分布式光纖測溫系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用

李志鵬郭 偉陳 雷

（1.北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，100037，北京；2.北京能高自動(dòng)化技術(shù)股份有限公司，100044，北京∥第一作者，助理工程師）

分布式光纖測溫系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用

李志鵬1郭 偉2陳 雷1

（1.北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，100037，北京；2.北京能高自動(dòng)化技術(shù)股份有限公司，100044，北京∥第一作者，助理工程師）

分布式光纖溫度測溫技術(shù)主要運(yùn)用了光的散射原理和光時(shí)域反射原理。分布式光纖溫度傳感技術(shù)應(yīng)用光纖作為傳感元件和傳輸介質(zhì)，能屏蔽強(qiáng)電磁場的干擾，適用于高壓輸電線路監(jiān)測。從提高測量精度的角度出發(fā)，提出探測單元溫度智能解調(diào)和信號優(yōu)化處理。設(shè)計(jì)了滿足城市軌道交通實(shí)際需要的溫升算法。該算法滿足城市軌道交通系統(tǒng)的實(shí)際需要，能獲取最佳的報(bào)警時(shí)間，有助于消除火災(zāi)隱患。

分布式光纖測溫；智能解調(diào)；溫升算法

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，電纜的埋地敷設(shè)方式正逐步取代傳統(tǒng)架設(shè)電線桿的輸電模式。電纜埋地敷設(shè)在美化城市的同時(shí)，也帶來了監(jiān)測困難和資源浪費(fèi)的問題。IEC 60287和IEC 60853對電纜的載流量計(jì)算做了明確規(guī)定，指出電纜埋地敷設(shè)位置的土壤熱阻和環(huán)境溫濕度決定著電纜的最大載流量［1-3］。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，電力電纜連續(xù)運(yùn)行溫度超過允許值的15%時(shí)，電纜的使用年限會(huì)縮短75%；即使僅僅超過8%，也足以削減其一半的正常使用年限。因此，為了保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行在最佳狀態(tài)，非常有必要對城市地下電纜裝設(shè)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)［4］。

城市軌道交通系統(tǒng)幾乎全部處于狹長的地下隧道中，交通環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾強(qiáng)，客流量極大，一旦發(fā)生火災(zāi)很難撲救和控制。為了保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)營、確保人身安全，火災(zāi)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制顯得極為重要［5］。同時(shí)，分布式光纖測溫系統(tǒng)能配合消防設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)報(bào)警和控制，適用于火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。

1 測溫原理選擇

分布式光纖溫度測溫技術(shù)的核心主要包括光的散射原理和光時(shí)域反射原理。光時(shí)域反射原理的理論基礎(chǔ)是后向散射法，它同時(shí)也是分布式測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)［6］。后向散射法通過測試光纖中的散射光信號時(shí)間來定位，并能確定指定點(diǎn)的衰減損耗。

激光射入光纖后，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，即傳播的光子與光纖生產(chǎn)時(shí)各種應(yīng)變力致使光纖內(nèi)部形成的一些分布不均的粒子之間相互作用。鑒于布里淵散射對激光器的頻率穩(wěn)定性及光源的控制系統(tǒng)要求很高，而瑞利散射光雖然強(qiáng)度很高但只有在某些特殊液態(tài)光纖中方可獲得較高的溫度靈敏度，嚴(yán)重限制了該技術(shù)的應(yīng)用。所以，目前的測溫原理基本上都是基于拉曼散射的，即應(yīng)用斯托克斯光解調(diào)反斯托克斯光。經(jīng)過調(diào)制后的散射光經(jīng)過波分復(fù)用器，得到斯托克斯光和反斯托克斯光；兩種散射光對溫度的相對靈敏度為0.104%、1.065%［7］，光強(qiáng)度之比約為4∶3。具體的強(qiáng)度和波長曲線如圖1所示。

根據(jù)2種散射光特性就能得到它們的光強(qiáng)比與溫度的定量關(guān)系，結(jié)合測溫系統(tǒng)內(nèi)部基準(zhǔn)溫度和相

應(yīng)的校正算法，即可得到實(shí)際溫度信息。

圖1 后向散射光光強(qiáng)-波長分布示意圖

2 傳感光纜要求

電力電纜的絕緣護(hù)套內(nèi)都有一層金屬鋼帶護(hù)套，具體的電力電纜結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力電纜結(jié)構(gòu)圖

光纜的塑料護(hù)套內(nèi)有一層金屬護(hù)鎧，當(dāng)電力電纜外護(hù)套破損時(shí)，較大的金屬護(hù)套感應(yīng)電流一旦和地鐵內(nèi)的導(dǎo)電體構(gòu)成通路，電纜護(hù)套內(nèi)不可避免地會(huì)形成環(huán)流，而光纜金屬鎧裝就會(huì)成為和電力電纜金屬護(hù)套或其它帶電體構(gòu)成環(huán)流的優(yōu)良導(dǎo)電體。采用塑質(zhì)光纜則可避免此類危險(xiǎn)的發(fā)生。塑質(zhì)光纜同樣可以承受35 k V以上的電壓，而且具有足夠的爬電距離。因此，光纜盡量采用非導(dǎo)電耐火塑質(zhì)材料，這樣就可以消除電纜線路的安全隱患，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 探測信號處理

待解調(diào)的信號光能量小、信號微弱，這與脈沖光源的功率有很大的關(guān)系。脈沖光源功率要做到精細(xì)可調(diào)，其最佳效果就是要在盡量提高脈沖激光器功率的同時(shí)去除受激拉曼散射對溫度解調(diào)造成的反作用。

采集卡和激光源的觸發(fā)方式建議選擇激光源控制采集卡。如果選用采集卡去同步觸發(fā)激光器的驅(qū)動(dòng)單元，則驅(qū)動(dòng)單元的脈沖發(fā)生電路決定著測量時(shí)間的準(zhǔn)確性，同時(shí)激光脈沖比較窄。通常這種窄帶脈沖是由電容放電產(chǎn)生的，該部分受電容容量的影響，而且時(shí)間抖動(dòng)也很大。而采用脈沖激光器去同步觸發(fā)采集卡，雖然存在相位同步問題，但是這個(gè)誤差最大也就是一個(gè)采集時(shí)鐘周期，非常有限。同時(shí)，為了保證解調(diào)曲線穩(wěn)定，去除抖動(dòng)現(xiàn)象，數(shù)據(jù)采集卡和脈沖激光器的公共接地點(diǎn)必須可靠性連接。

APD（雪崩光電二極管）模塊的主要功能是光電轉(zhuǎn)換和信號放大，考慮到采集的光信號十分微弱，所以該模塊要求雪崩光電二極管要兼顧高輸出增益和低噪聲輸出的特性。但是這樣的雪崩二極管對環(huán)境溫度變化和偏壓非常敏感。根據(jù)供應(yīng)商提供的資料，當(dāng)APD兩端所加的偏置電壓一定時(shí)，增益的大小隨著溫度的升高衰減增大，而且是近視指數(shù)衰減；而APD兩端所加的偏置電壓跟環(huán)境溫度的關(guān)系近似線性。因此，可以用控制偏壓來彌補(bǔ)溫度引起的APD增益變化。

為了對APD模塊兩端的偏置電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了APD偏壓精細(xì)控制電路，具體的APD偏壓控制電路如圖3所示。MAX 5304是一個(gè)DAC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），芯片的3個(gè)控制器接口可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)電路的數(shù)字控制；MAX 6102的作用是提供一個(gè)2.5 V的穩(wěn)定參考電壓；MAX 5026是主控芯片，它的特性在于能降低電力電子器件工作中電壓變化和電流變化帶來的噪聲耦合，同時(shí)它固有的500 k Hz PWM工作頻率可預(yù)知噪聲頻譜，方便噪聲濾除。

圖3 APD偏壓控制電路

通過對觸發(fā)方式的選擇，光源的功率調(diào)節(jié)和APD偏壓精細(xì)控制效果較好（如圖4、5所示）。

圖4 處理前的信號光曲線

圖5 處理后的信號光曲線

4 溫度解調(diào)的智能化

式中：

Ias——反斯托克斯光強(qiáng)值；

Is——斯托克斯光強(qiáng)值；

λs——斯托克斯光波長；

λas——反斯托克斯光波長；

h——普朗克常量；

c——光在真空中的傳播速度；

k——玻爾茲曼常量；

Δγ——波數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度［8］。

只要測得相應(yīng)的強(qiáng)度比值，就可以求解出任意一點(diǎn)的溫度。雖然計(jì)算求解得到的溫度與光強(qiáng)比在整個(gè)溫度范圍內(nèi)是非線性的，但是在溫度較低時(shí)，溫度與光強(qiáng)比值的曲線近似為線性。文獻(xiàn)［9-11］對0～120℃之間的溫度求解是近似作為線性處理的。因此，在系統(tǒng)的溫度整定和標(biāo)定過程中，可以通過測試獲取不同溫度下的光強(qiáng)比值，擬合出一條系統(tǒng)的溫度標(biāo)定曲線，曲線方程為：

反斯托克斯光和斯托克斯光的強(qiáng)度之比與溫度的定量關(guān)系為：

式中：

m——比例常數(shù)；

a——給定常量；

F（T0）——基準(zhǔn)溫度下的反斯托克斯光和斯托克斯光的強(qiáng)度比；

F（T）——待測溫度下的反斯托克斯光和斯托克斯光的強(qiáng)度比。

根據(jù)最小二乘法對式（3）進(jìn)行擬合求解，具體的計(jì)算公式如下［12］：

為了實(shí)現(xiàn)m、a的自動(dòng)準(zhǔn)功能，在軟件上增加了顯示環(huán)境溫度的功能組件Temp，通過DS18B20將環(huán)境溫度值實(shí)時(shí)上傳到主機(jī)作為參考溫度，測試系統(tǒng)根據(jù)溫度變化量自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集。

測試試驗(yàn)中，把環(huán)境溫度值25℃設(shè)定為初始溫度，溫度上限值設(shè)定為90℃。智能加熱箱從常溫開始加熱，溫度達(dá)到90℃之后，自然降溫，等到溫度降至25℃時(shí)，數(shù)據(jù)采集完成，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在這里按照1℃的變化量來采集溫度，當(dāng)溫度變化1℃時(shí)通過軟件設(shè)定自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體的采集過程如圖6所示。

圖6 溫度數(shù)據(jù)采集過程

對于溫度解調(diào)適應(yīng)性以及現(xiàn)場的試探校準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)中的m、a自動(dòng)校準(zhǔn)功能能解決這一問題。施工現(xiàn)場需要調(diào)試時(shí)只需一個(gè)簡單的加熱裝置，在參考光纖中任取一段作為探測單元，把這個(gè)探測單元和溫度傳感器同時(shí)放置在加熱裝置中加熱。經(jīng)過升溫降溫過程，當(dāng)溫度重新回到初始環(huán)境溫度時(shí)，就完

成了m、a的自動(dòng)校準(zhǔn)，不影響系統(tǒng)原有的測溫精度。對于高低溫區(qū)同時(shí)解調(diào)的低線性度問題，用這個(gè)解調(diào)算法也很容易實(shí)現(xiàn)。要想對某一溫度段的數(shù)值進(jìn)行采樣取值和數(shù)據(jù)計(jì)算，只需在軟件中做簡單的判斷條件就能實(shí)現(xiàn)。對這樣的數(shù)據(jù)采集過程算法，可以根據(jù)自己的實(shí)際需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行任意分段，從而得到最佳的線性度，并能得到很高的精確度。同時(shí)，這種解調(diào)模式實(shí)現(xiàn)了智能解調(diào)。

5 溫升算法設(shè)計(jì)

近年來，電纜爆炸、起火等事故時(shí)有發(fā)生，究其原因，多為電纜本體絕緣老化或電纜接頭接駁工藝不良，而這類事故的前兆均為電纜線路局部溫度驟升。對于客流量極大的地下城市軌道交通系統(tǒng)，火災(zāi)撲救和控制非常困難，火災(zāi)的早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)、早控制將是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效方法。為了盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，準(zhǔn)確監(jiān)測和報(bào)警，獲取最佳的報(bào)警時(shí)間，差定溫式監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代單純的定溫式報(bào)警系統(tǒng)。GB/T 21197—2007第5.4.2條明確規(guī)定了線型光纖感溫火災(zāi)探測器對于溫升報(bào)警實(shí)驗(yàn)項(xiàng)的響應(yīng)時(shí)間要求［13］。

由表1可以看出，國標(biāo)對溫升的響應(yīng)時(shí)間要求并不是越快越好，而是針對不同的升溫速率設(shè)定了不同的響應(yīng)時(shí)間范圍。這樣做的好處在于可以消除某些特殊情況引起的瞬時(shí)高溫和溫升，避免這種非故障促動(dòng)的誤報(bào)警和誤動(dòng)作，造成不必要的損失，提高了系統(tǒng)的可靠性，保證了城市軌道交通的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 溫升響應(yīng)時(shí)間要求

溫升算法，即計(jì)算求解溫度上升速率找到溫度的變化趨勢及快慢，在溫度剛剛開始增加時(shí)，就通過計(jì)算和判斷給出報(bào)警信號，及時(shí)地扼制更嚴(yán)重的后果，保證監(jiān)測設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。從溫升的實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)了斜率做差法求解溫升，即對探測單元溫升變化進(jìn)行線性擬合求得的溫升斜率與設(shè)定溫升斜率門限值做差，達(dá)到設(shè)定值后再做一個(gè)連續(xù)判斷即可自動(dòng)報(bào)警。

這里設(shè)定單一探測單元溫度變化曲線為y（T），y（T）與時(shí)間T的曲線方程定義如下：

式中：

k——斜率；

b——截距。

采用最小二乘法曲線擬合求解，具體公式如下：

測試實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取2 716～2 718 m區(qū)段作為實(shí)驗(yàn)用的測試光纖環(huán)，將其安裝在加熱溫箱中，開啟測溫系統(tǒng)，使其處于正常的監(jiān)測狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)溫箱初始溫度使其始終保持在25℃。保持溫箱中的氣流速度為0.8±0.1 m/s，穩(wěn)定30 min后，然后以30℃/min的升溫速率開始加熱。這里設(shè)置的溫升采集時(shí)間段是30 s，由于光纖的長度和采集數(shù)據(jù)量的龐大，在實(shí)際測試中，每4 s才能對所有的光纖采集數(shù)據(jù)記錄保存一次，這樣在30 s中對每一個(gè)探測單元實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)不是30次而是8次。具體的測試結(jié)果如表2所示。

從表2中不難發(fā)現(xiàn)，非加熱區(qū)段的探測單元溫升斜率絕對值都在0.020 8以下，加熱區(qū)段2 716～2 718 m的探測單元溫升斜率都在0.556 5以上，數(shù)值差近30倍，效果非常明顯，判據(jù)在精確度和可行性方面均能滿足實(shí)際需求。

6 結(jié)語

分布式光纖溫度傳感技術(shù)的快速發(fā)展使得相應(yīng)測量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣，涉及電力系統(tǒng)、石油化工、交通運(yùn)輸、城市建設(shè)等領(lǐng)域，對其性能要求更是在不斷提高。文中從提高測量精度出發(fā)提出的智能解調(diào)方案和信號優(yōu)化處理，取得較好的測試效果。

針對城市軌道交通系統(tǒng)復(fù)雜和客流大等特點(diǎn)設(shè)計(jì)的溫升算法，能獲取最佳的報(bào)警時(shí)間，消除火災(zāi)隱患，滿足城市軌道交通系統(tǒng)的實(shí)際需要。近年來，光纖測溫技術(shù)在國內(nèi)得到快速發(fā)展，10 km以內(nèi)的測溫主機(jī)成本可以控制在十萬之內(nèi)，而且對應(yīng)這個(gè)監(jiān)測距離的一萬個(gè)監(jiān)測點(diǎn)完全可以覆蓋城市軌道交通任意區(qū)間。同時(shí)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，增設(shè)GSM（全球移動(dòng)通信）系統(tǒng)短信通知功能，必將在城市軌道交通火災(zāi)預(yù)警中得到廣泛應(yīng)用。

表2 30℃/min升溫速率下的溫升斜率

［1］ IEC 60287-2—2006 Calculation of the Current Rating and Thermal Resistance［S］.

［2］ IEC 60287-3—2006 Calculation of the Current Rating and Sections on Operating Conditions［S］.

［3］ IEC 60853—2002 Calculation of the Cyclic and Emergency Current Rating of Cables［S］.

［4］ 彭超，趙健康，苗付貴.分布式光纖測溫技術(shù)在線監(jiān)測電纜溫度［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（8）：43.

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［13］ GB/T 21197—2007線型光纖感溫火災(zāi)探測器［S］.

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)對比表

4 結(jié)語

本文提出的幾個(gè)解決基坑積水的方案，除木塞方案具備工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)外，其余兩個(gè)方案尚處在專題研究和工程設(shè)計(jì)階段，但不失為能實(shí)現(xiàn)基坑自動(dòng)排水功能的理想思路。設(shè)計(jì)人員可以此為參考，優(yōu)化、設(shè)計(jì)出適合工程實(shí)際的解決方案。

參考文獻(xiàn)

［1］ TB 10007—2006鐵路信號設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

（收稿日期：2013-10-08）

Application of Distributed Optical Fiber Temperature Measurement System in Urban Rail Transit

Li Zhipeng，Guo Wei，Chen Lei

The core of distributed optical fiber temperature sensor technology is the use of light scatting principle and optical time domain reflection principle.By using optical fiber as the sensing element and the transmission medium，this technology could shield the interference of a strong electromagnetic field and be applied to the monitoring of high voltage transmission lines.From the viewpoint of improving the survey accuracy，the intelligent demodulation for regulating the detector unit temperature and optimizing signal processing are proposed，the temperature rise algorithm is designed，which could satisfy the actual needs of rail transit and its feasibility and practicality have been verified.

distributed optical fiber temperature measurement；intelligent demodulation；temperature rise algorithmFirst-author'saddressBeijing Urban Engineering Design& Research Institute Co.，Ltd.，100037，Beijing，China

U 231.96

2013-04-01）