基于反卷积算法的高空间分辨率分布式温度传感方法和装置

1.本发明属于分布式温度传感领域，具体涉及一种基于反卷积算法的高空间分辨率分布式温度传感方法。


背景技术：

2.现有的分布式温度传感器主要包括基于瑞利散射光、布里渊散射光、基于光频域的反射拉曼光和基于光时域的反射拉曼光的传感器。对于基于瑞利散射光的分布式温度传感器，其瑞利散射光的光强约为入射光的千分之一，而布里渊散射光和拉曼光的光强远小于这个比例，因此基于瑞利散射光的温度信号信噪比相对于基于另外两种光的温度信号信噪比更高，因此，基于瑞利散射光的分布式温度传感器具有动态范围、测温时间和系统稳定性均较优的特点。但是，缺点在于瑞利散射光的温度灵敏度较低，温度精度不足。此外，基于瑞利散射光来测量温度目前主要是通过频域解调的方式，成本比较高，一般这种技术在普通场合都不用于去测量温度。因此目前基于瑞利散射光的传感器都是用于断电监测、振动测量等。
3.对于基于布里渊散射光的分布式温度传感，由于其光强和温度灵敏度均介于瑞利散射光和拉曼光之间，无论是动态范围还是温度精度，其都是适中的。此外其还有应力和温度同步测量的优点，因此市场上存在成熟的基于布里渊散射光的分布式温度传感产品，也是一个科研热点。然而，实际应用中温度测量易受外界环境引起的应力的干扰，引入随机误差，温度和应变的解耦还需要另外的工程技术支撑。基于布里渊的测量技术由于存在温度和应变的交叉敏感的问题，因此在很多场合受到限制。
4.对于基于光频域反射拉曼光的分布式温度传感，由于频域反射计传感系统的的空间分辨率不依赖于脉宽，因此可以使用脉宽较长的光脉冲以保证信噪比，同时做到厘米量级的空间分辨率。然而，光频域反射计要求使用线性可调谐激光，所用系统和温度解调算法较为昂贵且复杂，不适合在一般的场合做温度传感。
5.对于基于光时域反射计的拉曼光的分布式温度传感。由于反斯托克斯拉曼散射光对温度的灵敏度是三种散射光中最高的，基于拉曼光的测温系统的理论温度精度可以做到很高，且对应变、振动等外界干扰不敏感，系统成本相对较低，系统简单，稳定性较好，因此在分布式温度传感领域得到了广泛的应用。然而，空间分辨率和信噪比都依赖于脉宽，现有技术方案为提高空间分辨率，往往采用更短脉宽的光脉冲，这会牺牲信噪比，相应地使得温度精度和有效测温长度较差。


技术实现要素：

6.本发明提供一种基于反卷积算法的高空间分辨率分布式温度传感方法和装置，以解决目前温度传感器存在的空间分辨率与信噪比之间不可调和的矛盾。
7.根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于反卷积算法的高空间分辨率分布式温度传感方法，包括以下步骤：
8.步骤s100、将温度传感光纤划分为多个光纤段，实时采集该温度传感光纤上各个光纤段的散射光光强迹线，根据所述散射光光强迹线解调出各个光纤段的温度迹线；
9.步骤s200、针对每个光纤段，考虑到输入光信号传输到各个光纤段后发生的脉冲展宽，对该光纤段的实际光脉冲数据进行采集；
10.步骤s300、考虑到该温度传感光纤的输入光信号以及返回的散射光，在该温度传感光纤传输过程中存在的功率损耗，针对每个光纤段，对该光纤段对应的最佳信噪比倒数进行确定；
11.步骤s400、对各个光纤段对应的解调出的所述温度迹线进行边缘模糊处理，以抵消解调出的温度轨迹的振铃效应；
12.步骤s500、针对每个光纤段，采用反卷积算法，根据该光纤段对应的实际光脉冲数据、最佳信噪比倒数以及经边缘模糊处理后的温度迹线，确定该光纤段的实际温度迹线；
13.步骤s600、将各个光纤段对应的实际温度迹线拼接在一起，获得该温度传感光纤对应的实际温度迹线。
14.在一种可选的实现方式中，所述步骤s300包括：
15.步骤s301、沿着输入光信号的传输方向，在所述温度传感光纤上各个光纤段的末端开始，分别朝着首端方向选取设定长度的子光纤段，将各个子光纤段分别置于恒温箱中；
16.步骤s302、针对每个光纤段，采用反卷积算法，根据该光纤段对应的实际光脉冲数据、随机选择的信噪比倒数以及经边缘模糊处理后的温度迹线，确定各个光纤段的实际温度迹线，从而确定各个光纤段上子光纤段的实际温度迹线；
17.步骤s303、针对每个子光纤段的实际温度迹线，求取该子光纤段对应光纤温度与该恒温箱的设定温度的均方根误差；
18.步骤s304、针对每个光纤段，迭代调节该随机选择的信噪比倒数，重复执行步骤s302至s303，直至该均方根误差达到最小，将此时对应的信噪比倒数作为该光纤段对应的最佳信噪比倒数。
19.在另一种可选的实现方式中，所述步骤s100包括：
20.步骤s101、采用调制器将激光器提供的直流激光调制成脉冲光信号；
21.步骤s102、将该脉冲光信号传输给所述温度传感光纤；
22.步骤s103、将从所述温度传感光纤返回的散射光转换成电信号；
23.步骤s104、数据采集卡对该电信号进行采集，从而获得所述温度传感光纤上各个光纤段的散射光光强迹线。
24.在另一种可选的实现方式中，所述步骤s200包括：
25.步骤s201、将不同长度的光纤依次置于光强迹线实时采集过程中的调制器与光电转换器之间，其中对于所述温度传感光纤上第i个光纤段，对应地将所述温度传感光纤上前i个光纤段的长度相加，获得对应的光纤长度，将该长度的光纤置于所述调制器与光电转换器之间，其中i为大于0的整数；
26.步骤s202、针对每个不同长度的光纤，采用所述调制器将所述激光器提供的直流激光转换为脉冲光信号，该脉冲光信号通过该光纤被传输给该光电转换器，所述光电转换器将该光脉冲信号转换为电脉冲信号，从而采集到该长度光纤对应光纤段的实际光脉冲数据。
27.在另一种可选的实现方式中，按照以下公式对解调出的所述温度迹线进行边缘模糊处理：i＝α*t (1-α)*(t**otf)
28.其中**为卷积运算，*为矩阵对应位置元素相乘运算，i为边缘模糊的温度迹线，t为解调出的温度迹线，otf是将实际光脉冲数据作为点扩散函数对应的光学传递函数，α是模糊度，α表示为：
29.其中real为取实部运算，为傅里叶逆变换，abs为取模运算，为傅里叶变换，n为矩阵且其维度与解调出的温度迹线矩阵的维度相同，n矩阵中前几个元素为光脉冲数据，且缩放至∑n＝1；k为矩阵且其维度与解调出的温度迹线矩阵的维度相同，且所有元素都为1，当且仅当光脉冲数据矩阵长度为奇数时，α矩阵末端要补一个1，以保证其长度为偶数，针对每个光纤段，其对应的温度迹线矩阵的维度为1*x，x表示该光纤段上解调出的温度数据点的个数。
30.在另一种可选的实现方式中，所述步骤s500包括：
31.针对每个光纤段，采用反卷积算法，按照以下公式根据该光纤段对应的实际光脉冲数据、最佳信噪比倒数以及经边缘模糊处理后的温度迹线，确定该光纤段的实际温度迹线：
[0032][0033]
其中g(f)为解调出的温度迹线的傅里叶变换，f(f)是实际温度迹线的傅里叶变换，h(f)为该实际光脉冲数据的傅里叶变换，k为最佳信噪比倒数。
[0034]
在另一种可选的实现方式中，所述散射光为拉曼光，包括斯托克斯光和反斯托克斯光，所述光强迹线包括斯托克斯光光强矩阵和反斯托克斯光光强矩阵，所述步骤s100包括：按照以下公式，根据所述斯托克斯光光强矩阵和反斯托克斯光光强矩阵，解调出各个光纤段的温度迹线：
[0035][0036]
其中h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，δν为拉曼频移量，t
ref
为温度传感光纤上定标光纤段置于恒温箱中时的温度，即恒温箱的温度，此时该定标光纤段上一光纤点的斯托克斯光光强和反斯托克斯光光强的比值为第二光强比值，r为第一光强比值除以该第二光强比值，所述第一光强比值为根据所述温度传感光纤上一光纤点，从所述斯托克斯光光强矩阵和反斯托克斯光光强矩阵中的对应位置处，查找到的斯托克斯光光强和反斯托克斯光光强的比值。
[0037]
本发明还提供一种上述方法所用的光强迹线实时采集装置，其特征在于，包括调制器、波分复用器、光电转换器、数据采集卡和温度传感光纤，其中所述调制器与该波分复用器的第一端连接，所述波分复用器的第二端连接该温度传感光纤，第三端和第四端分别连接该光电转换器的输入端，所述光电转换器的输出端连接该数据采集卡；
[0038]
所述调制器将直流激光转换为脉冲光信号，并发送给所述波分复用器；所述波分复用器将该脉冲光信号转发给所述温度传感光纤；所述温度传感光纤将分别含有第一波长
和第二波长的第一散射光和第二散射光传输回该波分复用器；所述波分复用器将该第一散射光和第二散射光传输给该光电转换器；所述光电转换器将该第一散射光和第二散射光对应转换为第一电信号和第二电信号；所述数据采集卡对该第一电信号和第二电信号进行采集，从而获得第一光强迹线和第二光强迹线，根据所述第一光强迹线和第二光强迹线解调出所述温度传感光纤上各个光纤段的温度迹线。
[0039]
在一种可选的实现方式中，还包括设置在该调制器与该波分复用器的第一端之间的放大器，所述放大器用于对该脉冲光信号进行放大，所述光电转换器包括第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管，所述波分复用器的第三端通过该第一雪崩光电二极管连接该数据采集卡的第一输入端，第四端通过该第二雪崩光电二极管连接该数据采集卡的第二输入端。
[0040]
在另一种可选的实现方式中，选用窄线宽激光作为所述直流激光，以使该直流激光经调制形成的该脉冲光信号在所述温度传感光纤传输过程中的展宽不明显，从而保证长距离温度传感分辨率；选用高增益的掺铒光纤放大器，对该脉冲光信号进行放大，以降低测温时间；
[0041]
选用高隔离度的波分复用器，以更好地滤除噪声，保证解调出的温度迹线的信噪比；选用多模光纤作为温度传感光纤，以允许输入功率更高的脉冲光信号给该温度传感光纤，从而可保证解调出的温度迹线的信噪比；
[0042]
选用高带宽的光电转换器和数据采集卡，可提供更多信息用于反卷积算法，从而使得按照反卷积算法确定出的该实际温度迹线在提高空间分辨率的同时，提高温度迹线的信噪比。
[0043]
本发明的有益效果是：
[0044]
1、本发明采用反卷积算法对解调出的温度迹线进行处理时，涉及到了实际光脉冲数据、最佳信噪比倒数和解调出的温度迹线，其中实际光脉冲数据的采集考虑到了光信号在光纤传输过程中的脉冲展宽，最佳信噪比倒数考虑到了光信号和散射光在光纤传输过程中的功率损耗，温度迹线考虑到了采用反卷积算法进行处理而引入的振铃效应，由此在基于实际光脉冲数据、最佳信噪比倒数和经模糊处理的温度迹线，采用反卷积算法确定实际温度迹线时，可以在提高空间分辨率的同时，减少信噪比的降低量，即以牺牲较小的信噪比，来换取较大的空间分辨率，从而可以在一定程度上解决空间分辨率与信噪比之间不可调和的矛盾；另外，本发明将温度传感光纤分成多个光纤段，采用反卷积算法分别对解调出的各个光纤段的温度迹线进行处理，获得各个光纤段的实际温度迹线，再将各个光纤段的实际温度迹线拼接在一起，即可获得整个温度传感光纤的实际温度迹线，由此即便在长距离传感中空间分辨率也不会恶化，从而可以实现长距离光纤温度传感；
[0045]
2、本发明在采用反卷积算法对温度迹线进行处理时，采用的温度迹线、实际光脉冲数据都是傅里叶变换形式，即将反卷积算法设于温度解调之前进行，可以提高运算速度，并且本发明反卷积算法和边缘模糊算法的表达式简单，因此本发明获得的实际温度迹线具有实时性；
[0046]
3、本发明采用拉曼光、斯托克斯光或反斯托克斯光作为散射光，可以提高温度传感灵敏度；
[0047]
4、本发明光强迹线实时采集装置中，温度传感光纤在接收到脉冲光信号后，产生
两路不同波长的散射光，两路不同波长的散射光可以为温度迹线确定提供更多信息，从而可以提高实际温度迹线确定的精确度；本发明将雪崩光电二极管作为光电转换器，可以在将散射光转换为电信号的同时，对电信号进行放大，其作为光电转换器结构简单且可实现功能较多；
[0048]
5、本发明温度迹线实时采用装置中，对其组成器件进行选择，可以进一步在提高空间分辨率的同时，保证信噪比。
附图说明
[0049]
图1是本发明基于反卷积算法的高空间分辨率分布式温度传感方法的一个实施例流程图；
[0050]
图2是本发明光强迹线实时采集装置的一个实施例结构示意图；
[0051]
图3是本发明实际光脉冲数据采集装置的一个实施例结构示意图；
[0052]
图4是本发明最佳信噪比倒数确定装置的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
[0053]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
[0054]
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0055]
参见图1，为本发明基于反卷积算法的高空间分辨率分布式温度传感方法的一个实施例结构示意图。该基于反卷积算法的高空间分辨率分布式温度传感方法可以包括以下步骤：
[0056]
步骤s100、将温度传感光纤划分为多个光纤段，实时采集该温度传感光纤上各个光纤段的散射光光强迹线，根据所述散射光光强迹线解调出各个光纤段的温度迹线；
[0057]
步骤s200、针对每个光纤段，考虑到输入光信号传输到各个光纤段后发生的脉冲展宽，对该光纤段的实际光脉冲数据进行采集；
[0058]
步骤s300、考虑到该温度传感光纤的输入光信号以及返回的散射光，在该温度传感光纤传输过程中存在的功率损耗，针对每个光纤段，对该光纤段对应的最佳信噪比倒数进行确定；
[0059]
步骤s400、对各个光纤段对应的解调出的所述温度迹线进行边缘模糊处理，以抵消解调出的温度轨迹的振铃效应；
[0060]
步骤s500、针对每个光纤段，采用反卷积算法，根据该光纤段对应的实际光脉冲数据、最佳信噪比倒数以及经边缘模糊处理后的温度迹线，确定该光纤段的实际温度迹线；
[0061]
步骤s600、将各个光纤段对应的实际温度迹线拼接在一起，获得该温度传感光纤对应的实际温度迹线。
[0062]
本发明在利用反卷积算法对解调出的温度迹线进行处理时，需要涉及到解调出的
温度迹线、预先保存的传输给温度传感光纤的光脉冲数据以及估计出的信噪比倒数。但是，由于光信号在光纤传输过程中，受到模式相关色散、波长相关色散、偏振相关色散等因素影响，必然回发生脉宽展宽，因此直接将温度传感光纤的输入光脉冲作为光脉冲数据，并不适用于长距离光纤全程，为此本发明针对每个光纤段，考虑光信号传输到各个光纤段后发生的脉冲展宽，对各个光纤段的实际光脉冲数据进行分别采集，可以提高反卷积算法所涉及光脉冲数据的准确度。在基于实际光脉冲数据进行反卷积算法处理时，可以提高反卷积算法处理的精确度。
[0063]
由于温度传感光纤的输入光信号以及返回的散射光在光纤传输过程中相应地会出现损耗，信号功率会出现下降，因此采用现有方法预先估计出的信噪比并不适用于长距离光纤全程，为此本发明在考虑到该温度传感光纤的输入光信号以及返回的散射光，在该温度传感光纤传输过程中存在的功率损耗，对各个光纤段对应的最佳信噪比倒数进行确定，可以提高反卷积算法所涉及信噪比倒数的准确度。此外，在直接采用反卷积算法对温度迹线进行处理时，将引入不可忽略的振铃效应，表现出温度迹线最左最优以及温度突变区附近出现异常大的噪声，为此本发明对各个光纤段对应的解调出的所述温度迹线进行边缘模糊处理，由此可以抵消解调出的温度轨迹的振铃效应。
[0064]
由上述实施例可见，本发明采用反卷积算法对解调出的温度迹线进行处理时，涉及到了实际光脉冲数据、最佳信噪比倒数和解调出的温度迹线，其中实际光脉冲数据的采集考虑到了光信号在光纤传输过程中的脉冲展宽，最佳信噪比倒数考虑到了光信号和散射光在光纤传输过程中的功率损耗，温度迹线考虑到了采用反卷积算法进行处理而引入的振铃效应，由此在基于实际光脉冲数据、最佳信噪比倒数和经模糊处理的温度迹线，采用反卷积算法确定实际温度迹线时，可以在提高空间分辨率的同时，减少信噪比的降低量，即以牺牲较小的信噪比，来换取较大的空间分辨率，从而可以在一定程度上解决空间分辨率与信噪比之间不可调和的矛盾；另外，本发明将温度传感光纤分成多个光纤段，采用反卷积算法分别对解调出的各个光纤段的温度迹线进行处理，获得各个光纤段的实际温度迹线，再将各个光纤段的实际温度迹线拼接在一起，即可获得整个温度传感光纤的实际温度迹线，由此即便在长距离传感中空间分辨率也不会恶化，从而可以实现长距离光纤温度传感。
[0065]
参见图2，为光强迹线实时采集装置的一个实施例结构示意图，该装置可以包括调制器(可以为声光调制器)、波分复用器、光电转换器、数据采集卡和温度传感光纤，其中所述调制器与该波分复用器的第一端连接，波分复用器的第二端连接该温度传感光纤，第三端和第四端分别连接该光电转换器的输入端，光电转换器的输出端连接该数据采集卡；调制器将直流激光转换为脉冲光信号，并发送给所述波分复用器；所述波分复用器将该脉冲光信号转发给所述温度传感光纤；所述温度传感光纤将分别含有第一波长和第二波长的第一散射光和第二散射光传输回该波分复用器；波分复用器将该第一散射光和第二散射光传输给该光电转换器；所述光电转换器将该第一散射光和第二散射光对应转换为第一电信号和第二电信号；所述数据采集卡对该第一电信号和第二电信号进行采集，从而获得第一光强迹线和第二光强迹线，根据所述第一光强迹线和第二光强迹线解调出所述温度传感光纤上各个光纤段的温度迹线。另外，光强迹线实时采集装置还可以包括设置在该调制器与该波分复用器的第一端之间的放大器，所述放大器用于对该脉冲光信号进行放大，所述光电转换器包括第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管，所述波分复用器的第三端通过该
第一雪崩光电二极管连接该数据采集卡的第一输入端，第四端通过该第二雪崩光电二极管连接该数据采集卡的第二输入端。
[0066]
其中，所述第一光强迹线和第二光强迹线可以分别为斯托克斯光光强矩阵和反斯托克斯光光强矩阵，控制器(例如电脑)可以分别与用于产生该直流激光的激光器、放大器和数据采集卡连接，还可以依次通过信号发生器、调制驱动电路与该调制器连接，由此控制器可以分别控制激光器产生对应的直流激光，控制放大器的放大倍数，控制数据采集卡的采集，控制该信号发生器产生对应的脉冲信号，该信号发生器通过该调制驱动电路，使该调制器基于该脉冲信号对该直流激光进行调制，以生成脉冲光信号。例如，激光器可以产生波长为1550nm，功率为20mw的直流激光；声光调制器将该直流激光调制成重复频率为10khz，脉宽为14ns的脉冲激光；放大器将脉冲光信号的峰值功率提高到10w；波分复用器将从其1550端(即第一端)将输入的脉冲光信号，由其com端(即第二端)输出给温度传感光纤，温度传感光纤接收到1550nm波长的脉冲光信号后，产生向后传输回波分复用器的波长分别为1450nm和1650nm的第一散射光和第二散射光；该第一散射光和第二散射光分别由该波分复用器的1450端(即第三端)和1650端(即第四端)传输给该第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管，该第一雪崩光电二极管将该第一散射光转换为第一电信号并放大，第二雪崩光电二极管将该第二散射光转换为第二电信号并放大，该数据采集卡对该第一电信号和第二电信号进行采集。数据采集卡可以将采集到的第一电信号和第二电信号传输给电脑，以按照本发明方法进行处理，从而获得温度传感光纤上各个光纤段对应的实际温度迹线。
[0067]
本发明温度传感光纤在接收到脉冲光信号后，产生两路不同波长的散射光，两路不同波长的散射光可以为温度迹线确定提供更多信息，从而可以提高实际温度迹线确定的精确度；本发明将雪崩光电二极管作为光电转换器，可以在将散射光转换为电信号的同时，对电信号进行放大，其作为光电转换器结构简单且可实现功能较多。需要注意的是：本发明调制形成的脉冲光信号的重复频率由该放大器的放大倍数以及噪声的平衡度决定，而该脉冲光信号的脉宽则是由空间分辨率和信噪比两种因素权衡决定，即在应用本发明反卷积算法对解调出的温度迹线进行处理时，通过对输入给温度传感光纤的光信号的脉宽进行调节，可以在提高空间分辨率的同时，使得信噪比的降低量为最小，即以牺牲最小的信噪比，来换取较大的空间分辨率。本实施例中，光脉冲信号的脉宽为14ns，是反复优化调节的结果。
[0068]
此外，由于窄线宽激光的色散效应较弱，相比于其他类型激光，其在温度传感光纤传输过程中发生的脉冲展宽不明显，因此本发明选用窄线宽激光作为所述直流激光，以使该直流激光经调制形成的该脉冲光信号在所述温度传感光纤传输过程中的展宽不明显，从而保证长距离温度的空间传感分辨率。由于高增益的掺铒光纤放大器能够对重复频率更高的脉冲光信号进行放大，因此本发明选用高增益的掺铒光纤放大器，对该脉冲光信号进行放大，可以降低测温时间；由于温度传感光纤返回的散射光中包含了功率较高的瑞利散射光，瑞利散射光等效于非零均值低频噪声，因此本发明可以选用高隔离度的波分复用器，以更好地滤除噪声，保证解调出的温度迹线的信噪比；由于多模光纤受激拉曼散射阈值较高，因此本发明可以选用多模光纤作为温度传感光纤，以允许输入功率更高的脉冲光信号给该温度传感光纤，从而可保证解调出的温度迹线的信噪比；本发明还可以选用高带宽的光电转换器和数据采集卡，可提供更多信息用于反卷积算法，从而使得按照反卷积算法确定出
的该实际温度迹线在提高空间分辨率的同时，保证温度迹线的信噪比。
[0069]
其中，步骤s100中按照以下步骤实时采集该温度传感光纤上各个光纤段的温度轨迹：
[0070]
步骤s101、采用调制器将激光器提供的直流激光调制成脉冲光信号；
[0071]
步骤s102、将该脉冲光信号传输给所述温度传感光纤；
[0072]
步骤s103、将从所述温度传感光纤返回的散射光转换成电信号；
[0073]
步骤s104、数据采集卡对该电信号进行采集，从而获得所述温度传感光纤上各个光纤段的散射光光强迹线。
[0074]
参见图3，为实际光脉冲数据采集装置的一个实施例结构示意图。该实际光脉冲数据采集装置可以包括调制器、不同长度的光纤、光电转换器和数据采集卡，其中调制器依次通过对应长度的光纤、光电转换器与数据采集卡连接，该调制器、光电转换器和数据采集卡可以采用光强迹线实时采集装置中对应的器件，且调制器输出的脉冲光信号、数据采集卡的采样率等都可以与光强迹线实时采集过程中的相关参数相等。所述步骤s200可以包括：
[0075]
步骤s201、将不同长度的光纤依次置于光强迹线实时采集过程中的调制器与光电转换器之间，其中对于所述温度传感光纤上第i个光纤段，对应地将所述温度传感光纤上前i个光纤段的长度相加，获得对应的光纤长度，将该长度的光纤置于所述调制器与光电转换器之间，其中i为大于0的整数；
[0076]
步骤s202、针对每个不同长度的光纤，采用所述调制器将所述激光器提供的直流激光转换为脉冲光信号，该脉冲光信号通过该光纤被传输给该光电转换器，所述光电转换器将该光脉冲信号转换为电脉冲信号，从而采集到该长度光纤对应光纤段的实际光脉冲数据。
[0077]
其中，该光电转换器可以采用雪崩光电二极管，为了避免雪崩光电二极管出现损坏，可以使调制器的输出端与衰减器或者耦合器连接，所述衰减器对调制器输出的脉冲光信号进行衰减后，再通过对应长度光纤传输给该雪崩光电二极管，所述耦合器可以将调制器输出的脉冲光信号的一部分通过对应长度光纤传输给该雪崩光电二极管。由于雪崩光电二极管在没有信号输入的情况下，会有约0.002v的噪声电压输出，为此数据采集卡可以将幅值高于该阈值的脉冲光信号作为光脉冲数据。
[0078]
参见图4，为最佳信噪比倒数确定装置的一个实施例结构示意图。该装置与图2所示光强迹线实时采集装置的区别在于，沿着输入光信号的传输方向，在所述温度传感光纤上各个光纤段的末端开始，分别朝着首端方向选取设定长度(例如0.5m)的子光纤段，将各个子光纤段分别置于恒温箱中。所述步骤s300可以包括：步骤s301、沿着输入光信号的传输方向，在所述温度传感光纤上各个光纤段的末端开始，分别朝着首端方向选取设定长度的子光纤段，将各个子光纤段分别置于恒温箱(例如恒温水箱)中。
[0079]
步骤s302、针对每个光纤段，采用反卷积算法，根据该光纤段对应的实际光脉冲数据、随机选择的信噪比倒数以及经边缘模糊处理后的温度迹线，确定各个光纤段的实际温度迹线，从而确定各个光纤段上子光纤段的实际温度迹线。本步骤中，光纤段对应的温度迹线可以按照上述步骤s100相同的方法进行采集，光纤段对应的实际光脉冲数据可以按照上述步骤s200相同的方法进行采集。
[0080]
步骤s303、针对每个子光纤段的实际温度迹线，求取该子光纤段对应光纤温度与
该恒温箱的设定温度的均方根误差。
[0081]
本步骤中，根据以下公式来求取该均方根误差：
[0082][0083]
其中rmse表示均方根误差，xi表示子光纤段对应实际温度迹线上的第i个温度数据点，x0表示该恒温箱的设定温度，n表示子光纤段对应实际温度迹线上温度数据点的个数。
[0084]
步骤s304、针对每个光纤段，迭代调节该随机选择的信噪比倒数，重复执行步骤s302至s303，直至该均方根误差达到最小，将此时对应的信噪比倒数作为该光纤段对应的最佳信噪比倒数。
[0085]
本发明中，无论是步骤s400、步骤s500，还是步骤s302中，经边缘模糊的温度迹线都是按照以下公式对解调出的所述温度迹线进行边缘模糊处理：i＝α*t (1-α)*(t**otf)
[0086]
其中**为卷积运算，*为矩阵对应位置元素相乘运算，i为边缘模糊的温度迹线，t为解调出的温度迹线，otf是将实际光脉冲数据作为点扩散函数对应的光学传递函数，α是模糊度，α表示为：
[0087]
其中real为取实部运算，为傅里叶逆变换，abs为取模运算，为傅里叶变换，n为矩阵且其维度与解调出的温度迹线矩阵的维度相同，n矩阵中前几个元素为光脉冲数据，且缩放至∑n＝1；k为矩阵且其维度与解调出的温度迹线矩阵的维度相同，且所有元素都为1，当且仅当光脉冲数据矩阵长度为奇数时，α矩阵末端要补一个1，以保证其长度为偶数，针对每个光纤段，其对应的温度迹线矩阵的维度为1*x，x表示该光纤段上解调出的温度数据点的个数。
[0088]
另外，所述步骤s500包括：
[0089]
针对每个光纤段，采用反卷积算法，按照以下公式根据该光纤段对应的实际光脉冲数据、最佳信噪比倒数以及经边缘模糊处理后的温度迹线，确定该光纤段的实际温度迹线：
[0090][0091]
其中g(f)为解调出的温度迹线的傅里叶变换，f(f)是实际温度迹线的傅里叶变换，h(f)为该实际光脉冲数据的傅里叶变换，k为最佳信噪比倒数。
[0092]
本发明在采用反卷积算法对温度迹线进行处理时，采用的温度迹线、实际光脉冲数据都是傅里叶变换形式，即将反卷积算法设于温度解调之前进行，可以提高运算速度，并且本发明反卷积算法和边缘模糊算法的表达式简单，因此本发明获得的实际温度迹线具有实时性。需要注意的是：上述散射光可以为拉曼光，由于这种光对温度的灵敏度非常高，因此本发明采用拉曼光、斯托克斯光或反斯托克斯光作为散射光，可以提高温度传感灵敏度。上述反卷积算法可以为维纳反卷积算法。包括斯托克斯光和反斯托克斯光，所述光强迹线包括斯托克斯光光强矩阵和反斯托克斯光光强矩阵，所述步骤s100包括：按照以下公式，根据所述斯托克斯光光强矩阵和反斯托克斯光光强矩阵，解调出各个光纤段的温度迹线：
[0093][0094]
其中h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，δν为拉曼频移量，t
ref
为温度传感光纤上定标光纤段置于恒温箱中时的温度，即恒温箱的温度，此时该定标光纤段上一光纤点的斯托克斯光光强和反斯托克斯光光强的比值为第二光强比值，r为第一光强比值除以该第二光强比值，所述第一光强比值为根据所述温度传感光纤上一光纤点，从所述斯托克斯光光强矩阵和反斯托克斯光光强矩阵中的对应位置处，查找到的斯托克斯光光强和反斯托克斯光光强的比值例如，将温度传感光纤上20m的一段定标光纤段置于恒温箱中，恒温箱的温度即为t
ref
，此时采用本发明光强迹线实时采集装置仍然会获得斯托克斯光强矩阵和反斯托克斯光强矩阵，温度传感光纤上的各个光纤点与两个矩阵中的位置分别对应，对于维度为1*x的矩阵，在确定第二光强比值时，先从两个矩阵对应位置处分别查找到斯托克斯光强和反斯托克斯光强，再将两个光强相除；同样地，在正式开始采集光强迹线，确定温度传感光纤上各个光纤点的实际温度时，针对位置传感光纤上的各个光纤点，为了确定第一光强比值，也可以先从两个矩阵对应位置处分别查找到斯托克斯光强和反斯托克斯光强，然后将两个光强相除。
[0095]
在一个例子中，可以将温度传感器划分为多个光纤段，而每个光纤段的长度均为1km。现有的温度传感器的空间分辨率只能达到米量级，最好约为1m，只能分辨出1m以上的温度时间，对于1m以下的温度时间不能准确测得，这就造成了温度迹线的失真，长距离传感时其空间分辨率会得到进一步恶化，且现有温度传感器的实时性不好。本发明可以实现0.5m的空间分辨率，空间分辨率不会因为传感长度的增加而出现不断恶化，且本发明方法简单，可以实时获取实际温度迹线。
[0096]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0097]
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。