基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)研究與應(yīng)用

趙 浩 肖 愷 李 平 黎載紅 羅巧梅

（1.平湖波匯通信科技有限公司，浙江 平湖314200；2.上海波匯通信科技有限公司，中國 上海200120）

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的第三次信息技術(shù)革命，將成為下一個萬億級美元以上的產(chǎn)業(yè)，傳感技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)中的物理感知和數(shù)據(jù)采集層，為物聯(lián)網(wǎng)提供最基礎(chǔ)的物理信息數(shù)據(jù)，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心?；诶⑸涞姆植际焦饫w測溫系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備，可以利用光纖作為溫度信號的傳導(dǎo)介質(zhì)，測量沿光纖走向的連續(xù)空間內(nèi)溫度場的分布情況。通過高速采集卡采集攜帶溫度信息的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進行同步累積，數(shù)字累加和小波變換的處理，去除噪聲的干擾，并通過OTDR 解調(diào)準確地得出光纖沿線上任一點被測量在時間和空間上的信息分布，具有抗電磁干擾強、靈敏度高、耐腐蝕、本征安全、測量距離長、定位精度高、使用壽命長等優(yōu)勢。

1 分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理

基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器是基于光纖內(nèi)部的拉曼散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測量技術(shù)（OTDR），將較高功率帶電光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強隨時間的變化探測下來。分布式光纖溫度傳感器基于背向散射或者前向散射機理，其中背向散射具有溫度測量的實際意義，若能測量出背向散射光的強度，就可以計算出反射點的溫度，這就是利用光纖測量溫度的基本原理[1-2]。

入射光子與介質(zhì)分子在光纖纖芯介質(zhì)材料密度的成分起伏和微觀變化等因素的影響下，二者相互作用，入射光中光子與分子由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)而發(fā)生非線性碰撞。光子與分子之間在非彈性過程中發(fā)生能量交換，光子不僅改變了運動的方向，同時光子的部分能量傳遞給分子，或者分子振動和轉(zhuǎn)動的部分能量傳遞給光子，從而改變了光子的頻率，這就是拉曼散射[2]。

因為光纖具有一定的長度，且拉曼散射是產(chǎn)生在光纖中的每一個微觀點的，所以如何確定我們探測到的拉曼散射在光纖中發(fā)生的位置就需要用到光時域反射技術(shù)[3-5]。

光時域反射技術(shù)（OTDR）最初用于評價光學(xué)通信系統(tǒng)中光纖、光連接器等的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的有效手段，同時也是分布式光纖傳感器的基礎(chǔ)[6]。光源發(fā)射出一系列的激光脈沖進入光纖中，它們會在光纖中產(chǎn)生背向散射。在時域中，入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需的時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，2L=v*t，v=C/n，其中v 為光在光纖中的傳播速度、C 為真空中的光速、n 為光纖折射率。在測得時刻t 時，就可求的距離光源L 處的距離。

圖1 OTDR 原理框圖

圖1 中的主時鐘產(chǎn)生標準時鐘信號，脈沖發(fā)生器根據(jù)這個時鐘產(chǎn)生符合要求的窄脈沖，并且它來調(diào)制光源；光定向耦合器將光源發(fā)出的光耦合到被測光纖，同時將散射和反射信號耦合進行光檢測器，經(jīng)放大及信號處理后送入示波器，顯示輸出波形及在數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)輸出的有關(guān)數(shù)據(jù)。要進行信號處理的原因是后向散射光非常微弱，淹沒在噪聲中，只有采用取樣積分器對微弱散射光進行取樣求和，隨機噪聲抵消，才能將散射信號取出。

2 系統(tǒng)主要功能

1）實時數(shù)據(jù)采集：能夠?qū)崟r的采集光纜沿途的溫度，形成實時數(shù)據(jù)庫。

2）實時數(shù)據(jù)顯示：顯示電纜的實時溫度[7]。

3） 升溫速率報警： 當(dāng)電纜達到用戶要求設(shè)置的升溫速率預(yù)訂值時，可以報警、指出報警電纜處位置、數(shù)據(jù)存儲和打印[8]。

4）超溫報警：根據(jù)用戶要求設(shè)置報警和預(yù)警溫度警戒值，并且可實現(xiàn)電纜分段報警，對電纜的不同部分實施不同標準的報警設(shè)置。

5）特性曲線顯示：包括某一時段電纜某點的溫度變化曲線、某時段電纜溫度變化曲線、某時段電纜某點的最高溫度變化曲線和某日電纜最高溫度分布曲線等。

6）歷史數(shù)據(jù)顯示：用戶可以通過歷史數(shù)據(jù)查詢得到電纜某時刻溫度、某日電纜某點的溫度、某時刻電纜某點的溫度、某日電纜最高溫度及某時刻電纜某點的最高溫度。

7）遠程監(jiān)控：通過Internet 可對現(xiàn)場設(shè)備實施遠程監(jiān)控、診斷和維修等。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作機理

基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)分為硬件與軟件兩大部分（見圖2）。硬件主要有激光器、雙向耦合器、光電雪崩二極管、放大器、信號采集處理卡、DTS 主計算機和工控機等組成。軟件由采集端程序和分析段程序組成，分別運行在兩臺PC 機上，通過TCP/IP 協(xié)議完成通信。采集端程序運行平臺通過與信號處理卡通信，讀取卡狀態(tài)、相關(guān)數(shù)據(jù)，通過運算，計算得出電纜各點的溫度值，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到分析端，同時在界面顯示；分析端程序運行平臺通過Internet 接收所采集的溫度數(shù)據(jù)，通過運算，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報警值，產(chǎn)生報警并在圖形界面顯示，所采集的數(shù)據(jù)同時被存入相應(yīng)的實時數(shù)據(jù)庫。傳感光纜既是傳輸載體優(yōu)勢傳感媒體，可以把監(jiān)測對象的溫度的實時情況反饋到主機。

圖2 基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工作機理：當(dāng)被監(jiān)測對象發(fā)生溫度變化時，傳感電纜會感受大溫度的變化并隨之改變。光纖中背向散射光的強度被調(diào)制，并被波分復(fù)用器分開成斯托克斯光宇反斯托克斯光，光電雪崩二極管和放大器分別對這兩種光進行接收放大處理，然后經(jīng)信號采集處理卡后，由DTS主計算機進行解調(diào)和數(shù)據(jù)處理，將被測對象上各點的溫度信息實時地提取并存儲。由工控機對這些數(shù)據(jù)進行管理，以實現(xiàn)分析、報警。實時顯示和查詢等功能。

4 工程應(yīng)用

本系統(tǒng)被某省電力公司安裝在220kV 玉賢至七里廟輸電線路上，實現(xiàn)對2 回路（玉墨一回、玉墨二回）中的四根電纜（每根電纜長度約5.6km）的表面溫度信息的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、遠程監(jiān)控等功能，從系統(tǒng)主要功能上分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集端相當(dāng)于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲。監(jiān)控端相當(dāng)于終端負責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行圖形化展示、監(jiān)測、查詢、分析。通過實時溫度監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在危險，發(fā)出報警信息，避免電力事故發(fā)生，提高電纜的運行安全性和可靠性。

待工程施工及軟件配置完成后，系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)，通過觀察監(jiān)控界面（見圖3）的實時數(shù)據(jù)，可以時刻掌握被測電纜的運行狀態(tài)。

圖3 分布式光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)控界面截圖

圖4 玉墨1 回路A 相電纜溫度實時曲線

圖5 玉墨1 回路C 相電纜溫度實時曲線

圖6 玉墨2 回路A 相電纜溫度實時曲線

圖7 玉墨2 回路C 相電纜溫度實時曲線

圖4-圖7 顯示了項目名稱、 工控機CPU 的使用率與內(nèi)存的使用率、DTS 分布式距離至用戶對象距離的映射圖、 玉墨1 回路A 相和C的分布式溫度信息、玉墨2 回路A 相和C 相的分布式溫度信息、通過觀察這些信息，可隨時掌握電纜的運行溫度、溫度曲線等狀態(tài)信息。

一旦電纜的發(fā)生局部過熱，將在監(jiān)控界面上顯示出溫度異常信息，彈出報警信息框，并且觸發(fā)聲光報警器，啟動短信模塊，發(fā)出報警信息。

通過分布式光纖測溫系統(tǒng)對電纜運行狀態(tài)的溫度信息進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，采用多種報警方式提醒用戶，以便盡早采取行動，避免事故發(fā)生。

5 結(jié)論

基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崟r提供待測對象全程的表面溫度、導(dǎo)芯溫度、接頭溫度等信息，且具有抗干擾、本征安全、測量距離遠、精度高、定位準等優(yōu)勢，是電力電纜、橋梁、隧道等領(lǐng)域在線狀態(tài)監(jiān)測的最佳手段。通過在電纜上安裝分布式光纖測溫系統(tǒng)，能夠為用戶提供電纜實時運行狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)潛在異常點，實現(xiàn)故障早期預(yù)警，防止和杜絕電力事故發(fā)生，保證監(jiān)控對象運行的安全性和可靠性。

［1］劉媛,張勇,雷濤,等.分布式光纖測溫技術(shù)在電纜溫度監(jiān)測中的應(yīng)用[J].山東科學(xué),2008,21(6)：50-54.

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［3］張在宣,張步新,陳陽.光纖背向激光自發(fā)啦曼散射的溫度效應(yīng)研究[J].光子學(xué)報,1996,25(3)：273-278.

［4］陳軍,李永麗.應(yīng)用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及自動化學(xué)報,2005,17(3)：47-49.

［5］何明科,張佩宗,李永麗.分布式光纖測溫技術(shù)在電力設(shè)備過熱監(jiān)測中的應(yīng)用[J].電力設(shè)備,2007,8(10)：30-32.

［6］彭超,趙建康,苗付貴.分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在線監(jiān)測電纜溫度[J].高電壓技術(shù),2006,8(32)：43-45.

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［8］郭兆坤,鄭曉亮,陸兆輝,等.分布式光纖溫度傳感技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報,2008,3(5)：543-546.