礦用光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)研究

張寶鵬 丁江明 賀清淵 申 會(huì)

（1.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

隨著半導(dǎo)體激光器及光電探測(cè)器產(chǎn)品飛速發(fā)展，分布式光纖測(cè)溫技術(shù)成熟度越來(lái)越高，已經(jīng)具備了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定溫度檢測(cè)的能力。通過(guò)大量的應(yīng)用案例可以看出，分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下具備檢測(cè)能力，為其在煤礦安全領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司在膠帶輸送機(jī)火災(zāi)監(jiān)控方面進(jìn)行了研究[1]。山東省科學(xué)院激光所、安徽理工大學(xué)在采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)控方面應(yīng)用進(jìn)行了研究[2]。中國(guó)礦大、遼寧工程技術(shù)大學(xué)在礦用電纜火災(zāi)監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了研究，牛靜[2]采用仿真手段對(duì)礦用光纖復(fù)合電纜的溫度場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。大量的研究成果表明，分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在溫度監(jiān)測(cè)煤礦安全領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

該文設(shè)計(jì)了基于拉曼散射原理的光纖測(cè)溫系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)多項(xiàng)軟、硬件設(shè)計(jì)方法，研究了礦用光纖測(cè)溫系統(tǒng)涉及的多項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，相關(guān)研究成果將為光纖測(cè)溫技術(shù)在煤礦應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 光纖測(cè)溫基本原理

拉曼于1928 年3 月提出了Roman 散射現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)為光纖測(cè)溫技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)[3]。光纖中的拉曼散射由光纖中二氧化硅分子產(chǎn)生。根據(jù)拉曼散射原理，當(dāng)外部射入的與躍遷能級(jí)匹配的光子作用在二氧化硅分子上時(shí)，分子將發(fā)生能級(jí)躍遷，大部分的二氧化硅分子處于基態(tài)，吸收光子能量躍遷至激發(fā)態(tài)，導(dǎo)致出射光子波長(zhǎng)變長(zhǎng)的稱(chēng)為斯托克斯散射光，斯托克斯光對(duì)溫度不敏感，可以作為參考通道使用。少量的二氧化硅分子處于激發(fā)態(tài)，釋放部分能量至光子，導(dǎo)致出射光子波長(zhǎng)變短稱(chēng)為反斯托克斯散射光，反斯托克斯光對(duì)溫度敏感，可以作為測(cè)量通道對(duì)光纖溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

根據(jù)拉曼散射原理可知，光纖中二氧化硅分子的溫度的F（T）如公式（1）所示。

式中：Ks、Kas為斯托克斯光、反斯托克斯光的散射系數(shù)，與光纖孔徑有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；vs、vas為斯托克斯光、反斯托克斯光的散射光頻率，與躍遷能級(jí)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；?γ為拉曼頻移波數(shù)；h為普朗克常數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為待測(cè)位置處的溫度；αs、αas為斯托克斯光、反斯托克斯光的光纖傳輸損耗系數(shù)；L為溫度檢測(cè)點(diǎn)與光源的距離。

光時(shí)域反射（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）的測(cè)量定位技術(shù)最先由Barnoski 等人發(fā)現(xiàn)并于20 世紀(jì)70年代得到應(yīng)用。溫度檢測(cè)點(diǎn)的距離信息L通過(guò)光時(shí)域反射原理計(jì)算，光在光纖中的傳輸如公式（2）所示。

式中：C為真空光速；n為光纖的折射率；t為光傳輸時(shí)間。

由于光電接收單元與光源處于光纖同側(cè)，接收后向散射光信號(hào)，因此光在光纖中的傳輸距離是溫度檢測(cè)點(diǎn)與光源距離的2 倍。

2 光纖測(cè)溫系統(tǒng)的組成和硬件模塊參數(shù)設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的基于拉曼散射的光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要硬件功能模塊包括激光器、波分復(fù)用器、光電轉(zhuǎn)換器以及信號(hào)采集器等，系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 光纖測(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用納秒脈沖激光器作為激光光源，以產(chǎn)生激光脈沖，從而激發(fā)光纖拉曼散射現(xiàn)象。中心工作波長(zhǎng)、脈沖寬度以及脈沖峰值功率是納秒脈沖激光器的關(guān)鍵參數(shù)。

從公式（1）可以看出，溫度分辨率與反斯托克斯光和斯托克斯光頻率比值的四次方成正比，當(dāng)中心工作波長(zhǎng)增加時(shí)，溫度分辨率隨之提高。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中選擇波長(zhǎng)較長(zhǎng)的1 550 nm波段作為納秒脈沖激光器的中心工作波長(zhǎng)，有助于提高系統(tǒng)溫度分辨率、降低光纖損耗以及提高系統(tǒng)的測(cè)溫性能。

空間分辨率描述了在光纖中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確溫度測(cè)量需要的最短光纖長(zhǎng)度。脈沖寬度越窄，同一時(shí)間點(diǎn)返回光電探測(cè)器的信號(hào)光纖段越短，空間分辨率越高，煤礦火災(zāi)監(jiān)控對(duì)光纖測(cè)溫空間分辨率需求較高，空間分辨率對(duì)脈沖寬度δ的要求如公式（3）所示。

式中：δ為脈沖寬度；n為激光脈沖寬度；c為光纖中的光速。

該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的脈沖寬度為4 ns，對(duì)應(yīng)的空間分辨率極限為0.6 m。

脈沖峰值功率影響拉曼散射斯托克斯光及反斯托克斯光的功率，提高脈沖峰值功率有助于提高反斯托克斯光信噪比，從而提高溫度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中選擇峰值功率為30 W。

WDM 波分復(fù)用器在系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)瑞利散射光、斯托克斯光及反斯托克斯光的分離。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇1 550 nm 中心工作波長(zhǎng)，其對(duì)應(yīng)的光纖中的斯托克斯光及反斯托克斯光的波長(zhǎng)分辨為1 660 nm 和1 451 nm，因此采用的WDM 工作波長(zhǎng)分別為1 451 nm、1 550 nm 和1 660 nm，且插入損耗小于0.5 dB。

APD 雪崩光電二極管是微弱光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的核心器件，與雪崩效應(yīng)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參數(shù)主要有偏置電壓和放大倍數(shù)，選擇較低的偏置電壓下具有較大放大倍數(shù)的APD也是提高光電檢測(cè)靈敏度的有效手段。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用的APD 光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)（1.25×107） V/W。

高速數(shù)據(jù)采集卡的作用是采集經(jīng)過(guò)APD 放大后的電信號(hào)，系統(tǒng)的空間采樣間隔應(yīng)小于或等于空間分辨率，這樣光纜任意位置的溫度變化都將被系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用高速數(shù)據(jù)采集卡，采樣率為500 MHz。

3 溫度解析方法

在該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，F(xiàn)（T）由拉曼后向散射的光強(qiáng)值I（T）表征，其與溫度T的定量關(guān)系采用參比的方法獲得，具體的方法如下：1） 在光纖測(cè)溫系統(tǒng)中設(shè)置已知溫度的檢測(cè)點(diǎn)，其溫度設(shè)為T(mén)0。2） 已知溫度T0光信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)的拉曼后向散射光強(qiáng)I（T0）。3） 光纖中待測(cè)位置處的溫度為T(mén)，其拉曼后向散射光強(qiáng)為I（T）。4） 光纖中待測(cè)位置處的溫度T如公式（4）所示。

式中：K為玻爾茲曼常數(shù)；?γ為拉曼頻移波數(shù)；h為普朗克常數(shù)。

在常溫狀態(tài)下，使用該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室裸纖進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2 所示。數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)常溫下的溫度測(cè)量噪聲小于±1 ℃。

圖2 常溫下溫度噪聲的測(cè)試

4 溫度標(biāo)定方法

該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫光纜的溫度進(jìn)行整體標(biāo)定并轉(zhuǎn)換為對(duì)特定測(cè)點(diǎn)的參數(shù)標(biāo)定，再通過(guò)插值獲得區(qū)間的標(biāo)定參數(shù)，上述標(biāo)定方法具體實(shí)施過(guò)程包括以下4 個(gè)步驟：1） 在光纜起始端及末端各選定一段標(biāo)定光纜，分別設(shè)為S1和S2，標(biāo)定光纜的長(zhǎng)度應(yīng)大于空間分辨率的2 倍。2） 在常溫情況下，使用溫度計(jì)對(duì)2 段標(biāo)定光纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，測(cè)量溫度分別設(shè)為X1和X2，讀取光纖測(cè)溫系統(tǒng)溫度讀數(shù)，讀取溫度分別設(shè)為X′1和X′2。3） 在高溫情況下（通常為報(bào)警點(diǎn)溫度），使用溫度計(jì)對(duì)2 段標(biāo)定光纜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，測(cè)量溫度分別設(shè)為X3和X4，讀取光纖測(cè)溫系統(tǒng)溫度讀數(shù)，讀取溫度分別設(shè)為X′3和X′4。4） 分別計(jì)算起始端及末端標(biāo)定光纜的零點(diǎn)，分別設(shè)為a1和a2（求解方程如公式（5）所示），線性參數(shù)分別設(shè)為b1和b2（求解方程如公式（6）所示）。5） 以始端及末端標(biāo)定光纜的零點(diǎn)及線性參數(shù)為已知點(diǎn)，對(duì)測(cè)溫光纜其他測(cè)點(diǎn)進(jìn)行線性差值，獲得整段光纜的標(biāo)定參數(shù)（求解方程如公式（7）所示）。

式中：an為任意點(diǎn)的零點(diǎn)；Sn為任意點(diǎn)的距離；bn為任意點(diǎn)的線性參數(shù)。

該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)連接實(shí)驗(yàn)室裸纖，測(cè)試光纖在起始端34 m 和末端9 451 m 處進(jìn)行溫度標(biāo)定，再選擇測(cè)試光纜中部2 041 m 和6566 m 進(jìn)行溫度測(cè)試（如圖3 所示），數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)的溫度測(cè)量誤差小于±2 ℃。

圖3 80 ℃條件下溫度誤差的測(cè)試

5 溫度預(yù)警算法

溫度預(yù)警的目的是在溫度到達(dá)報(bào)警閾值之前感知現(xiàn)場(chǎng)溫度異常事件。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)綜合應(yīng)用上述3 種報(bào)警方式，以一定的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)處理，當(dāng)多種溫度特征同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)程度的累加，在單一報(bào)警閾值未觸發(fā)的情況下，提前發(fā)出預(yù)警信息。

設(shè)絕對(duì)溫度報(bào)警的閾值為W1，相對(duì)溫度報(bào)警的閾值為W2，溫度變化報(bào)警的閾值為W3。

當(dāng)前溫度對(duì)應(yīng)的3 種報(bào)警方式的解析值分別為M1、M2和M3，3 種報(bào)警方式的權(quán)重分別為c1、c2和c3，那么預(yù)警解析值M如公式（8）所示。

當(dāng)預(yù)警解析值大于100%時(shí)，達(dá)到預(yù)警條件。

6 結(jié)語(yǔ)

該文從光纖測(cè)溫基本原理入手，闡述了主要硬件功能模塊的設(shè)計(jì)原則，研究了溫度解析方法、測(cè)溫光纜的溫度標(biāo)定方法以及溫度預(yù)警方法等內(nèi)容，有助于提高系統(tǒng)信噪比和現(xiàn)場(chǎng)使用的數(shù)據(jù)可靠性，推動(dòng)光纖測(cè)溫技術(shù)煤礦應(yīng)用的發(fā)展。

隨著煤礦自動(dòng)化程度提高，智慧礦山、無(wú)人礦山建設(shè)工作不斷推進(jìn)，膠帶運(yùn)輸機(jī)等機(jī)電火災(zāi)事故、采空區(qū)火災(zāi)以及高壓電纜火災(zāi)監(jiān)測(cè)亟需全面覆蓋檢測(cè)準(zhǔn)確的技術(shù)手段。利用光纖測(cè)溫技術(shù)對(duì)火災(zāi)事故進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，施工簡(jiǎn)便，檢測(cè)精度高，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性高，是較理想的事故監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來(lái)源。