分布式光纤测温系统的研制及其应用

第３３卷　第１期２０１２年２月

分布式光纤测温系统的研制及其应用

叶宗顺，刘艳平，刘　果，华　涛

（）国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，江苏省南京市２１０００３

摘要：阐述了基于背向拉曼散射和光时域反射技术的分布式光纤测温系统的基本原理、系统组成、温度解调方法和实验数据及其分析。分布式光纤测温系统由测温主机、感温光纤和温度解调软件组成。它具有成本低廉、灵敏度高、可靠性好、本质安全、连续分布式测量等特点。实验数据表明：该系统测温精度高、定位准确。关键词：分布式光纤测温系统；拉曼散射；光时域反射技术

０　引言

近年来，与传统的温度监测方法不同，光纤传感技术逐步应用于温度监测、火情监测领域。监测温度以及避免由于温度失控引起的损伤，已成为人们研究的一个热点课题。欧美等工业发达国家逐步将光纤传感技术应用于温度监控。

分布式光纤测温系统已经成为目前国内外研究的热点，工程上感温光纤的长度可达几十千米，分辨率高、误差小。应用分布式光纤测温系统可以获得一个具有一定跨度范围的、连续的温度分布信息。

图１　拉曼散射光谱图

１　分布式光纤测温系统的原理

１．１　测温原理

分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间它利用高功率脉冲光温度场分布的光纤传感系统，

在光纤中传输时，由于光纤的折射率随机起伏以及纤芯的微观不均衡等影响会产生拉曼散射的现象，根据对背向拉曼散射光信号的测量和时域分析，来进行温度的监测和定位。

当具有一定能量的泵浦脉冲光通过光纤时，光产生纤中的光学光子和光学声子发生非弹性碰撞，拉曼散射。拉曼散射产生２束不同波长的散射光，波长大于入射光波长的为Ｓ波长ｔｏｋｅｓ拉曼散射光，

［］

小于入射光波长的为ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼散射光１，－见图１。

［）］（）ＰＳ（Ｌ）＝ｐＥ０ｅｘ１－（ΓααｐＳＳ０＋ＳＬ［）］（）ＰＡＳ（Ｌ）＝ｐＡＳΓＡＳＥ０ｅｘ２－（ααｐ０＋ＡＳＬ

式中：ｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ａｎｔｉ－ｐｐＡＳ分别为ＳＳ，Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光在光纤中的后向散射因子；ΓＳ，ｔｏｋｅｓ拉曼散射光和ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼ΓＡＳ分别为Ｓ－

散射光在光纤中单位长度上的后向散射系数；αＳ，ｔｏｋｅｓ拉曼散射光，ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉αα－ＡＳ，０分别为Ｓ

曼散射光和入射光在光纤中单位长度上的损耗系数；Ｌ为后向散射点到探测端的光纤长度。

根据爱因斯坦的光子理论，式（和式（中的１）２）Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光和ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼散射光的后－向散射因子ｐｐＡＳ分别表示为：Ｓ，

ｐＳ＝

当能量为Ｅ０的激光脉冲注入到光纤中时，在距离注入点长度Ｌ处发生拉曼散射，光纤入射端所探测到的Ｓ和Ａｔｏｋｅｓ拉曼散射光ＰＳ（Ｌ）ｎｔｉＳｔｏｋｅｓ－

２－３］

：拉曼散射光功率ＰＡＳ（分别为［Ｌ）

ｐＡＳ

式中：ｋ为玻尔兹曼常量；Ｔ为绝对温度值。

））））把式（和式（代入式（和式（可得：３４１２

）

ｅｘｐ

＝

１－ｅｘｐ

ｋＴ）

１－ｅｘｐ

ｋＴ

（）３

（）４

。收稿日期：２０１１０９１６－－

—４

３—

（）０１２，３３１　２

水电厂自动化

ＰＳ（Ｌ）＝

（Ｅ０ｅｘＬ）αα－（ｐＳ０＋Ｓ）

１－ｅｘｐ

ｋＴ

）（５

）

ｅｘｐ

２　分布式光纤测温系统的组成

分布式光纤测温系统的组成如图２所示。分布

式光纤测温系统由测温主机、感温光纤和温度解调测温主机是本系统中的核心设备。测温软件组成，

主机的主要器件有脉冲半导体激光器模块、拉曼含高压驱动）模块、信号放大１×３ＷＤＭ组件、ＡＰＤ（调理模块、数据采集和处理模块和恒温控制模块等

。

ＰＡＳ（Ｌ）＝ｅｘＡＳＥ０ｐ

１－ｅｘｐ

ｋＴ

（））－（αα０＋ＡＳＬ

）

（）６

））与式（相除可得：５６　　将（

ＰＡＳ（Ｌ）ＡＳ（（ｅｘｘＬ）αα＝ｐｐＳ－ＡＳ）

ｋＴΓＰＳＬＳ

（）７

）可知：７Ｌ处Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ａｎｔｉ　　由式（－

Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光的光功率比只与外界环境的温度有关。取一段光纤Ｌ作为定标光纤，放置在恒温′

）此时式（为：Ｔ０下，７

图２　分布式光纤测温系统的组成

ＰＡＳ（Ｌ′）ＡＳ（（）ｅｘｘ′）＝ααｐｐＳ－ＡＳＬｋＴ０ΓＰＳＬ′Ｓ

（）８

）、）式（相比，得：７８　　将式（

ＰＡＳ（Ｌ）ｅｘｐＳ（（（）ｘＬ－Ｌ′）αα＝ｐＳ－ＡＳ）

ＡＳｅｘｐ

ｋＴ０ＰＳ（Ｌ′）

（）９

解调可得温度Ｔ为：

）

脉冲半导体激光器发出中心波长为的激光，注

在光纤中发生背向拉曼散射。背向入到多模光纤，

得到拉曼散射光经拉曼ＷＤＭ组件进行滤波后，分ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光，－

电压别由ＡＰＤ雪崩光电二极管转换成电压信号，

信号经过放大后由高速模数转换器对其进行采样，得到ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光－

的强度数据信息传递给现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）进行处理，然后由温度解调软件进一步解调出整段光纤的温度信息。

Ｔ＝

·

→

ＰＡＳ（Ｌ）ＰＳ（Ｌ′）

ｈＴ０ｌｎΔν－ｋ－

ＰＡＳＬ′ＰＳＬＴ０

（）１０←

（）（Ｌ－Ｌ′）ααＳ－ＡＳ

［

３　分布式光纤测温系统的特点

与传统的温度监测技术相比，分布式光纤测温

系统具有一系列独特的优点，具体如下。

）以光信号作为载体，光纤为媒质，光纤的纤芯１

材料为二氧化硅，因此，该系统具有耐腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等特点，属本质安全。

）光纤本身轻细纤柔，光纤的体积小、重量轻，２

不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设。

）灵敏度高，可靠性好，使用寿命长。３）可以准确地测出光纤沿线任一点的温度量，４

信息量大，成果直观。

］

——光时域反射（技术１．２　定位原理—ＯＴＤＲ）

ＯＴＤＲ技术主要用于检验光纤损耗特性及光纤故障，同时也是分布式光纤测温系统距离定位的基础。

自大功率脉冲光注入传感光纤后，假设光纤某

，一点背向拉曼散射光返回输入端的时间为ｔ则此点距入射端的距离为：

（）１１

２ｎ

式中：ｎ为光纤的有限折射率；Ｃ为光速。

）由式（即可对传感光纤上每一温度点进行定１１

位。定位精度为：

Ｌ＝

Ｌ＝Δ

２ｎ

式中：τ为脉冲激光器的脉冲宽度。（）１２

４　试验数据及分析

利用分布式光纤测温系统进行温度测量，其关

键在于信号处理。分布光纤测温系统的信号处理采用软硬件结合的方法。利用高速模数转换实现数字采样，ＦＰＧＡ多次累加处理采样的ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉－

［］

曼散射和Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射信号数据４。由温度解

·设备运行与检修技术·　叶宗顺，等　分布式光纤测温系统的研制及其应用

调软件进行温度解调，从而得到光纤上各点的温度

测量结果。

实验中（测温光纤长度为２ｋ采样一次的ｍ）ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼散射和Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射信号数据－

如图３所示。由于信噪比很差，两路信号完全重叠

。

图３　ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ和Ｓｔｏｋｅｓ采样电压信号－

对图３中的数据经多次数字平均后得到的结果

有信号突变的为Ａ如图４所示，ｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼散射－

信号

。

第１类是电力行业中的动力电缆和开关柜触点的温度监控。高压动力电缆容易因其载流量过大或

尤其是电缆的连接处更易发过载等原因导致过热，

热，从而影响电缆的寿命，甚至产生短路、火灾、爆炸等事故，给企业带来巨大的损失。探测光缆铺设在待测的高压电缆上，即可实时监测由探测光缆所覆盖的高压电缆的温度分布情况及温度变化趋势。如唐山不锈钢１１０ｋＶ变电站电缆的分布式光纤测温系统。同理，开关柜触点也需要对触点的温度进行监测。如广东湛江奥里油电厂、广东惠来靖海电厂和湖南华润鲤鱼江电厂开关柜的分布式光纤测温系统等。

第２类是桥梁大坝的混凝土温度监控以及渗流监控。如设置于新疆石门子碾压混凝土拱坝内的分布式光纤测温系统；设置于三峡大坝内的分布式光纤测温系统；设置于广东长调水电站混凝土面板的

设置于广东长调水电站面板分布式光纤测温系统；

周边缝的分布式光纤温度—渗流监测系统等。

第３类是地铁轨道和公路的温度监控。分布式光纤测温系统尤其适合于大空间场所的温度监控和

如地铁、公路隧道、电缆沟、仓库等场所。火情监测，

探测光缆根据具体情况进行布置，如在公路隧道内，探测光缆必须安装在隧道的顶部中间位置，在封闭隧道里，光缆可安放在隧道侧面或顶部中间位置，这样易于监测。每间隔一定距离对探测光缆予以固定。如上海轨道交通９号线一期工程的分布式光纤测温系统等。

第４类是石油化工的火灾监测。地下的油井、气井需要监测它整个深井垂直的温度分布和温度分

地下储油罐或气罐用来存储石油和天布变化情况；

然气，也需要监测其温度分布的压力分布、并了解液

存储能力、泄漏等情况。如辽河油田油井的气界面、

分布式光纤测温系统；中化格力二期储油罐分布式光纤测温系统等。

第５类是公共区域的火灾预警。如广州亚运城和广州珠江新城地下空间的分布式光纤测温系统等。

图４　累加处理后的采样信号

对图４的数据进行温度解调后得到的温度曲线如图５所示

。

图５　解调后的温度曲线

从实验结果可看出，经过数字平均处理后，能有效改善其信噪比，并恢复信号波形。经解调后的测量温度与实际预设温度有明显的线性关系，而且具有较好的空间位置一致性。

６　结语

由于分布式光纤测温系统测点多，信息量大，能较全面地反映一定跨度区域内温度场的分布情况，所有使用案例均获得了较好的温度监测成果。同

分布式光纤测温系统技术先进，能做到长期实时时，

的准确测温，并自动将所检测的数据存储于数据库，便于分析温度变化趋势，实现早期预警。分布式光

（下转第６８页）

—４５—

５　分布式光纤测温系统的应用

从应用行业看，分布式光纤测温系统在中国的

应用大致可分为５类。

（）０１２，３３１　２

水电厂自动化

段的校正预报效果，避免过校正模型的选入，从而减

小过校正现象的概率。

５　结语

实时校正作为洪水预报系统的末端控制环节，天然面临误差来源多样性与可利用“新息”量有限之

这使得逐项分析校正各类误差仍不现实，间的矛盾，

而倾向于将各类误差汇总与“新息”一并视为校正系统输入。从这一角度出发，系统控制领域大量的数学模型经过改造都可以应用于校正系统，本文中述及的传统实时校正模型均属此类。然而，这类模型结构或参数缺乏物理意义，或者难以准确识别或估

这是限制实时校正模型发展的重要原因。在本计，

文算例中，相对而言，马斯京根矩阵模型较自适应滤

这波模型和反馈模拟模型具有更稳定的校正效果，与马斯京根矩阵模型源于河道分段马斯京根汇流方

程密不可分。

优选方法为在线洪水预报系统实时自动识别可靠的实时校正模型提供了一种较为有效的机制，适用于大流域多校正断面的实时洪水预报系统。其优点在于能够根据用户关注的精度评价指标，在全流域内为各个断面实时选择前期试校正效果最优的实

逐级演算进而获得可靠的流域出口断时校正模型，

面校正量。从本文算例中发现，优选方法在校正成功率和各项精度评价指标统计上出现最优的频次高

而且很少出现指标统计最差于传统实时校正模型，

的情况。另外，其有可能减小过校正现象的发生概率。

优选方法本质上属于“后处理器”的性质，只有当其基本假定成立的前提下才有效。因此，优选方法并不能替代传统实时校正模型。改进传统实时校

正模型，使其更具物理意义并容易识别应是提高校正预报精度的根本途径。另外，从优选方法的设计

随着流域预报经验和实测资料的累积，通思路出发，

过相似性研究分析前期洪水物理成因与预报误差间的关系，建立有效的误差实时识别机制，也可能替代当前的优选方法。本文提出的优选方法的意义更在于解决目前水电自动化调度系统提高在线校正预报精度的问题。

参考文献

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——以岷江流域为例［］计—水电自动化与大坝监测，Ｊ．

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，王文鹏（男，通信作者，硕士，工程师，主要研究１９８３—）：ｗ方向：水文预报、水库调度。Ｅ－ｍａｉｌａｎｗｅｎｅｎｅｒｉ．ｇｐｇ＠ｓｇｐｃｃ．ｃｏｍ．ｃｎｓｇ

櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧（上接第４５页）

纤测温系统使用寿命长，安全可靠，其构成的网络可

以遍布各个监测点，光纤网络犹如神经系统，可以感知各监测点的温度信息。分布式光纤测温系统在各个行业得到越来越广泛的应用。

ｉｎｏｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｗｉｔｈｍｏｄｕｌａｔｅｄｌｉｈｔｒｏｂｅｓｃａｔｔｅｒｉｎ　　　　　　ｐｇｐｇ　

］ｆｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｔｅｍｅｒａｔｕｒｅＲａｍａｎｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎＪ．　　　　　ｐｇ［，（）：ｏｆＬｉｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏ１９９９８１３７９１３９１．Ｊｏｕｒｎａｌ　　　－ｇｇｙ

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参考文献

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—ｓｂａｃｋｃａｔｔｅｒｉｎｂａｓｅｄｏｎｓｓｔｅｍｅｎｉｎｅｅｒｉｎＲａｍａｎ　　　　ｇｙｇｇ　］，：ｍｅｔｈｏｄｏｌｏＪ．ＡｃｔａＰｈｔｏｎｉｃａＳｉｎｉｃａ２００１，３０（１）　　ｇｙ［５０５３．－

［］ＡＨＡＮＧ２ＲＡＮＩＭ，ＧＯＧＯＬＬＡ　Ｔ．ＳｏｎｔａｎｅｏｕｓＲａｍａｎ　　ｐ

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/65k1.html