長距離光柵陣列溫度測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

歐陽修筑

（武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430073）

溫度測量與監(jiān)控在實際工程施工場景與環(huán)境消防監(jiān)控中具有廣泛的應(yīng)用，例如在長距離輸氣管線、高壓輸電線路和電纜廊道等場景中都需要在較長距離上對溫度進(jìn)行實時、快速和準(zhǔn)確的監(jiān)控測量。利用光纖傳感原理來實現(xiàn)對溫度的監(jiān)測擁有相較于傳統(tǒng)電學(xué)傳感器不具備的特點，包括抗電磁干擾、耐腐蝕、輕巧、靈敏度高和通信容量大等。在光纖傳感領(lǐng)域，基于拉曼散射的分布式溫度測量系統(tǒng)、基于布里淵散射的光時域分析儀以及基于光纖光柵的溫度測量系統(tǒng)已經(jīng)大量投入了實際使用。其中光纖光柵用于光纖傳感具有響應(yīng)快、精度高、易解調(diào)等特點[1]。

傳統(tǒng)光纖光柵由于無法大規(guī)模復(fù)用，正在逐漸向陣列形式的光柵過渡。在國內(nèi)，目前只有武漢理工大學(xué)公開報道采用相位掩模法實現(xiàn)了在線制備光柵陣列[2]，這種方法的光路簡單，光柵布拉格波長不受紫外激光器波長的影響，而由光纖有效折射率和掩模板掩模周期決定，有利于制作“全同”光柵陣列[3-4]。利用在線制備光柵的方式，能夠在光纖拉絲塔上連續(xù)獲得數(shù)十千米的光柵陣列，其中光柵最多可達(dá)50 000 個，光纖中的光柵以陣列形式按給定的間距分布，且光柵是在光纖制備過程中用激光器和相位掩模板寫入的，有利于保持光纖的機(jī)械強(qiáng)度。

基于光柵陣列的溫度解調(diào)系統(tǒng)[5]，是將弱光柵陣列的光纖光纜應(yīng)用在溫度測量中，以光柵陣列作為溫度探測的傳感器，以解調(diào)系統(tǒng)光源發(fā)出的光作為信號光，搭配光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集等模塊以及PC 端軟件為一體的解調(diào)儀，通過光纖光柵陣列反射回來的光解調(diào)出溫度信息?，F(xiàn)有的測溫系統(tǒng)能對一根光纖上的所有光柵進(jìn)行定位和溫度標(biāo)定，投入使用的解調(diào)儀可接入光纖長度不超過10 km，能達(dá)到0.1 ℃的溫度分辨率，溫度精度在±1 ℃，空間分辨率最小能達(dá)到10 cm[6]。文中提出了一種基于原有系統(tǒng)的新的光路結(jié)構(gòu)，通過引入拉曼放大器，實現(xiàn)長距離分布式溫度監(jiān)測，最遠(yuǎn)測量距離可達(dá)60 km，文中對新系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 光柵陣列測溫系統(tǒng)原理

利用光柵陣列實現(xiàn)溫度測量，主要依靠光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）的波長選擇特性，即反射特定波長的光信號，透射其余波長成分的光，這個特定的波長稱為光纖光柵的中心波長。而光柵感知到外界的溫度或者應(yīng)力變化時，其中心波長會發(fā)生偏移，通過監(jiān)測和解算這個偏移量，從中可以獲得溫度變化的信息[7-10]。式（1）表示布拉格光柵中心波長λB與光纖有效折射率和光柵周期的關(guān)系，neff指光纖纖芯的有效折射率，Λ指光柵的反射周期，也就是形成光纖光柵的折射率變化周期。

只考慮溫度的影響，光纖光柵感知外界溫度的變化發(fā)生熱脹冷縮，熱膨脹效應(yīng)會改變光柵的折射率變化周期Λ；同時，熱光效應(yīng)的存在也會改變光纖纖芯的有效折射率neff，于是將式（1）對溫度T求微分可得到：

將式（2）與式（1）相除，得到式（3）：

在式（4）中，定義光柵布拉格中心波長的變化量與溫度變化量的比值為溫度變化靈敏系數(shù)KT，得到式（5）、式（6）：

從式（6）中可以看出，光纖光柵中心波長(λB)的偏移量與溫度（T）的變化量成線性關(guān)系，常溫條件下，溫敏系數(shù)KT≈10 pm/℃。

由上述推導(dǎo)的溫度與光柵中心波長的關(guān)系式可以解算出溫度值[11]，基于光柵陣列的溫度解調(diào)系統(tǒng)采用圖1 所示的光路結(jié)構(gòu)，掃描光源發(fā)出的光經(jīng)過脈沖調(diào)制成脈沖光，經(jīng)過EDFA 的放大，進(jìn)入分路器，隨后光信號進(jìn)入光柵傳感陣列，光柵反射的回光回到分路器進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換模塊，后續(xù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、處理、解調(diào)從而得到溫度信息。普通的光柵陣列溫度解調(diào)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1 m 或者10 cm 的空間分辨率，溫度精度±1 ℃，溫度響應(yīng)時間1 s，溫度分辨率0.1 ℃，最多可支持8個傳感通道同時工作，以及傳感距離8 km 的指標(biāo)。目前此系統(tǒng)已大量投入隧道火災(zāi)報警、石油石化管道溫度監(jiān)測等工程實際使用場景[12]。

圖1 光柵陣列測溫系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)

1.2 長距離光柵陣列測溫系統(tǒng)設(shè)計

實現(xiàn)長距離溫度傳感面臨的最直觀的問題是距離過長帶來的線路損耗問題，在光纖傳輸長距離場景中常使用光纖拉曼放大器來對傳輸線路進(jìn)行補(bǔ)償[13]。利用光纖材質(zhì)本身的受激拉曼散射現(xiàn)象，只要給予一束泵浦光，當(dāng)一個波長在這個泵浦光拉曼帶寬內(nèi)的信號光同時與泵浦光在光纖中傳輸時，微粒碰撞帶來的波長變換效果使得弱信號得到放大，圖2 是受激拉曼散射的示意圖。相干光子入射到傳輸介質(zhì)上，與熱振動聲子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生一個Stokes 光子和一個受激聲子ωmn，受激聲子再與入射光子發(fā)生碰撞，又產(chǎn)生一個Stokes 光子和一個受激聲子。于是，受激聲子形成類似“雪崩”的過程，Stokes 光的強(qiáng)度會大幅提高，可以與入射光相當(dāng)。這是第一階Stokes 受激散射的原理[10]。

圖2 受激拉曼散射過程示意圖

拉曼放大器根據(jù)應(yīng)用形式可以分為分布式和分立式兩種，分立式拉曼放大器一般作為局部放大使用；分布式光纖拉曼放大器以傳輸光纖作為放大介質(zhì)，可以沿線對信號進(jìn)行分布式的放大補(bǔ)償，在長距離光傳輸領(lǐng)域分布式光纖拉曼放大器有更好的應(yīng)用前景。通過引入拉曼放大器，在已有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到了圖3 所示面向長距離應(yīng)用場景的基于光柵陣列的溫度探測系統(tǒng)，實物圖如圖4 所示，對應(yīng)的器件標(biāo)識：①光源；②光路盤纖盒；③拉曼放大器；④EDFA（PA）；⑤數(shù)據(jù)采集卡（在蓋板下方，圖中被遮擋）；⑥光電探測器PD；⑦工控機(jī)；⑧供電模塊。

圖3 長距離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)實物圖

掃頻光源發(fā)出的光經(jīng)過濾波器后進(jìn)入環(huán)形器的1 端，從2 端經(jīng)過拉曼放大器，拉曼放大器的輸出端接傳感光柵陣列，光柵反射的回光經(jīng)環(huán)形器2 端從3端輸出，經(jīng)過濾波后進(jìn)入PA 前置放大模塊，隨后被光電探測PD 接收轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)采集模塊，采集卡對信號進(jìn)行處理后上傳到工控機(jī)中，使用上位機(jī)軟件解調(diào)得到溫度等信息。工作過程中，數(shù)據(jù)采集卡的信號采集同步光源脈沖的出射，通過工控機(jī)可以統(tǒng)一管理圖中的有源器件。

入纖功率超過17 dBm 容易引起光纖非線性效應(yīng)，將光源模塊出光功率設(shè)為15 dBm，鏈路中的損耗分為傳輸損耗和光柵反射造成的功率削減兩部分。單模光纖傳輸損耗一般為每千米0.2 dB。對于60 km的傳輸距離，單程損耗為12 dB，來回?fù)p耗為24 dB。光柵陣列所用光柵反射率通常為1?，即強(qiáng)度為1 dBm 的信號通過一個光柵后功率為0.999 9 dBm；若每隔2 m 一個光柵，則有30 000個光柵，0.999 9^30 000=0.049 8，轉(zhuǎn)換為損耗得13 dB，往返則為26 dB，加上線路傳輸損耗，則2 m 間距的傳感陣列損耗估算為50 dB，回光經(jīng)過前置放大模塊能得到30 dB 放大倍數(shù)，15-50+30=-5 dB，理論上光電探測PD 接收到的信號強(qiáng)度是足以解調(diào)的。但是實際上，由于光柵陣列存在陰影效應(yīng)，下游光柵受到上游光柵的遮蔽，信號功率損失會高于理論計算值，所以必須引入拉曼放大器來對傳輸鏈路進(jìn)行整體的分布式放大補(bǔ)償，拉曼放大器通常能提供10 dB 的增益。

2 測溫系統(tǒng)性能實驗

2.1 溫度測量系統(tǒng)性能指標(biāo)

對于溫度測量系統(tǒng)來說，通常關(guān)注的幾個性能指標(biāo)[14-16]如表1 所示。

表1 溫度測量系統(tǒng)性能指標(biāo)

對于基于光柵陣列的溫度測量系統(tǒng)，光柵陣列中光柵的間距就代表了空間分辨率，前面用2 m 間距的光柵進(jìn)行了損耗分析，實際上可以采用兩種不同中心波長的光柵間隔1 m 交替排布形成陣列，這樣對于單一波長的光柵來說是2 m 間距，但是通過兩種波長波分復(fù)用使得系統(tǒng)可以實現(xiàn)1 m 的空間分辨率，如圖5 所示。

圖5 間隔1 m的雙波長光柵陣列示意圖

傳感陣列性能一致性是指光柵陣列的不同光柵對于同一溫度變化作出響應(yīng)的一致性，考量響應(yīng)速度、溫度精度等是否一致，這個指標(biāo)主要跟光纖光柵自身有關(guān)，一整段光柵陣列不能保證每一個光柵對溫度變化的響應(yīng)都嚴(yán)格相同，光柵之間偏差要在可接受的范圍內(nèi)。

2.2 長距離系統(tǒng)溫度實驗

圖6 所示是長距離溫度測量系統(tǒng)的實驗圖，將長距離系統(tǒng)接入電源，通過網(wǎng)口連接計算機(jī)，用光纖跳線接入光柵陣列，從光柵盤另一側(cè)抽取最后一個光柵點位放入水浴加熱箱中，測試溫度解調(diào)系統(tǒng)在最遠(yuǎn)距離處的溫度變化響應(yīng)時間、溫度測量精度。選用的光柵陣列為1 m間隔雙波長（1 550 nm、1 552 nm），信號傳輸距離為55 km，實驗時將待測的光柵點完全浸泡至水浴箱中。系統(tǒng)實驗裝置對應(yīng)的實物圖如圖7 所示。

圖6 實驗裝置示意圖

圖7 實驗裝置實物圖

由式（6）可知，光柵中心波長的偏移量與環(huán)境溫度的變化量近似成線性關(guān)系，常用溫度系數(shù)KT來表征這種關(guān)系，該值直接影響溫度測量的精度，于是先利用解調(diào)系統(tǒng)對最后一個光柵采集了10 組波長數(shù)據(jù)，如表2 所示。同時根據(jù)水浴箱的溫度繪制了溫度-波長曲線，如圖8 所示，該圖的斜率就是溫度系數(shù)KT。從圖中可以擬合得到該光柵的溫度系數(shù)約為11.6，根據(jù)溫度系數(shù)的值可以通過解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行溫度探測解算。

圖8 溫度-波長曲線圖

表2 溫度-波長數(shù)據(jù)

用圖6 的裝置連續(xù)測量多組溫度值，由解調(diào)系統(tǒng)解算得初始溫度為22 ℃，水浴箱溫度計測得溫度為21.3 ℃。設(shè)置水浴箱溫度從25 ℃開始，依次遞增5 ℃，直到75 ℃，記錄解調(diào)系統(tǒng)和水浴箱溫度計的測值，得到圖9 所示的溫度曲線圖。

圖9 中實線為溫度計所測溫度，曲線上標(biāo)明了相應(yīng)溫度點的溫度值；虛線為解調(diào)系統(tǒng)獲取到的溫度?？梢钥吹剑谶_(dá)到60 ℃以前，解算溫度與實測溫度相差在1 ℃以內(nèi)，隨后兩者的差值慢慢變大，75 ℃時差值已經(jīng)接近2 ℃；在40～60 ℃范圍內(nèi)，兩者溫度測值貼合得很好，越偏離這個范圍，兩者的測值差就越來越大。

圖9 實際溫度與解算溫度曲線圖

由圖9 可知，溫度系數(shù)KT并不是一個固定值，某一個KT取值對應(yīng)了一段系統(tǒng)解調(diào)適用的溫度范圍。

圖10 所示是長距離溫度解調(diào)系統(tǒng)對系統(tǒng)某一個光柵的溫度跟蹤曲線，圖中橫軸表示時間，將水浴箱設(shè)置加熱至45 ℃左右，室溫約為18 ℃，以橫軸的兩個單元格作為時間間隔，把該光柵從室溫放入水浴箱，再經(jīng)過兩個時間單元格將光柵拿出，重復(fù)這一過程。從圖10 中可以看到，光柵的環(huán)境溫度變化以后，系統(tǒng)每次作出響應(yīng)都有一定的延時，即軟件解調(diào)出來的溫度總是在時間略超出兩個時間單元格時才發(fā)生變化。經(jīng)過多組實驗對比，可得出系統(tǒng)對溫度變化的響應(yīng)時間為10 s。

圖10 溫度跟蹤曲線軟件界面

為了提升系統(tǒng)的動態(tài)范圍，可以設(shè)置高溫系數(shù)和低溫系數(shù)兩個KT值，當(dāng)溫度超過一個臨界值時用高溫系數(shù)來解算溫度，這樣總體上可以保證系統(tǒng)將溫度精度控制在±1 ℃。圖9 所示的解算溫度隨著溫度升高越來越低于實際溫度，而溫度較低時解算溫度高于實測溫度，根據(jù)式（6）可知，高溫系數(shù)應(yīng)該設(shè)置為比低溫系數(shù)更小的值。

另一種提升系統(tǒng)測量精度的方法是通過二階關(guān)系來擬合溫度與波長變化的關(guān)系，在文中只用了線性關(guān)系來描述溫度受到中心波長調(diào)制的變化關(guān)系，前面已經(jīng)提到，只有溫度在一定范圍內(nèi)時這種線性關(guān)系才比較準(zhǔn)確地刻畫了溫度與波長的關(guān)系，實際上形如λB=aT2+bT+c的關(guān)系式能更準(zhǔn)確地根據(jù)波長來解算溫度。

3 結(jié)論

在我國數(shù)萬公里的輸氣管線以及高壓輸電線路等應(yīng)用場景中，長距離溫度測量是非常必要的，以光柵陣列為載體實現(xiàn)溫度測量是其中一個非常有前景的發(fā)展方向。

文中設(shè)計并搭建了一套基于光柵陣列的長距離溫度解調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)加入了拉曼光纖放大器，工作距離大幅提升，最遠(yuǎn)可達(dá)60 km，靈活調(diào)整溫度系數(shù)可以精準(zhǔn)、實時解調(diào)溫度。選用波長為1 550 nm、1 552 nm 構(gòu)成的1 m 間隔光柵陣列在55 km 處達(dá)到了10 s 的響應(yīng)時間、±1 ℃的溫度測量精度和0.1 ℃的溫度分辨率，系統(tǒng)的空間分辨率為1 m。該系統(tǒng)有利于后續(xù)在管線監(jiān)測等大范圍、長距離工程場景中光柵陣列系列溫度產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用。但在該系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及傳感陣列一致性等問題仍需后續(xù)繼續(xù)研究考證。