&300MM -150 03004H炽m10次累加屮购的廉斯托更斯依呂1000-E 1200 1000 SOO -600-100 -200 *Q - EPi*. -”*2CHi-05Q?W001500 2QQQ 2500 3000 35Q0 iQQQ 15W 50Q0图4d HXXJ次累加平肉的应斯托克斯怕号可以看到， 如果不进行累加去噪， 测量