基于多峰高斯拟合的分布式拉曼测温系统设计与应用_张均.pdf

文章编号：1002-2082(2023)01-0128-09基于多峰高斯拟合的分布式拉曼测温系统设计与应用张均1，杜超1，于昌智1，张丽1，邓霄1,2（1.太原理工大学物理与光电工程学院，太原030024；2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，太原030024）摘摘 要：要：针对温感区域长度小于空间分辨率导致温度测量不准确的问题，提出一种多点温度校正方案，并介绍了一种可应用于中小尺度剖面温度分布测量的装置和方法。采用基于多峰高斯拟合的方案，实现了多个测量不准确温度点的同时校正，提高了系统的温度准确度，设计了分布式拉曼测温系统样机，通过将光纤部分缠绕在 PPR 管上实现了中小尺度剖面温度分布测量。实验装置使 2m 和 1.5m 温感区域的测量准确度提高到 1；测得冬季黄河万家寨水库冰盖厚度约为42.33cm，与人工测量结果相差约为 1.67cm；测得 36m 深河水剖面的温度约在 0.320.90 范围内波动。实验结果表明，采用该分布式拉曼测温系统能够在野外大范围监测河道流水剖面的温度分布。关键词：关键词：分布式拉曼；多点温度校正方案；冰盖剖面温度；河水剖面温度中图分类号：TN206文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0103003Design and application of distributed Raman thermometry systembased on multi-modal Gaussian fittingZHANGJun1，DUChao1，YUChangzhi1，ZHANGLi1，DENGXiao1,2（1.CollegeofPhysicsandOptoelectronics,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China；2.KeyLaboratoryofAdvancedTransducersandIntelligentControlSystem(MinistryofEducation),TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China）Abstract：Aimingattheproblemthatthelengthofthetemperaturesensingareaissmallerthanthespatialresolution,whichleadstoinaccuratetemperaturemeasurement,amulti-pointtemperaturecorrectionschemewasproposed,andadeviceandmethodthatcouldbeappliedtothemeasurementoftemperaturedistributioninmediumandsmallscalesectionswereintroduced.Usingtheschemebasedonmulti-modalGaussianfitting,the simultaneous correction of multiple inaccurate temperature points was realized,and the temperatureaccuracy of the system was improved.A prototype of the distributed Raman thermometry system wasdesigned,andthemeasurementoftemperaturedistributioninmediumandsmallscalesectionswasrealizedbywrappingthefiberaroundthePPRtube.Theexperimentaldeviceimprovedthemeasurementaccuracyof2mand1.5mtemperaturesensingareasto1C,thethicknessoftheicesheetoftheWanjiazhaiReservoirontheYellow River in winter was measured to be 42.33 cm,which was 1.67 cm different from the artificialmeasurementresults,andthemeasuredtemperatureof36mdeepriverwaterprofilefluctuatedintherangeof收稿日期：2022-03-16；修回日期：2022-08-26基金项目：国家自然科学基金（52009088）；山西省重点研发计划资助项目（201903D321001）；山西省应用基础研究计划（201901D211073）作者简介：张均（1996），女，硕士研究生，主要从事分布式光纤传感技术方面的研究。E-mail：通信作者：邓霄（1980），男，博士，教授，主要从事冰情检测与光电智能仪器方面的研究。E-mail：第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.20230.320.90.TheexperimentalresultsshowthatthedistributedRamanthermometrysystemcanmonitorthetemperaturedistributionoftheriverflowprofileonalargescaleinthefield.Key words：distributedRaman；multi-pointtemperaturecorrectionscheme；icesheetprofiletemperature；riverprofiletemperature引言冰凌是冬季高寒地区一种普遍存在的自然现象，常发生在河水从低纬度流向高纬度的河段中1。冰凌阻塞河道，上游水位上涨，导致地势低的地区造成淹没，严重时甚至引起大坝决堤，给人民的生命财产安全造成重大损失2。水库的调度是防治冰凌灾害的最有效方法之一，但由于冬季气温低下，库区会形成冰盖，冰盖的存在不仅会产生较大的冰压力，对大坝造成损害，而且阻碍了水体和空气的物质能量交换，使水体的溶解氧和水温发生改变，进而对库区生态系统产生不利的影响。在水库冰情研究中，水库冰盖内部和冰盖下方河水的温度分布对分析冰水热力学模型、库区冰情、冰水温度时空分布提供科学依据3。目前，用于冰盖内部的温度分布测量主要采用多个热敏电阻或铂电阻组成的温度传感链4。但对于大范围内的温度测量，制作和维护温度传感链相当复杂，所以将其用于冰盖下方河水垂直方向上的温度测量是不现实的。分布式光纤拉曼测温系统的光纤作为传输介质和敏感介质，利用光在光纤中的拉曼散射效应，可适用于长距离大范围的温度测量5，也可适用于小尺度的温度测量6。空间分辨率为分布式光纤拉曼测温系统的主要性能指标之一，是指能够准确测量光纤各点温度的最小距离。当温感区域小于空间分辨率时，会使得测量的温度不准确，张磊等提出了一种反卷积校正算法将空间分辨提高了 4 倍，修正了空间分辨率不足导致的不准确温度值7。Bazzo 等提出总变换反卷积算法，能正确测量温度变化区域为15cm 的温度值，相比于普遍空间分辨率为 1m 的系统，其空间分辨率提高了约 6 倍8。石希等对基于热红外遥感影像的河水温度反演方法进行比较，以最佳反演方法获得的河水温度均方根误差为 1.01.1，实现了 1m 的空间分辨率，校正温度的最大误差为 29。TylerSW 等提出一种分布式拉曼测温系统，该系统可用于测量冰架以及冰架下方 800m 深的海洋垂直方向上的温度分布10。KobsS 等根据分布式拉曼测温系统测得的冰架温度分布，计算了季节性融冰速率11。王玎睿等设计了一种具有垂直高分辨率的测温装置，可以精确测量冰盖剖面的温度分布12。但是以上方法均不能解决由于空间分辨率不足，导致多个温度值测量不准确的问题；在冬季水库中河道冰盖垂直方向、冰盖下方河水垂直方向上温度分布的测量方法也未提及。因此，使用现有的分布式光纤拉曼测温技术难以同时测量小尺度和大范围环境的温度分布。本文针对以上问题提出一种基于高斯拟合的多点温度校正方案，可以自动识别多个温度突变点，并对多个温度测量不准确的突变数据进行校正，使系统的温度准确度提高。同时，将分布式拉曼测温系统应用在黄河万家寨水库中测量冰盖内部及冰盖下方河水垂直方向上的温度分布，根据温度分布对万家寨水库中的冰盖冻结过程、冰盖厚度及冰盖下方河水垂直方向上的温度分布进行了分析，证明了系统应用在野外大范围监测河道流水剖面的温度分布的可行性。1 系统总体设计及温度解调原理1.1 系统总体设计分布式拉曼测温系统总体设计如图 1 所示。波长为 1550nm 的光从光源中发出，经波分复用器进入到传感光纤；光在传感光纤中发生拉曼散射，散射回波长为 1450nm 的拉曼反斯托克斯光和1660nm 的拉曼斯托克斯光进入波分复用器；波分复用器将两束光按波长分离出来，传输给光电探测器；光电探测器将两束光的光信号转换为模拟ALTERAPLXPCI9054数据采集卡WDM1 4501 5501 660COM波分复用器APD光电探测器OUTPUT1 660 nm1 450 nmOUTPUTDFB-1 550.12高速脉冲光源显示器恒温槽传感光纤图 1 分布式拉曼测温系统总体设计Fig.1 Overall design of distributed Raman thermometrysystem应用光学2023，44（1）张均，等：基于多峰高斯拟合的分布式拉曼测温系统设计与应用129电信号传递给数据采集卡；数据采集卡接收到模拟电信号并将其转换为数字电信号，传递给上位机；上位机对表示斯托克斯光强值和反斯托克斯光强值的数字电信号进行解调，转换为沿光纤的温度分布，并在上位机上显示。1.2 温度解调原理通过上述方法，上位机获得两路光强值。因此，需将光强值解调为温度值。在选择解调方法时，考虑到光源的温度会影响入射光的稳定性，从而造成测得的温度分布产生较大误差，为了减小光源所处位置的温度变化对入射光功率的影响，选用双路解调的方式对光强值进行解调13-14，进而获得沿光纤的温度分布。其中，双路解调公式如下：1T=1T0khvlnRR0（1）式中：T 为沿光纤各个采集点的温度值，单位为 K；T0为参考光纤环的温度值，单位为 K；k 是波尔兹曼常量，单位为 J/K；h 是普朗克（Planck）常量，单位为 Js；v 是光纤分子的声子频率，单位为 Hz；R 为沿光纤采集到的各个点的拉曼比值；R0为参考光纤环内各个点的拉曼比值的均值。2 温度校正实验及实验结果2.1 多点温度校正方法多点温度校正方法可以校正温感区域小于空间分辨率时所导致的不准确温度值，从而提高分布式拉曼测温系统的温度准确度。由双路解调方式获得沿传感光纤的温度分布后，使用极大值和极小值的方式寻找温度分布的所有峰值；剔除掉因噪声的存在使温度波动，被极大值极小值方式误判为由温度变化引起的峰值点，并判定剔除后温度分布的波峰值个数；对温度分布进行平移和翻转处理，并根据波峰值的个数自动调整拟合时所使用的数学方法，获得拟合后的曲线；计算拟合后的曲线所有峰值的半高全宽（fullwidthathalfmaxima，FWHM），设定半高全宽的阈值范围，判定所有半高全宽所属的阈值范围，使用相应阈值范围内的校正公式对所有不准确的温度值进行校正，获得校正后的温度分布。1）高斯拟合在校正温度之前，需要对温度分布进行高斯拟合，以确定所有温度突变点，并计算对应的半高全宽。当有一个或多个温度段发生变化时，采用极大值、极小值的方式来寻找突变点。但是在实验中，由于噪声存在，温度数据可能存在波动，因此小的波动也会被认为是突变点，所以需要将找寻到的所有极大值极小值与常温数据作差