《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
楊 洋
1.河北省儀器儀表產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,，河北 承德067000,；2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心，河北 承德067000
摘要： 分析了拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光比值與溫度分布的關(guān)系，并給出光時域反射距離定位解析表達(dá)式,，設(shè)計出分布式光纖測溫系統(tǒng),，并通過室內(nèi)和室外試驗(yàn)對儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。室內(nèi)對恒溫槽的水溫進(jìn)行測量,，其最大測量誤差為0.25 ℃,；室外實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在沈陽市郊某大橋上游河灘上，對埋入地下的四層光纖進(jìn)行注水并測溫,，通過傳感光纖,，各層溫度變化情況能得到很好反映。
中圖分類號： TN253
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172507
中文引用格式： 楊洋. 基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2017,，43(12)：59-60，64.
英文引用格式： Yang Yang. Research and implementation of distributed optical fiber temperature measurement system based on Raman scattering[J].Application of Electronic Technique,，2017,，43(12)：59-60，64.
Research and implementation of distributed optical fiber temperature measurement system based on Raman scattering
Yang Yang1,，2
1.Hebei Instrument & Meter Industry Technology Research Institute,，Chengde 067000，China,； 2.Hebei Instrument & Meter Engineering Technology Research Center,，Chengde 067000，China
Abstract： This paper analyzes light ratio and temperature distribution of the Stokes and anti Stokes Raman scattering light, gives the optical time domain reflection distance positioning analytical expression, designs the distributed optical fiber temperature measurement system, and verifies the stability and accuracy of instrument through indoor and outdoor tests. Through thermostatic bath water temperature indoor measurement, the maximum measurement error is 0.25 ℃. The outdoor experiment sites suburb of a bridge upstream of the beach in Shenyang, the four layer of water temperature and fiber buried underground, through the sensing fiber, the temperature change can be well reflected.
Key words : fiber,；Raman scattering,；distributed；temperature measurement system

0 引言

    目前,，大電網(wǎng),、超高壓、自動化,、大容量是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的方向,，監(jiān)測地下電纜的溫度可進(jìn)行電網(wǎng)輸配電能力的優(yōu)化，這種需求增長迅速[1],。地下的電網(wǎng)系統(tǒng)在正常的極限設(shè)計當(dāng)中不會出現(xiàn)負(fù)載運(yùn)行的情況,，但是社會發(fā)展隨之而來的就是社會用電量增大，在相應(yīng)情況下電網(wǎng)的負(fù)載也越來越大,，各種各樣的設(shè)備和系統(tǒng)相連接,，使得事故發(fā)生的概率增大了，可能造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2],。在線監(jiān)測系統(tǒng)下,，電纜事故隱患可降低或徹底消除,，在今后，溫度監(jiān)測系統(tǒng)對電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測將會普及[3],。分布式光纖的溫度檢測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電纜在線檢測的一個好方法,，在進(jìn)行常規(guī)測量時能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)測量和在線測量，有效解決電纜出現(xiàn)的燃燒,、高溫,、火災(zāi)、爆炸等事故,，應(yīng)用前景非常廣泛[4]。本文設(shè)計出分布式光纖測溫系統(tǒng),，并通過室內(nèi)和室外試驗(yàn)對儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,。

1 測溫系統(tǒng)的方案設(shè)計

1.1 光纖分布式測溫的實(shí)現(xiàn)過程

    圖1為分布式光纖測溫系統(tǒng)框圖。在圖1中,，光纖具有傳感器和傳輸介質(zhì)兩個作用,。系統(tǒng)的組成包括光學(xué)部分、信號采集部分,、信號處理部分,。光學(xué)部分組成包括激光發(fā)射、脈沖驅(qū)動電源,、光電檢測,、波分復(fù)用器（WDM）、傳感光纖,；信號采集和處理部分組成包括模數(shù)轉(zhuǎn)換,、信號放大、數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理,。在進(jìn)行傳感光纖布置時，布置方向?yàn)殡娎|長度的方向,，啟動計算機(jī)控制的電路脈沖,，將會使得電流源和半導(dǎo)體激光器被驅(qū)動起來從而進(jìn)行工作。通過波分復(fù)用器WDM輸出LD,，光纖中被射入激光,。根據(jù)現(xiàn)場的具體實(shí)際情況，其溫度信息會由拉曼散射光攜帶,，散射光的采集由光電二極管（APD）進(jìn)行,，完成光電間的轉(zhuǎn)換。因拉曼散射光較弱,，采用放大器對拉曼散射光信號放大處理,。測量結(jié)果通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，形成數(shù)字量。監(jiān)控系統(tǒng)可以借助主機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和監(jiān)測,。

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1.2 數(shù)據(jù)采集和處理

    散射光信號較弱是拉曼散射測溫系統(tǒng)的主要缺點(diǎn),，散射光信號約為入射光的0.93%，信噪比非常小,，在噪聲中,，幾乎完全淹沒了測量信息，信號處理單元以DSP系統(tǒng)為核心,，主要是對光電檢測器輸出信號進(jìn)行放大,、采樣和處理，并將溫度解調(diào)出,。在噪聲條件下,，對放大微弱信號幅值進(jìn)行有效抑制是數(shù)據(jù)處理的核心。

1.2.1 拉曼散射信號的特點(diǎn)

    拉曼散射信號信噪比較低,，在噪聲中,，有用溫度信息會被淹沒；有用溫度信息具有較低頻率,，噪聲具有較高頻率,；信號噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)端大，近端小,。因此,，系統(tǒng)提出使用將小波分析和累加平均結(jié)合的方法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣得到的溫度信號更為準(zhǔn)確,。 

1.2.2 信號預(yù)處理

    在光纖測溫系統(tǒng)中,，噪聲具有零均值統(tǒng)計特性，系統(tǒng)中的低頻噪聲干擾可通過數(shù)字累加的方式將其去除,，通過噪聲的統(tǒng)計特性進(jìn)行降噪,。通過數(shù)字平均的方法處理信號，提高信噪比,，在DSP內(nèi)存單元中,，依次對一次測量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，對于下一次測量的N點(diǎn)數(shù)據(jù),，將其與內(nèi)存對應(yīng)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行相加,，然后將其放回原內(nèi)存單元，這樣的循環(huán)進(jìn)行M次,，然后各單元進(jìn)行求平均,。通過將每次測量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)以向量形式表達(dá)，用式(1)表示第i次測量結(jié)果：

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1.2.3 測溫實(shí)驗(yàn)

    在1 km長的光纖中,，將兩個光纖點(diǎn)A,、B加熱,，進(jìn)行本研究研制的分布式光纖測溫系統(tǒng)的溫度空間分布特性、拉曼光時域反射的測溫實(shí)驗(yàn),，在1 km長的光纖100 m（A點(diǎn)）,、500 m（B點(diǎn)）處，用2個55 ℃的熱源進(jìn)行點(diǎn)輻射加熱,，圖2為溫度點(diǎn)布置,。

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    通過實(shí)驗(yàn)測得，本研究研制的系統(tǒng)溫度測量長度范圍可達(dá)到0～12 km,，2 m為最小的采樣分辨率,，同時也是最小的空間分辨率。系統(tǒng)能夠測量在12 km范圍內(nèi)的電纜溫升情況,，同時還能夠?qū)ξ⑿厣闆r作預(yù)判,，方便后續(xù)維修工作。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

    室內(nèi)試驗(yàn)在恒溫的水槽中進(jìn)行,，其中放入一段多模光纖，加熱使水保持在26 ℃,、32 ℃,、38 ℃、44 ℃,、50 ℃,、56 ℃，將DTS測出的溫度值和實(shí)際的水溫進(jìn)行對比,，能夠得出其測量的精度較高,，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)需要。圖3為溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)圖,，可看出最大測量誤差為0.25 ℃,。

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2.2 室外實(shí)驗(yàn)

    試驗(yàn)地點(diǎn)為沈陽市郊某大橋上游河灘上，試驗(yàn)場地尺寸為6.5 m×6.5 m×6.5 m,，用于測溫的光纖是以蛇形分布被埋于地下的,，分為4個層次，每一層之間的間隔以米為單位,。水注射進(jìn)去之后實(shí)現(xiàn)溫度的測量保證光纖溫度的恒定,。從11:20:22開始注水試驗(yàn)，試驗(yàn)水溫17.4℃～16.1℃,，持續(xù)300 min,，在注水過程中，全程進(jìn)行溫度監(jiān)測,。從底部第四層開始鋪設(shè)光纖,，由上而下,，每層光纖長度分別為：105m～138m、71m～104m,、35m～70m,、0m～34m。在注水后,，選取A（13.10.22）,、B（16.10.22）、C（11.10.22）3個時間點(diǎn)的溫度進(jìn)行比較,，從圖4可看出,，通過傳感光纖，各層溫度變化情況能得到很好反映,。在地層深度不同時,，原溫度分布為規(guī)則階梯狀，在水流通道,、注水點(diǎn)處,，隨著注水的進(jìn)行，溫度出現(xiàn)異常,，比原溫度增高明顯,。在13:10:22時，曲線A整體溫度較高,，有一部分地理氣候原因,，同時和試驗(yàn)地較多礫石底層溫度較低也是密不可分的。第1層具有較高地溫,，在注水后,，周圍溫度變化較小，第2層,、第4層在注水點(diǎn)的周圍溫度升高的情況比較明顯,。分布式光纖的測溫技術(shù)既能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)分布式的溫度測量,，在實(shí)際應(yīng)用中非常方便,。

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3 結(jié)論

    本文對拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光比值與溫度分布的關(guān)系進(jìn)行了分析，并給出光時域反射距離定位解析表達(dá)式,，設(shè)計出分布式光纖測溫系統(tǒng),，并通過室內(nèi)和室外試驗(yàn)對儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。室內(nèi)對恒溫槽的水溫進(jìn)行測量,，其最大測量誤差為0.25 ℃,，室外實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在沈陽市郊某大橋上游河灘上，對埋入地下的四層光纖進(jìn)行注水并測溫,，通過傳感光纖,，各層溫度變化情況能得到很好反映,。

參考文獻(xiàn)

[1] 張汝山，吳碩,，涂勤昌,，等.高空間分辨率分布式光纖測溫系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[J].光學(xué)儀器，2015,，37(1)：79-83.

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[3] 楊斌,，田杰，江健武,，等.分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].光學(xué)儀器,，2013，35(1)：75-79.

[4] 麥曉明,，張曉明.分布式光纖在線測溫系統(tǒng)在高壓電纜中的應(yīng)用[J].廣東電力,，2014，27(5)：90-95.



作者信息：

楊  洋1,，2

（1.河北省儀器儀表產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,，河北 承德067000；2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心,，河北 承德067000）

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