本發(fā)明涉及分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)（DTS），特別涉及DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時(shí)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

測(cè)溫光纜產(chǎn)生拉曼散射時(shí)，由于斯托克斯光和反斯托克斯光波長(zhǎng)相差大于200nm,它們的衰減系數(shù)一般并不相同.而這種衰減系數(shù)的不同對(duì)DTS溫度分布影響很大，理論分析和至今為止的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表明這是DTS系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度影響最大的因素之一。因此，DTS系統(tǒng)必須對(duì)由此造成的影響進(jìn)行標(biāo)定。

當(dāng)忽略衰減系數(shù)的影響或當(dāng)傳輸距離為零時(shí)，溫度計(jì)算公式為：

（1）

這里：T_m是由APD信號(hào)直接計(jì)算得到的溫度值， T₀是參考光纖的溫度值；Ｉ_s（Ｔ_０）是參考光纖斯托克斯光強(qiáng)；Ｉ_a（Ｔ_０）是參考光纖反斯托克斯光強(qiáng)；Ｉ_s（Ｔ_m）是測(cè)量光纖斯托克斯光強(qiáng)；Ｉ_a（Ｔ_m） 是測(cè)量光纖反斯托克斯光強(qiáng)；

，其中h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，△v為拉曼頻移，在石英光纖中，實(shí)際上，當(dāng)信號(hào)從測(cè)試點(diǎn)傳輸至APD處，由于信號(hào)的衰減其數(shù)值就變?yōu)椋?/p>

（2）

這里，P₀是原始功率，P_x是傳輸了距離為x以后的功率，l是衰減相關(guān)的系數(shù)（并不是衰減系數(shù)，因單位不同），x為距離。由此我們可以得到在衰減系數(shù)不同時(shí)的溫度計(jì)算公式：

（3）

這里， T_r為準(zhǔn)確溫度值，T_m是由APD信號(hào)直接計(jì)算得到的溫度值，A_a和A_s分別是在Anti-Stokes 和Stokes 波長(zhǎng)下的衰減系數(shù)，單位是dB/km,X是距離,C₀是一常數(shù)：0.23026

由公式（3）可以看出，當(dāng)衰減系數(shù)相同時(shí)，T_r等于T_m。而當(dāng)衰減系數(shù)不同時(shí)，其對(duì)結(jié)果的影響程度決定于衰減系數(shù)的差值，距離以及計(jì)算得到的溫度。也就是說(shuō)，衰減系數(shù)差別越大，或者距離越遠(yuǎn)，再或者測(cè)試點(diǎn)的溫度越高，其受到的影響也就越大。

設(shè)(A_a－A_s)為Cat,由公式（3）也可以看出，當(dāng)Cat不等于零時(shí)，溫度T隨光纖長(zhǎng)度方向（X方向）就不再水平，其傾斜程度直接決定于Cat的絕對(duì)值。由于目前市場(chǎng)上的光纖在斯托克斯和反斯托克斯波長(zhǎng)處的衰減系數(shù)沒(méi)有實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，因此光纖同一批次、光纖批次與批次之間，甚至同一批次不同位置處的衰減系數(shù)并不相同。實(shí)際試驗(yàn)表明這種差別比較大或非常大，要得到準(zhǔn)確的DTS系統(tǒng)，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

理論和目前市場(chǎng)上的系統(tǒng)都表明：要標(biāo)定Cat，嚴(yán)格地說(shuō)必須知道溫度沿長(zhǎng)度方向的準(zhǔn)確分布。假定Cat在整個(gè)長(zhǎng)度上相同（在一定情況下能夠成立），標(biāo)定可以簡(jiǎn)化為測(cè)量在一定位置處的準(zhǔn)確溫度分布即準(zhǔn)確位置和溫度。同時(shí)，由于不可避免的信號(hào)噪聲和各種誤差因素，系統(tǒng)標(biāo)定需要一定數(shù)量點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度分布，才有可能實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)精度（系統(tǒng)要求的精度越高，標(biāo)定所需要的點(diǎn)數(shù)就越多）。要準(zhǔn)確得到準(zhǔn)確位置的準(zhǔn)確溫度，必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，這在許多實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)可能比較難以實(shí)現(xiàn)。另一方面，當(dāng)需要準(zhǔn)確溫度分布（位置和溫度）的點(diǎn)數(shù)比較多時(shí)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就比較困難，至少比較費(fèi)時(shí)。這種時(shí)間上的不同就會(huì)增加系統(tǒng)標(biāo)定難度或結(jié)果不準(zhǔn)確性，因?yàn)樵跍y(cè)量其它點(diǎn)的位置和溫度時(shí)已測(cè)量的點(diǎn)的溫度可能已經(jīng)發(fā)生改變（參考光纖的溫度也可能發(fā)生了改變）。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時(shí)標(biāo)定方法。

本發(fā)明所采取的技術(shù)措施是：一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時(shí)標(biāo)定方法，其特征是該DTS系統(tǒng)包含DTS主機(jī)和與高反射鏡，還有連通DTS主機(jī)和高反射鏡之間光路的測(cè)溫光纜、62.5/125um測(cè)溫光纜末端耦合的高反射鏡（波長(zhǎng)范圍在1400nm-1700nm）.該方法的主要步驟是：

1）DTS主機(jī)第一次獲取激光脈沖在測(cè)溫光纜中產(chǎn)生的背向拉曼散射中包含斯托克斯光強(qiáng)和反斯托克斯光強(qiáng)的原始數(shù)據(jù)。定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat，計(jì)算任意一點(diǎn)的溫度值T_r；

2）DTS主機(jī)第二次獲取高反射鏡反射回來(lái)的激光脈沖產(chǎn)生的的拉曼散射含斯托克斯光強(qiáng)與反斯托克斯光強(qiáng)的原始數(shù)據(jù)，。定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat’,根據(jù)計(jì)算任意一點(diǎn)的溫度值T_r’；

3)根據(jù)同一位置、較短時(shí)間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，即Cat=Cat’, T_r= T_r’.計(jì)算獲取DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)。

本方案的具體特征還有，全光范圍內(nèi)反射鏡必須對(duì)波長(zhǎng)為1550nm光、波長(zhǎng)為1660nm斯托克斯光、波長(zhǎng)為1450nm反斯托克斯光具有高反射能力。

本方案還提供一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時(shí)標(biāo)定方法，其特征是將同一段光纖首尾兩端分別接入帶有光開關(guān)的DTS系統(tǒng)中以形成第一通道和第二通道，DTS主機(jī)分別獲取第一通道、第二通道中含斯托克斯光強(qiáng)、反斯托克斯光強(qiáng)的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)同一位置、較短時(shí)間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，做對(duì)比可計(jì)算獲得DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是:

1、傳統(tǒng)獲取DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)的方法都是基于溫度準(zhǔn)確測(cè)量的，且必須保證溫度保持恒定的條件下，而本發(fā)明不需要知道溫度參數(shù)，直接摒除溫度變量對(duì)于結(jié)果的影響，這樣測(cè)量的結(jié)果誤差小，精度提高。

2、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是不需要知道光纖沿長(zhǎng)度方向的溫度分布，就可以準(zhǔn)確計(jì)算出光纖上每點(diǎn)的衰減系數(shù)，這樣就可以掌握整根光纜的衰減系數(shù)信息，非常有利于溫度的精確計(jì)算。

3、DTS系統(tǒng)在工程安裝之后，由于光纜的型號(hào)、批次、敷設(shè)環(huán)境等改變，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)差別很大，特別是衰減系數(shù)的標(biāo)定對(duì)于結(jié)果的影響重大，因此，很有必要準(zhǔn)確獲取DTS系統(tǒng)的衰減系數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是只需要在光纖末端簡(jiǎn)單的處理，經(jīng)軟件計(jì)算即可獲取衰減系數(shù)，大大節(jié)省了人力和物力，提高了測(cè)量精度，也提高了工作效率。

在光纖尾端實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)波長(zhǎng)（原始脈沖光，斯托克斯和反斯托克斯）的高反射，這樣，當(dāng)脈沖光到達(dá)終點(diǎn)后會(huì)沿原路返回，在返回的過(guò)程中會(huì)得到相應(yīng)的斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)。由于原路返回的斯托克斯和反斯托克斯經(jīng)過(guò)了完全相同的光纖并在非常短的時(shí)間內(nèi)完成，它們?cè)谕晃恢玫臏囟群退p系數(shù)（及之差C_at）完全相同。這種完全相同的溫度就給我們提供了準(zhǔn)確計(jì)算C_at的可靠方法。理論分析表明（推導(dǎo)過(guò)程略），C_at可以通過(guò)下面的公式計(jì)算得到：

(4)

式中是正向傳輸時(shí)在位置j處的信號(hào)比值；

是反向傳輸時(shí)在位置j處的信號(hào)比值；

JLen是光纖長(zhǎng)度；

C₀是與公式（3）相同的常數(shù)。

理論分析表明，用這種方法標(biāo)定（計(jì)算）C_at并不需要知道溫度分布，這將極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程。并且，理論分析還表明，用這種方法標(biāo)定C_at時(shí)可以得到任何一點(diǎn)的C_at值，也就是說(shuō)，并不需要假定C_at沿長(zhǎng)度方向不變，從而具有更大的適用性。

附圖說(shuō)明

圖1是第一次獲取DTS系統(tǒng)激光脈沖產(chǎn)生拉曼背向散射示意圖。圖2是第二次獲取反射激光脈沖產(chǎn)生拉曼散射光強(qiáng)示意圖。圖3是同一根光纜首尾分別接入DTS主機(jī)的第一和第二通道示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時(shí)標(biāo)定方法，其特征是該DTS系統(tǒng)包含DTS主機(jī)和與高反射鏡，還有連通DTS主機(jī)和高反射鏡之間光路的62.5/125um測(cè)溫光纜，62.5/125um測(cè)溫光纜末端耦合的高反射鏡波長(zhǎng)范圍在1400nm-1700nm.該方法的主要步驟是：

1）DTS主機(jī)第一次獲取激光脈沖在測(cè)溫光纜中產(chǎn)生的背向拉曼散射中包含斯托克斯光強(qiáng)和反斯托克斯光強(qiáng)的原始數(shù)據(jù)，定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat，計(jì)算任意一點(diǎn)的溫度值T_r；

2）DTS主機(jī)第二次獲取高反射鏡反射回來(lái)的激光脈沖產(chǎn)生的的拉曼散射含斯托克斯光強(qiáng)與反斯托克斯光強(qiáng)的原始數(shù)據(jù)，定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat’,計(jì)算任意一點(diǎn)的溫度值T_r’；

3)根據(jù)同一位置、較短時(shí)間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，即Cat=Cat’, T_r= T_r’。計(jì)算獲取DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)。

本方案的具體特征還有，高反射鏡必須對(duì)波長(zhǎng)為1550nm光、波長(zhǎng)為1660nm斯托克斯光、波長(zhǎng)為1450nm反斯托克斯光具有高反射能力。

假設(shè)光纖的總長(zhǎng)度為JLen,第一次測(cè)量時(shí)X_j處真實(shí)溫度為T_r, 計(jì)算溫度為T_m；

第二次測(cè)量時(shí)X_j處真實(shí)溫度為T_r’,計(jì)算溫度為T_m’。

DTS主機(jī)第一次獲取激光脈沖在測(cè)溫光纜中產(chǎn)生的背向拉曼散射中包含斯托克斯光強(qiáng)和反斯托克斯光強(qiáng)的原始數(shù)據(jù)，定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat，計(jì)算任意一點(diǎn)的溫度值T_r；

DTS主機(jī)第二次獲取高反射鏡反射回來(lái)的激光脈沖產(chǎn)生的的拉曼散射含斯托克斯光強(qiáng)與反斯托克斯光強(qiáng)的原始數(shù)據(jù)，定義反斯托克斯與斯托克斯衰減系數(shù)之差為Cat’,根據(jù)計(jì)算任意一點(diǎn)的溫度值T_r’

根據(jù)同一位置、較短時(shí)間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，即Cat=Cat’, T_r= T_r’.做對(duì)比可計(jì)算獲取DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)。所以

DTS標(biāo)定主要內(nèi)容如下：

DTS系統(tǒng)搭建之后，需要對(duì)光纖沿距離方向的溫度系數(shù)Crs、插損系數(shù)Closs光纜衰減系數(shù)Cat進(jìn)行標(biāo)定。其中，Crs表示計(jì)算出來(lái)T_r系數(shù)，為溫度的斜率，Closs表示該項(xiàng)的常數(shù)項(xiàng)，為儀器內(nèi)部通道內(nèi)的插損，整根光纜處于比較恒定溫度環(huán)境下。比如，常溫下水槽，稱為低溫區(qū)。在光纜尾部盤至少3米的光纖，然后放在恒溫水槽中，恒溫水槽的溫度要高于環(huán)境溫度，如環(huán)境溫度為25℃，恒溫水槽設(shè)定80℃，稱為高溫區(qū)。高溫恒溫水槽溫度恒定以后，輸入低溫區(qū)光纜起始位置、終止位置及常溫下水槽的溫度值，再輸入高溫區(qū)光纜起始位置、終止位置及高溫區(qū)水槽的溫度值。結(jié)合Cat標(biāo)定方法，計(jì)算Crs、Closs及Cat系數(shù)。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處在于一種DTS系統(tǒng)衰減系數(shù)不同時(shí)標(biāo)定方法：同一段光纖首尾兩端分別接入帶有光開關(guān)的DTS主機(jī)，首段接入第一通道，尾端接入第二通道，通過(guò)較短時(shí)間內(nèi)光開關(guān)切換，DTS主機(jī)分別獲取第一通道、第二通道中含斯托克斯光強(qiáng)、反斯托克斯光強(qiáng)的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)同一位置、較短時(shí)間內(nèi)的溫度不變，衰減系數(shù)也不變，做對(duì)比也可計(jì)算獲取衰減系數(shù)。