文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172507
中文引用格式： 楊洋. 基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統的研究與實現[J].電子技術應用，2017，43(12)：59-60，64.
英文引用格式： Yang Yang. Research and implementation of distributed optical fiber temperature measurement system based on Raman scattering[J].Application of Electronic Technique，2017，43(12)：59-60，64.
0 引言
目前，大電網、超高壓、自動化、大容量是我國電力系統發展的方向，監測地下電纜的溫度可進行電網輸配電能力的優化，這種需求增長迅速[1]。地下的電網系統在正常的極限設計當中不會出現負載運行的情況，但是社會發展隨之而來的就是社會用電量增大，在相應情況下電網的負載也越來越大，各種各樣的設備和系統相連接，使得事故發生的概率增大了，可能造成巨大經濟損失[2]。在線監測系統下，電纜事故隱患可降低或徹底消除，在今后，溫度監測系統對電纜的運行狀態進行檢測將會普及[3]。分布式光纖的溫度檢測系統是實現電纜在線檢測的一個好方法，在進行常規測量時能夠實現多點測量和在線測量，有效解決電纜出現的燃燒、高溫、火災、爆炸等事故，應用前景非常廣泛[4]。本文設計出分布式光纖測溫系統，并通過室內和室外試驗對儀器的穩定性和準確性進行了驗證。
1 測溫系統的方案設計
1.1 光纖分布式測溫的實現過程
圖1為分布式光纖測溫系統框圖。在圖1中，光纖具有傳感器和傳輸介質兩個作用。系統的組成包括光學部分、信號采集部分、信號處理部分。光學部分組成包括激光發射、脈沖驅動電源、光電檢測、波分復用器（WDM）、傳感光纖；信號采集和處理部分組成包括模數轉換、信號放大、數據采集、數據處理。在進行傳感光纖布置時，布置方向為電纜長度的方向，啟動計算機控制的電路脈沖，將會使得電流源和半導體激光器被驅動起來從而進行工作。通過波分復用器WDM輸出LD，光纖中被射入激光。根據現場的具體實際情況，其溫度信息會由拉曼散射光攜帶，散射光的采集由光電二極管（APD）進行，完成光電間的轉換。因拉曼散射光較弱，采用放大器對拉曼散射光信號放大處理。測量結果通過模數轉換器進行轉換，形成數字量。監控系統可以借助主機實現網絡的管理和監測。
1.2 數據采集和處理
散射光信號較弱是拉曼散射測溫系統的主要缺點，散射光信號約為入射光的0.93%，信噪比非常小，在噪聲中，幾乎完全淹沒了測量信息，信號處理單元以DSP系統為核心，主要是對光電檢測器輸出信號進行放大、采樣和處理，并將溫度解調出。在噪聲條件下，對放大微弱信號幅值進行有效抑制是數據處理的核心。
1.2.1 拉曼散射信號的特點
拉曼散射信號信噪比較低，在噪聲中，有用溫度信息會被淹沒；有用溫度信息具有較低頻率，噪聲具有較高頻率；信號噪聲強度遠端大，近端小。因此，系統提出使用將小波分析和累加平均結合的方法對采集的數據進行處理，這樣得到的溫度信號更為準確。
1.2.2 信號預處理
在光纖測溫系統中，噪聲具有零均值統計特性，系統中的低頻噪聲干擾可通過數字累加的方式將其去除，通過噪聲的統計特性進行降噪。通過數字平均的方法處理信號，提高信噪比，在DSP內存單元中，依次對一次測量的N點數據進行存儲，對于下一次測量的N點數據，將其與內存對應單元數據進行相加，然后將其放回原內存單元，這樣的循環進行M次，然后各單元進行求平均。通過將每次測量的N點數據以向量形式表達，用式(1)表示第i次測量結果：
1.2.3 測溫實驗
在1 km長的光纖中，將兩個光纖點A、B加熱，進行本研究研制的分布式光纖測溫系統的溫度空間分布特性、拉曼光時域反射的測溫實驗，在1 km長的光纖100 m（A點）、500 m（B點）處，用2個55 ℃的熱源進行點輻射加熱，圖2為溫度點布置。
通過實驗測得，本研究研制的系統溫度測量長度范圍可達到0～12 km，2 m為最小的采樣分辨率，同時也是最小的空間分辨率。系統能夠測量在12 km范圍內的電纜溫升情況，同時還能夠對微小溫升情況作預判，方便后續維修工作。
2 應用實例
2.1 室內實驗
室內試驗在恒溫的水槽中進行，其中放入一段多模光纖，加熱使水保持在26 ℃、32 ℃、38 ℃、44 ℃、50 ℃、56 ℃，將DTS測出的溫度值和實際的水溫進行對比，能夠得出其測量的精度較高，達到了實驗需要。圖3為溫度標定數據圖，可看出最大測量誤差為0.25 ℃。
2.2 室外實驗
試驗地點為沈陽市郊某大橋上游河灘上，試驗場地尺寸為6.5 m×6.5 m×6.5 m，用于測溫的光纖是以蛇形分布被埋于地下的，分為4個層次，每一層之間的間隔以米為單位。水注射進去之后實現溫度的測量保證光纖溫度的恒定。從11:20:22開始注水試驗，試驗水溫17.4℃～16.1℃，持續300 min，在注水過程中，全程進行溫度監測。從底部第四層開始鋪設光纖，由上而下，每層光纖長度分別為：105m～138m、71m～104m、35m～70m、0m～34m。在注水后，選取A（13.10.22）、B（16.10.22）、C（11.10.22）3個時間點的溫度進行比較，從圖4可看出，通過傳感光纖，各層溫度變化情況能得到很好反映。在地層深度不同時，原溫度分布為規則階梯狀，在水流通道、注水點處，隨著注水的進行，溫度出現異常，比原溫度增高明顯。在13:10:22時，曲線A整體溫度較高，有一部分地理氣候原因，同時和試驗地較多礫石底層溫度較低也是密不可分的。第1層具有較高地溫，在注水后，周圍溫度變化較小，第2層、第4層在注水點的周圍溫度升高的情況比較明顯。分布式光纖的測溫技術既能夠實現自動檢測，同時還能夠實現分布式的溫度測量，在實際應用中非常方便。
3 結論
本文對拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光比值與溫度分布的關系進行了分析，并給出光時域反射距離定位解析表達式，設計出分布式光纖測溫系統，并通過室內和室外試驗對儀器的穩定性和準確性進行了驗證。室內對恒溫槽的水溫進行測量，其最大測量誤差為0.25 ℃，室外實驗地點在沈陽市郊某大橋上游河灘上，對埋入地下的四層光纖進行注水并測溫，通過傳感光纖，各層溫度變化情況能得到很好反映。
參考文獻
[1] 張汝山，吳碩，涂勤昌，等.高空間分辨率分布式光纖測溫系統的設計及應用[J].光學儀器，2015，37(1)：79-83.
[2] 費芹，秦俊.基于拉曼散射的分布式光纖定溫與差溫探測方法[J].火災科學，2015，24(2)：109-114.
[3] 楊斌，田杰，江健武，等.分布式光纖載流量/溫度安全監測系統的研究[J].光學儀器，2013，35(1)：75-79.
[4] 麥曉明，張曉明.分布式光纖在線測溫系統在高壓電纜中的應用[J].廣東電力，2014，27(5)：90-95.
作者信息：
楊 洋1，2
（1.河北省儀器儀表產業技術研究院，河北 承德067000；2.河北省儀器儀表工程技術研究中心，河北 承德067000）