基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)應用研究

黃 祥，甘孝清，李 強，曾祥進

（1．長江科學院a．工程安全與災害防治研究所；b．水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心；c．國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；2．武漢工程大學計算機科學與工程學院，武漢 430205）

基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)應用研究

黃 祥1a，1b，1c，甘孝清1a，1b，1c，李 強1a，1b，1c，曾祥進2

（1．長江科學院a．工程安全與災害防治研究所；b．水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心；c．國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；2．武漢工程大學計算機科學與工程學院，武漢 430205）

傳統(tǒng)的水庫水溫監(jiān)測將大壩上游壩面混凝土內(nèi)部的點式溫度測值近似為庫水溫度，存在一定的誤差，且測點數(shù)量有限。基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)具有抗電磁干擾、抗腐蝕、電絕緣、高靈敏度、低成本以及可實現(xiàn)空間上連續(xù)分布測量等優(yōu)點。從光時域反射、拉曼散射及散射光解調(diào)原理等方面研究了基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)的測溫原理，并將該系統(tǒng)應用于長江三峽水利樞紐壩前庫水溫度監(jiān)測中，對分布式光纖的布置、安裝及觀測等展開了研究。庫水溫度監(jiān)測成果顯示，三峽水庫壩前庫水溫度沿水深方向的分布沒有明顯的分層現(xiàn)象，庫水溫度隨氣溫變化而變化，最高庫水平均溫度約27℃，發(fā)生在8月，最低庫水平均溫度約10℃，發(fā)生在2月。基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)在三峽水利樞紐中的成功應用，表明該技術(shù)可以較好地應用于高壩大庫的庫水溫度監(jiān)測，具有一定的推廣應用價值。

拉曼散射；分布式光纖；光纖時域反射；庫水溫度

1 研究背景

分布式光纖自問世以來，已廣泛應用于光纖傳感領(lǐng)域。由于分布式光纖傳感器除了具有抗電磁干擾、抗腐蝕、電絕緣、靈敏度高、可靠性好、使用壽命長、低成本以及和普通光纖的良好兼容性等優(yōu)點外，還能獲取被測效應量在光纖傳感區(qū)域內(nèi)的空間分布情況，因此越來越受到人們的關(guān)注。分布式光纖測溫技術(shù)在水利水電工程中常用于混凝土溫度監(jiān)測、土石壩滲流監(jiān)測等，其中混凝土溫度監(jiān)測在三峽水利樞紐、溪洛渡、景洪、水布埡等多個工程中進行了應用，取得了較好的效果。雖然分布式光纖測溫技術(shù)的工程應用較多，但其在國內(nèi)外仍處于探索研究階段。

水庫水溫既是水域生態(tài)環(huán)境水質(zhì)參數(shù)的重要指標，也是壩工設計和運行管理的重要安全參數(shù)，對庫水溫度進行監(jiān)測是非常必要的。傳統(tǒng)的水庫水溫監(jiān)測方法主要是以間接測量為主，即通過在大壩上游壩面混凝土內(nèi)部埋設的點式溫度計來獲得水庫水溫。這種測溫方式在技術(shù)先進性和經(jīng)濟優(yōu)越性方面均存在明顯的不足之處：首先是這種間接測溫方法所測得的溫度不是真實的水溫，由于溫度計埋點距離壩面有一定的距離，其測量結(jié)果與真實的水庫水溫必然存在一定的差異；其次是點式測量所取得的溫度信息量有限，不能在空間上實現(xiàn)連續(xù)分布，且投入大、成本高、不易維護。

為了拓展分布式光纖在水利水電工程中的應用范圍，解決傳統(tǒng)的水庫水溫監(jiān)測方法存在的缺陷，本文將基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)應用于三峽水庫水溫監(jiān)測中，并開展了相關(guān)研究。

2 基于拉曼散射的分布式光纖測溫原理

基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種能夠在整根光纖上測量出沿光纖走向的連續(xù)空間溫度場分布的儀器裝置，其中光纖既是溫度的測量傳感器，也是信號的傳輸介質(zhì)。系統(tǒng)的測量原理主要是利用光纖光時域反射（Optical Time Domain Reflectometry，簡稱OTDR）理論和后向拉曼散射（Raman Back Scattering）溫度效應。利用光時域反射理論可以實現(xiàn)對測溫點的定位，是典型的激光雷達系統(tǒng)；利用后向拉曼散射溫度效應可以實現(xiàn)溫度的感知和度量，是典型的光纖通信系統(tǒng)［1］。

2．1 光時域反射原理

1980年羅杰斯首次提出了利用光時域反射原理和偏振光源來實現(xiàn)分布式的溫度測量［2］。光時域反射基本原理見圖1。半導體脈沖激光器發(fā)出一系列脈沖光，經(jīng)定向耦合器進入光纖，來自被測光纖的部分后向散射光再次經(jīng)過定向耦合器傳輸?shù)焦怆姸O管組成的探測器中轉(zhuǎn)換為電信號。當窄帶光脈沖被注入到光纖中去時，利用激光雷達原理，該系統(tǒng)通過后向散射光強隨時間變化的關(guān)系來檢查光纖的連續(xù)性并測出其衰減。

圖1 OTDR基本原理圖Fig．1 Schematic of OTDR princip le

設注入光纖的激光功率為P0，考慮到光纖損耗引起光信號的指數(shù)衰減，同時假設光纖由能量為1J的光脈沖激發(fā)，則沿光纖傳輸?shù)絲處所接收到的時變后向散射光功率隨距離z變化的公式為

式中：αs（z）為光纖在z處的散射分量；αf（z）和αb（z）分別為前向、后向的總衰減系數(shù)；Vg是波導的群速度，積分表示波導中至該點距離為z處的雙程衰減，同時由于定向耦合器具有3dB損耗而引入了乘積因子0．5。

與傳統(tǒng)的雷達系統(tǒng)一樣，距離z與雙程傳輸時間t直接相關(guān)。在光纖中，t由下式給出，

若光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)沿軸向均勻時（假定衰減系數(shù)為α，光脈沖在光纖中的折射率為n1，在真空中的傳播速度為c），即αf（z）與αb（z）相同，則

將式（2）代入式（3）中可得由式（4）可知，接收到的光功率是時間的函數(shù)，由式（2）可知，時間不同對應著不同的光纖位置，即光電探測器檢測到的光功率是光纖的位置的函數(shù)，光纖的不同位置的光功率都可以被光電探測器檢測到。隨著z的不斷增大，光電探測器就實現(xiàn)了對沿光纖分布待測場的空間分布式測量［3］。

2．2 拉曼散射測溫原理

眾所周知，當光入射到光纖中時，會發(fā)生散射現(xiàn)象，這主要是由光纖的非結(jié)晶材料在微觀空間的顆粒狀結(jié)構(gòu)和玻璃中存在的像氣泡這種不均勻所引起的。各種散射的分布情況見圖2。散射可分為彈性散射和非彈性散射2種，其中彈性散射主要包括瑞利（Rayleigh）散射；非彈性散射有拉曼（Raman）散射和布里淵（Brillouin）散射［4］。拉曼散射對溫度較為敏感；瑞利散射對溫度不敏感；布里淵散射對溫度和應力都敏感，容易受到外界環(huán)境的干擾，影響測量的準確度［5］?；诶⑸涞姆植际焦饫w系統(tǒng)在溫度測量上具有較大的優(yōu)勢。

圖2 光纖中的后向散射Fig．2 Back scattering in the optical fiber

當激光脈沖在光纖中傳播時，由于光纖分子的熱振動和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生能級躍遷，產(chǎn)生拉曼散射。拉曼散射過程的能級躍遷如圖3所示［6］。圖中E1，E2分別表示分子振動的基態(tài)和激發(fā)態(tài)。假定注入光纖的激光頻率為υ0，光子的能量為hυ0；當振動基態(tài)E1的分子吸收入射光子能量hυ0后被激發(fā)到虛態(tài)，然后躍遷到振動激發(fā)態(tài)E2釋放出能量為h（υ0－Δυ）的散射光子，其頻率為υ0－Δυ，這種散射稱為斯托克斯（Stokes）散射；而處于振動基態(tài)E2的分子吸收入射光的能量激發(fā)到虛態(tài)，然后向振動基態(tài)E1躍遷，產(chǎn)生能量為h（υ0＋Δυ）的散射光，其頻率為υ0＋υ，這種散射稱為反斯托克斯（Anti-Stokes）散射。

圖3 拉曼散射過程示意圖Fig．3 Process of Ram an scattering

在頻域里，斯托克斯拉曼散射光子頻率為

反斯托克斯拉曼散射光子頻率為

式中：υ0為光纖分子的振動頻率；Δυ為光纖聲子頻率，Δυ＝1．32×1013Hz。

在光纖L處局域的Stokes拉曼散射光子通量為

在光纖L處局域的Anti-Stokes拉曼散射光子通量為

式中：Ψe為入射到光纖的激發(fā)光子通量；βs，βas為與光纖Stokes散射和Anti-Stokes散射截面有關(guān)的系數(shù)；η為光纖的后向散射因子；α0，αs和αas分別為入射光、Stokes光及Anti-Stokes光的光纖傳輸損耗系統(tǒng)；L為待測點在光纖中所處的位置；Rs（T），Ras（T）為與光纖分子低能級和高能級上的布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)，與局域光纖的溫度有關(guān)。

式中：h為普朗克常數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)。

反斯托克斯散射光對溫度敏感，其強度受溫度調(diào)制；而斯托克斯散射光強度也與溫度有一定的關(guān)系，但受溫度影響很小。

2．3 解調(diào)原理

目前較常用的解調(diào)方法是利用Stokes散射解調(diào)Anti-Stokes散射的方法，將Anti-Stokes光作為信號通道，將Stokes光作為參考通道。利用這種方法可以消除因光源波動而產(chǎn)生的誤差，同時由于激光功率沿光纖的損耗較小，測量距離可達數(shù)十公里。

由式（7）至式（10）可得

當T＝T0（參考溫度）時，式（11）為

式（11）除以式（12），可得

由式（13）可解算得到光纖任意點處的溫度T。由此可見，溫度僅與測量光纖中Stokes光與Anti-Stokes光的強度比值有關(guān)，而與光源強度、光注入光纖的條件、光纖幾何尺寸、光纖結(jié)構(gòu)等無關(guān)。

3 工程應用

3．1 應用背景

國內(nèi)外壩工建設經(jīng)驗表明，在河流上修建大壩形成水庫，水庫蓄水后帶來了防洪、發(fā)電、航運、灌溉、旅游等綜合效益，但同時由于水庫蓄水，將改變庫區(qū)及下游河段的水文情勢和水環(huán)境狀況，水溫是水質(zhì)因素的一個重要變量，在確定其他水質(zhì)指標的過程中往往與水溫有關(guān)［7］?；诶⑸涞姆植际焦饫w測溫系統(tǒng)在混凝土溫度監(jiān)測中應用較多，本文將這一技術(shù)應用于庫水溫度監(jiān)測。

三峽工程壩高185 m，總庫容393億m3，是典型的高壩大庫。自2003年6月上旬開始，經(jīng)歷了135，156，172，175 m 4個階段性的庫水位抬升過程。水庫蓄水后因水體流速變緩，將對近壩區(qū)的水環(huán)境及水域生態(tài)系統(tǒng)造成影響。因此，對三峽壩前水庫水溫進行監(jiān)測是很有必要的，對今后水庫的運行管理具有指導意義。

根據(jù)三峽工程高壩大庫的實際特點和設計階段水庫水溫垂向分布的預測情況，要想測量三峽水庫的壩前水溫，分布式光纖測溫技術(shù)無疑具有獨特的適宜性。首先是水庫水深大，需要測量的信息量大；其次是目前水庫水位較高，在目前條件下對水溫進行測量，對測量手段的實施有很大難度；再次是便于讓測溫結(jié)果實時可視化和遠距離傳輸?；谏鲜鰩c考慮，將分布式光纖測溫技術(shù)應用于三峽庫水溫度監(jiān)測。

3．2 分布式光纖布置與安裝

三峽水庫屬于典型的高壩大庫，自建庫以來，經(jīng)歷了多個階段的庫水位抬升過程。為監(jiān)測水庫正常蓄水后的壩前水庫水溫及其變化情況，在左廠14－2＃壩段樁號48＋672．7至48＋680．5范圍內(nèi)壩前布設了1條分布式光纖測溫垂線，測溫光纖為Corning公司生產(chǎn)的四芯多模鎧裝光纜，解調(diào)儀采用美國SensorTran公司生產(chǎn)的機架式DTS5100－10M，具體布置見圖4［8］。

為了順利安裝光纜，先在壩面頂部安裝好定滑輪及不銹鋼鋼絲繩（鋼絲繩長度通過水下機器人探查出庫底高程后確定），鋼絲繩底部末端懸掛鑄鐵沉重塊（0．8 t）之后，再將測溫光纜綁扎在鋼絲繩上。測溫光纜從庫底42 m高程沿上游壩面垂直安裝并延伸至壩頂185 m高程，由于目前尚無光纖傳感器的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，參照傳統(tǒng)監(jiān)測儀器的溫度率定方法，對測溫光纜進行了溫度和長度率定。值得注意的是，為了保證測量成果質(zhì)量，觀測過程中須嚴格遵守光纖解調(diào)儀的操作規(guī)程。

圖4 壩前水庫測溫光纖布置Fig．4 Layout of optical fiber in front of the dam

3．3 庫水溫度監(jiān)測成果

分布式光纖測溫系統(tǒng)于2009年9月三峽庫水位首次抬升至172 m高程前完成安裝，并開始首次觀測，后持續(xù)觀測至今。水庫調(diào)度運行期間的壩前庫水溫度監(jiān)測成果見圖5。

圖5 壩前水庫水溫分布Fig．5 W ater temperature distribution in front of the dam

監(jiān)測成果表明：

（1）與常規(guī)水庫水溫分布存在明顯分層的現(xiàn)象不同，三峽水庫壩前庫水溫度分布未見明顯的分層現(xiàn)象，沿高程方向庫水溫度相差較小，從庫底至水面溫差小于2℃，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是受水庫調(diào)度運行的影響；

（2）庫水溫度變化主要受氣溫影響，高溫季節(jié)庫水溫度高，低季節(jié)庫水溫度低，每年8—9月溫度最高，平均約27℃，每年2—3月溫度最低，平均約10℃；

（3）庫水溫度變化比氣溫變化滯后約1個月，氣溫最高發(fā)生在7月下旬，庫水溫度最高發(fā)生在8月底9月初；氣溫最低發(fā)生在1月，庫水溫度最低發(fā)生在2月底3月初。

4 結(jié) 語

（1）單根光纖利用光時域反射理論可以實現(xiàn)對整根光纖上任意點的空間定位，因而用于溫度測量時具有空間連續(xù)性，體現(xiàn)了分布式的特點。

（2）3種散射中，瑞利散射對溫度不敏感，布里淵散射對應變和溫度都很敏感且存在交叉敏感問題，唯有拉曼散射既對溫度敏感，又不受外界干擾，非常適宜用于分布式光纖溫度測量。

（3）三峽水庫壩前庫水溫度分布沒有明顯的分層現(xiàn)象，庫水溫度隨氣溫變化而變化，最高庫水平均溫度約27℃，發(fā)生在8月，最低庫水平均溫度約10℃，發(fā)生在2月。

（4）與點式溫度監(jiān)測的方法相比，基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)具有抗電磁干擾、抗腐蝕、電絕緣、高靈敏度、低成本以及可實現(xiàn)空間上連續(xù)分布測量等優(yōu)點，可較好地應用于高壩大庫的庫水溫度監(jiān)測。

（5）基于拉曼散射的分布式光纖測溫技術(shù)在三峽大壩庫水溫度監(jiān)測中的成功應用，既拓展了分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的應用范圍，又驗證了三峽水庫正常蓄水后的庫水溫度變化規(guī)律預測，為壩工設計和大壩運行管理提供了寶貴的技術(shù)資料。

［1］ 翟延忠，趙玉明，許舒榮，等．分布式光纖測溫系統(tǒng)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2007，（9）：36－38．（ZHAI Yan-zhong，ZHAO Yu-ming，XU Shu-rong，et al．Distributed Optical Fiber Temperature Measurement System［J］．Instrument Technique and Sensor，2007，（9）：36－38．（in Chinese））

［2］ CULSHAW B，DAKIN J．光纖傳感器［M］．李少琴，寧雅農(nóng)，李志高，等譯．武漢：華中理工大學出版社，1997：8－9．（CULSHAW B，DAKIN J．Optical Fiber Sensors［M］．Translated by LI Shao-qin，NING Yanong，LIZhi-gao，et al．Wuhan：Huazhong University ofScience and Technology Press，1997：8－9．（in Chinese））

［3］ 孫圣和，王廷云，徐 穎．光纖測量與傳感技術(shù)［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000：11－12．（SUN Sheng-he，WANG Ting-yun，XU Ying．Optical Fiber Measuring and Sensing Technique［M］．Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2000：11－12．（in Chinese））

［4］ 劉 揚，侯思祖．基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)的分析研究［J］．電子工程設計，2009，17（1）：23－25．（LIU Ynag，HOU Si-zu．Analysis and Study of the Distributed Fiber Temperature Detecting System Based on Raman Scattering［J］．Electronic Design Engineering，2009，17（1）：23－25．（in Chinese））

［5］ 趙玉明，李長忠，翟延忠，等．基于拉曼散射分布式光纖測溫系統(tǒng)的理論分析［J］．計量學報，2007，28（3A）：15－18．（ZHAO Yu-ming，LI Chang-zhong，ZHAIYan-zhong，etal．Analysis of the Distributed Optical Fiber Temperature Measuring System Base on Raman Backscatter［J］．Acta Metrologica Sinica，2007，28（3A）：15－18．（in Chinese））

［6］ 張 穎，張 娟，郭玉靜，等．分布式光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀及趨勢［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2007，（8）：1－3．（ZHANG Ying，ZHANG Juan，GUO Yujing，et al．Current Status and Developing Trend of Distributed Optical Fiber Temperature Sensor［J］．Instrument Technique and Sensor，2007，（8）：1－3．（in Chinese））

［7］ 張仙娥，周孝德，臧 林．水庫水溫研究方法述評［J］．水資源與水工程學報，2006，17（3）：1－4．（ZHANG Xian-e，ZHOU Xiao-de，ZANG Lin．Discussion on Research Methods for the Water Temperature in Reservoir［J］．Journal of Water Resources＆Water Engineering，2006，17（3）：1－4．（in Chinese））

［8］ 黃 祥，廖勇龍．長江三峽水利樞紐壩前水庫及升船機塔柱光纖測溫工程——2009年度工作及資料分析報告［R］．武漢：長江科學院，2009．（HUANG Xiang，LIAO Yong-long．Report on theWork and Data Analysis of 2009 Temperature Monitoring for the Reservoir in Front of the Dam and the Ship Elevator Towers of Three Gorges Project［R］．Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2009．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Application of Distributed Optical Fiber Tem perature M easuring System Based on Raman Scattering

HUANG Xiang1，GAN Xiao-qing1，LIQiang1，ZENG Xiang-jin2
（1．Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．School of Computer Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China）

By traditional method of monitoring reservoir water temperature，the concrete temperature on the upstream surface of dam（which ismeasured by point thermometer inside the concrete）is taken as the water temperature．Errors are caused and the gauging points are limited．On the contrary，the distributed optical fiber（DOF）temperature measuring temperature system based on Raman scattering has resistance to EMI（electromagnetic interference），resistance to corrosion，electric insulation，high sensitivity，low cost，and can implement continuous spatial distributed measurement．We have applied thismeasurement system to the Three Gorges reservoirwater temperaturemonitoring and studied its principle from perspectives of Optical Time Domain Reflectrometry（OTDR），Raman Scattering and scattering-light demodulation．Monitoring results show that the reservoir water temperature in front of the Three Gorges dam varies with atmospheric temperature with no obvious stratification along the water depth direction．The maximum average temperature is nearly 27℃in August and the minimum is 10℃in February．

Raman scattering；distributed optical fiber；OTDR；reservoir water temperature

TP212．14；TP211．9

A

1001－5485（2013）02－0092－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．020

2012－03－11；

2012－09－28

國家大壩安全工程技術(shù)研究中心課題（2011NDS005）；水利部948推廣項目（201123）

黃 祥（1977－），男，湖北孝感人，高級工程師，主要從事水利水電工程安全監(jiān)測及研究工作，（電話）027－82829878（電子信箱）64375＠sina．com。