李云亭，張明江，劉 毅，張建忠

1)太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；2)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電工程研究所，山西太原 030024

【光電工程 / Optoelectronic Engineering】

動態(tài)噪聲差分算法實(shí)現(xiàn)拉曼測溫儀高精度檢測

李云亭1，2，張明江1，2，劉 毅1，2，張建忠1，2

1)太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；2)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電工程研究所，山西太原 030024

傳統(tǒng)分布式光纖傳感系統(tǒng)采用固定噪聲基底計(jì)算散射光強(qiáng)度．但在分布式拉曼測溫系統(tǒng)中，由于雪崩光電二極管(avalanche photo diode，APD)光接收機(jī)工作時的溫度和偏壓等因素會導(dǎo)致基底微小改變；而由于拉曼散射光遠(yuǎn)弱于瑞利散射光，在長距離的溫度解調(diào)時這個微小的改變對解調(diào)結(jié)果的影響尤為明顯．為解決此問題，提出動態(tài)噪聲差分算法的方法，即將菲涅爾反射峰后的基底噪聲的平均值作為此散射光的動態(tài)噪聲基底，實(shí)現(xiàn)對APD光接收機(jī)的噪聲基底的動態(tài)測量．在拉曼自解調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)由于接收機(jī)工作時的溫度和偏壓等因素的微小改變導(dǎo)致光接收機(jī)的噪聲基底存在6.62 mV的波動，且噪聲基底波動導(dǎo)致測溫精度隨距離的上升而惡化；采用動態(tài)噪聲基底的方法可消除噪聲基底波動對測溫結(jié)果的影響，將有效傳感距離從3.0 km延長至11.5 km，同時在10.4 km處實(shí)現(xiàn)了0.61 ℃的測溫不確定度和1.58 ℃的測溫精確度，可為分布式拉曼傳感長距離測量提供參考．

非線性光學(xué)；拉曼散射；分布式光纖溫度傳感；光接收機(jī)；動態(tài)噪聲差分算法；拉曼自解調(diào)

溫度作為一個重要的物理參量，在工程及實(shí)驗(yàn)中需要對其進(jìn)行有效的監(jiān)控[1-2]．為獲得空間溫度的分布，電學(xué)的點(diǎn)式傳感系統(tǒng)[3]和基于光柵的準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)[4]被用于測量溫度的分布，但均無法實(shí)現(xiàn)對空間任意點(diǎn)溫度的測量，且光纖光柵波長解調(diào)復(fù)雜，工程應(yīng)用成本高[5]．光纖分布式傳感系統(tǒng)成本低，可測量光纖沿線上任意點(diǎn)的溫度，且具有抗電磁干擾、安全性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[6]，可在危險(xiǎn)環(huán)境中工作．同時結(jié)合光時域反射技術(shù)(optical time-domain reflectometer，OTDR)和受溫度影響的拉曼散射光強(qiáng)度，可同時獲得光纖任意點(diǎn)的溫度信息和位置信息．因此，自Dakin等[7]首次實(shí)現(xiàn)分布式光纖拉曼測溫以來，基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)得到了研究者的極大關(guān)注[8-12]，已被廣泛用于煤礦地下氣化系統(tǒng)[13]、電力電纜[14]、油庫罐體和傳輸管線[15]等的實(shí)時溫度監(jiān)測中．

光纖拉曼散射光強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于瑞利散射光強(qiáng)度，因此在分布式拉曼測溫系統(tǒng)中，信號的提取及處理尤為重要．雪崩光電二極管(avalanche photo diode，APD)具有量子效率高、感光靈敏度強(qiáng)、頻譜范圍寬及本身對信號具有放大作用等優(yōu)點(diǎn)[16]，極適于光纖中拉曼散射光的接收和探測[17-18]．在傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)中，為獲得散射強(qiáng)度信號，總是減去光接收機(jī)的一個固定基底，而實(shí)際上基于APD光接收機(jī)的基底時刻發(fā)生微小的改變，且拉曼散射光遠(yuǎn)弱于瑞利光，這導(dǎo)致分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量．

本研究在文獻(xiàn)[19]對APD特性研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)分析了基于APD的光接收機(jī)噪聲基底的波動對分布式光纖拉曼自解調(diào)測溫系統(tǒng)傳感距離和測溫精度的影響，提出動態(tài)噪聲差分算法，即通過計(jì)算菲涅爾反射峰后的基底噪聲的平均值作為此散射光的動態(tài)噪聲基底的方法，并將該算法用于分布式光纖拉曼自解調(diào)測溫系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的傳感距離和測溫精度．理論上，采用該算法可降低分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)對光接收機(jī)溫度控制和偏壓控制精度的要求，為分布式拉曼測溫系統(tǒng)長距離測量提供了參考．

1 自解調(diào)實(shí)驗(yàn)裝置及原理

圖1為分布式光纖拉曼自解調(diào)實(shí)驗(yàn)裝置．實(shí)驗(yàn)中將中心波長為1 550 nm的脈沖光注入到波分復(fù)用器(wavelength division multiplexing, WDM)中，并依次注入處于恒溫槽(Ther)控制的定標(biāo)光纖和傳感光纖中，光纖總長為11.5 km，其中將位于2.3 km處的test 1、7.3 km處的test 2及10.4 km處的test 3的3個傳感光纖置于恒溫水槽(TCC)中，散射回來的光經(jīng)WDM注入APD中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再由放大器(amplifier)放大后，由與激光(laser)輸出同步信號觸發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition card, DAC)接收．接收的光強(qiáng)I(t)和解調(diào)原理可由式(1)和式(2)表達(dá)．

(1)

(2)

圖1 分布式光纖拉曼自解調(diào)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The experiment of distributed optical fiber sensor based on self-demodulation

2 APD光接收機(jī)基底噪聲

在基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，后向拉曼散射信號弱于瑞利散射信號約為40 dB，故光探測器的基底噪聲往往對測溫系統(tǒng)的測溫結(jié)果起決定性影響．在分布式拉曼測溫系統(tǒng)中，后向拉曼散射光-電轉(zhuǎn)換后的信號和光-電轉(zhuǎn)換后基底噪聲的值如圖2．

圖2 拉曼后向散射和光接收機(jī)噪聲基底Fig.2 Raman backscattering and basic noise of optical receiver

圖2(a)為某次測量時拉曼反斯托克斯后向散射圖，其中將光纖尾端菲涅爾反射峰后的噪聲強(qiáng)度的平均值作為該次測量后向散射光的動態(tài)噪聲基底；圖2(b)為光接收機(jī)的基底噪聲，紅點(diǎn)為在無光輸入且無散射光時的固定噪聲基底，藍(lán)點(diǎn)為存在散射光時根據(jù)圖2(a)的噪聲基底平均值所求的動態(tài)噪聲基底．由圖2(b)可知，實(shí)際測量時APD光接收機(jī)的噪聲基底是不穩(wěn)定的：在無光注入的情況下，開始測量時接收機(jī)的固定噪聲基底為-66 mV；當(dāng)向光纖中注入光后，與開始測量時的噪聲基底相比，此時的噪聲基底迅速升高，接下來保持在-48.79～-42.17 mV波動；停止測量(即停止輸入光)后，基底噪聲依舊保持在有光輸入的波動范圍內(nèi)，為-42.45 mV．該現(xiàn)象產(chǎn)生原因?yàn)?，APD光接收機(jī)基底噪聲主要由APD的暗電流噪聲和光檢測器的均方熱噪聲組成，噪聲電流均方值為

(3)

由式(3)可知，接收機(jī)的基底噪聲會隨著APD的放大倍數(shù)和接收機(jī)的工作溫度的改變而變化，而APD的放大倍數(shù)主要與其控制偏壓和運(yùn)行溫度有關(guān)，并隨著運(yùn)行溫度和控制偏壓的增大而增大．

圖2(b)中，在接收機(jī)剛開始工作時，系統(tǒng)的偏壓和溫度并未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故其噪聲基底相對較大；當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并開始測量時，由于接收機(jī)的溫度和偏壓無法保持恒定，從而導(dǎo)致接收機(jī)的熱噪聲和體暗電流噪聲存在一定范圍的波動．

3 接收機(jī)基底波動對測溫結(jié)果的影響

接收機(jī)的噪聲基底對溫度解調(diào)結(jié)果的影響如圖3．其中，圖3(a)是TCC在測量時溫度為35.17 ℃，定標(biāo)時溫度為22 ℃時，某次后向散射解調(diào)結(jié)果對比圖．其中，紅色曲線是測量和定標(biāo)都采用圖2(b)中的開始測量時的-66.42 mV固定噪聲基底的解調(diào)結(jié)果；藍(lán)色曲線是噪聲基底采用結(jié)束測量時的-42.45 mV解調(diào)結(jié)果；橙色曲線是采用59次測量的平均值-45.53 mV作為固定噪聲基底的測量結(jié)果；黑色曲線是定標(biāo)(-44.84 mV)和測量(-48.50 mV)同時采用動態(tài)噪聲基底的解調(diào)結(jié)果．圖3(b)為圖3(a)在test 3處，不同基底情況下的細(xì)節(jié)圖．

圖3 基底波動對解調(diào)結(jié)果的影響Fig.3 The result influenced by basic noise fluctuation

由圖3(a)可知，采用動態(tài)噪聲基底可有效增加系統(tǒng)的傳感距離，提高系統(tǒng)的測溫精度．當(dāng)測量和定標(biāo)同時采用固定噪聲基底時，系統(tǒng)在傳感距離約為3 km時開始測溫不準(zhǔn)確，且隨著距離的增大其測溫精度降低，到了光纖末端系統(tǒng)的測溫誤差可達(dá)13.0 ℃．若在定標(biāo)和測量都采用本研究定義的動態(tài)噪聲基底作為此散射光的噪聲基底時，系統(tǒng)的測溫波動趨勢消去，雖然在末端也存在0.7 ℃的測溫誤差，但這完全可認(rèn)為是由于實(shí)際測量時有噪聲而導(dǎo)致的結(jié)果．

圖3(a)中固定基底時，溫度解調(diào)結(jié)果全部呈向下趨勢，且隨著固定噪聲基底的減小，逐步接近實(shí)際測溫曲線．這是由于在減去固定基底時，定標(biāo)時用于計(jì)算的散射強(qiáng)度和實(shí)際散射強(qiáng)度的差大于測量時用于計(jì)算的散射強(qiáng)度其實(shí)際散射強(qiáng)度的差，即相對而言定標(biāo)散射強(qiáng)度偏高于實(shí)際值．由式(2)可知，此時造成測量值低于實(shí)際值，且隨著光纖長度的增加，后向散射光逐漸減弱，導(dǎo)致該差值對溫度解調(diào)結(jié)果影響變大，即隨著距離的增加系統(tǒng)的解調(diào)精度降低；而隨著噪聲基底減小并逐漸接近測溫曲線是因?yàn)?，基底越小所求出的散射光?qiáng)越大，導(dǎo)致在末端比值變化的作用也越小，即溫度和實(shí)際溫度愈接近．

從圖3(b)中test 3處測溫細(xì)節(jié)可見，使用動態(tài)噪聲差分算法時，系統(tǒng)的測溫結(jié)果為34.17 ℃；而使用其他固定基底時，測量值最小為22.28 ℃，最大為24.66 ℃，與實(shí)際值相差超過10 ℃；且測溫溫度隨著基底的變小呈下降趨勢．這是因?yàn)樵诒緦?shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，22 ℃的室溫變?yōu)?5.17 ℃時，散射強(qiáng)度變化量在test 3處僅約20 mV，根據(jù)式(2)，只考慮測量時基底的變化，減去固定噪聲基底和實(shí)際噪聲基底之間的差越大，則測溫結(jié)果和實(shí)際值相差越大；若與定標(biāo)時一起考慮，測溫結(jié)果會在圖3(a)趨勢中偏離實(shí)際值，即造成隨固定基底的變小測量溫度也越偏離實(shí)際溫度．這意味著即使減去固定基底能得到與實(shí)際基底溫度相同的溫度，也無法在實(shí)際測溫點(diǎn)獲取正確的溫度．

所以，使用動態(tài)噪聲基底的方法，即實(shí)時獲取每組測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的噪聲基底，克服接收機(jī)溫度偏壓波動導(dǎo)致的基底不確定，可有效提高系統(tǒng)的測量距離，同時保證測溫精度．

4 測量結(jié)果及分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證動態(tài)噪聲差分算法可有效提高系統(tǒng)的傳感距離和測溫精度，本研究搭建了分布式拉曼自解調(diào)測溫系統(tǒng)，并在室內(nèi)恒溫環(huán)境下進(jìn)行光纖多區(qū)段的溫度測量實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)中，將3個測試區(qū)段(test 1、test 2和test 3)置于同一個恒溫槽中，恒溫槽溫度在35～65 ℃調(diào)節(jié)，每隔5 ℃取一個測量溫度點(diǎn)，并用動態(tài)噪聲基底的方式解調(diào)溫度．測溫結(jié)果總體分布如圖4．

圖4 測溫結(jié)果整體分布Fig.4 The overall-distribution of the temperature measurement results along the fiber

從圖4可見，測溫基底在光纖尾端基本保持和光纖前端一致，無明顯溫度變化趨勢．在3個測試區(qū)段，測溫結(jié)果與實(shí)際所設(shè)溫度基本一致，表明采用動態(tài)噪聲差分算法可提高系統(tǒng)的傳感距離并保證系統(tǒng)的測溫精度．

表1為3個測試區(qū)段在不同參考溫度下的測量值和置信概率P=0.68時的測溫不確定度．其中，參考溫度是由Aglient E2308A熱敏電阻溫度探頭測得，其測溫誤差為±0.2 ℃．從表1可見，系統(tǒng)測量值相對參考值的精確度在0.52～-1.58 ℃波動，且系統(tǒng)的測量值隨傳感距離的增加而降低，系統(tǒng)測溫不確定度也將逐漸變大，即系統(tǒng)測溫精度逐漸變差．這是因?yàn)殡S著傳感距離的上升，光強(qiáng)因衰減逐漸減弱，導(dǎo)致系統(tǒng)的信噪比下降，進(jìn)而使系統(tǒng)測溫結(jié)果的波動增大；在解調(diào)過程中，為了消除部分噪聲進(jìn)一步提高信噪比，可采用小波變換的方法濾除噪聲，但小波變換在消除噪聲的同時也會濾去部分有用信號．光纖前端信號較強(qiáng)，微小信號的丟失對溫度解調(diào)結(jié)果影響較小，而光纖后端信號較弱，導(dǎo)致微小信號的丟失對光纖后端測溫結(jié)果的影響要大于光纖前端，因此，隨著距離上升系統(tǒng)測溫精度下降，測溫結(jié)果逐漸降低．

值得注意的是，11.5 km的傳感長度并非本系統(tǒng)可以達(dá)到的最大傳感長度．由圖2(a)的散射強(qiáng)度曲線可知，11.5 km處信號強(qiáng)度和基底噪聲的信噪比遠(yuǎn)高于3 dB，以11.5 m處的曲線的切線和x軸交點(diǎn)可以得到約18 km的傳感距離，這就意味著，該傳感系統(tǒng)的傳感距離有望達(dá)到18 km．雖然增加入射光可以提升系統(tǒng)的傳感距離，而實(shí)際上，由于光纖中拉曼散射光的受激效應(yīng)，自發(fā)拉曼散射允許的最大入射光強(qiáng)隨傳感距離的上升而減小[20]，即當(dāng)入射光強(qiáng)一定時，允許的最大傳感距離也是一定的．再有，對于一個測溫系統(tǒng)來說，空間分辨率也是一個重要的參考因素，而基于多模光纖的拉曼測溫系統(tǒng)往往因?yàn)樯⒁蛩責(zé)o法在長距離位置獲得高的空間分辨率，所以為了獲得較好的空間分辨率，目前基于多模光纖的拉曼測溫系統(tǒng)的傳感距離并未達(dá)到拉曼受激效應(yīng)所允許的最大傳感距離．本研究在多模光纖長度受限的前提下，綜合考慮由于多模光纖色散導(dǎo)致空間分辨率隨距離升高而惡化的因素，系統(tǒng)的傳感光纖長度為11.5 km，而非該入射功率下自發(fā)拉曼散射允許的最大傳感距離．

表1 不同測溫位置的測溫結(jié)果(P=0.68)

結(jié) 語

本研究基于APD的光接收機(jī)噪聲基底波動探討了分布式拉曼測溫系統(tǒng)對測溫精度和傳感距離的影響，提出了采用動態(tài)噪聲差分算法，可有效消除接收機(jī)溫度和APD工作電壓波動對分布式拉曼測溫結(jié)果的影響．結(jié)果顯示，該方法可將分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)的傳感距離從3.0 km延長至11.5 km，同時在光纖尾端實(shí)現(xiàn)了0.61 ℃的測溫不確定度和1.58 ℃的測溫精確度．研究結(jié)果可為分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳感提供參考．

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【中文責(zé)編：英 子；英文責(zé)編：木 南】

High precision measurement for Raman distributed temperature sensor by dynamic noise difference algorithm

Li Yunting1, 2, Zhang Mingjiang1, 2?, Liu Yi1, 2, and Zhang Jianzhong1, 2

1) Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System of Ministry of Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi Province, P.R.China 2) College of Physics and Optoelectronics, Institute of Optoelectronic Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi Province, P.R.China

Fixed ground noise is always used to calculate the intensity of the backscattering in traditional distributed optical fiber sensing system. In the Raman distributed temperature sensor (RDTS), the ground noise will be influenced by the change of the working temperature and bias voltage of optical receiver based on avalanche photo diode (APD). Raman scattering light is the weakest one among three kinds of backscattering light. This means the tiny change of the ground noise will affect the results of temperature measurement, especially in long distance sensing system. In order to solve this problem, we propose a method of dynamic noise difference algorithm for RDTS. By using the average value of dark current noise which is behind Fresnel reflection as the dynamic ground noise, we dynamically obtain the actual ground noise of the optical receiver based on APD. In self-demodulation RDTS, the ground noise of optical receiver is about 6.62 mV. And as the distance increases, the temperature accuracy becomes worse and worse due to the ground noise fluctuation. When the influence of the ground noise fluctuation on the measure results is eliminated by dynamic noise difference algorithm, the effective sensing distance increases from 3 km to 11.5 km. And the uncertainty of 0.61 ℃ and the temperature accuracy of 1.58 ℃ are obtained over a 10.4 km sensing fiber. A RDTS with a long sensing distance is achieved by this method.

non-linear optics; Raman scattering; distributed optical fiber temperature sensor; optical receiver; dynamic noise difference algorithm; Raman self-demodulation

Received：2016-11-08；Accepted：2016-12-16

Foundation：National Natural Science Foundation of China (61377089); Key Science and Technology Research Project Based on Coal of Shanxi Province (MQ2014-09); Coal-Bed Methane Joint Research Fund of Shanxi Province (2015012005); Programs for Science and Technology Development of Shanxi Province (20140321003-1)

? Corresponding author：Professor Zhang Mingjiang. E-mail: zhangmingjiang@tyut.edu.cn

：Li Yungting, Zhang Mingjiang, Liu Yi, et al. High precision measurement for Raman distributed temperature sensor by dynamic noise difference algorithm[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(1): 20-26.(in Chinese)

TN 29; TP 212.14

A

10.3724/SP.J.1249.2017.01020

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61377089)；山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(MQ2014-09)；山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(2015012005)；山西省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(20140321003-1)

李云亭( 1992—) ，男，太原理工大學(xué)碩士研究生．研究方向：分布式光纖傳感．E-mail: tyutlyt@163.com

引 文：李云亭，張明江，劉 毅，等．動態(tài)噪聲差分算法實(shí)現(xiàn)拉曼測溫儀高精度檢測[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2017，34(1)：20-26.