关于基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的研究与实现

0 引言

目前，大电网、超高压、自动化、大容量是我国电力系统发展的方向，监测地下电缆的温度可进行电网输配电能力的优化，这种需求增长迅速[1]。地下的电网系统在正常的极限设计当中不会出现负载运行的情况，但是社会发展随之而来的就是社会用电量增大，在相应情况下电网的负载也越来越大，各种各样的设备和系统相连接，使得事故发生的概率增大了，可能造成巨大经济损失[2]。在线监测系统下，电缆事故隐患可降低或彻底消除，在今后，温度监测系统对电缆的运行状态进行检测将会普及[3]。分布式光纤的温度检测系统是实现电缆在线检测的一个好方法，在进行常规测量时能够实现多点测量和在线测量，有效解决电缆出现的燃烧、高温、火灾、爆炸等事故，应用前景非常广泛[4]。本文设计出分布式光纤测温系统，并通过室内和室外试验对仪器的稳定性和准确性进行了验证。

1 测温系统的方案设计

1.1 光纤分布式测温的实现过程

图1为分布式光纤测温系统框图。在图1中，光纤具有传感器和传输介质两个作用。系统的组成包括光学部分、信号采集部分、信号处理部分。光学部分组成包括激光发射、脉冲驱动电源、光电检测、波分复用器（WDM）、传感光纤；信号采集和处理部分组成包括模数转换、信号放大、数据采集、数据处理。在进行传感光纤布置时，布置方向为电缆长度的方向，启动计算机控制的电路脉冲，将会使得电流源和半导体激光器被驱动起来从而进行工作。通过波分复用器WDM输出LD，光纤中被射入激光。根据现场的具体实际情况，其温度信息会由拉曼散射光携带，散射光的采集由光电二极管（APD）进行，完成光电间的转换。因拉曼散射光较弱，采用放大器对拉曼散射光信号放大处理。测量结果通过模数转换器进行转换，形成数字量。监控系统可以借助主机实现网络的管理和监测。

1.2 数据采集和处理

散射光信号较弱是拉曼散射测温系统的主要缺点，散射光信号约为入射光的0.93%，信噪比非常小，在噪声中，几乎完全淹没了测量信息，信号处理单元以DSP系统为核心，主要是对光电检测器输出信号进行放大、采样和处理，并将温度解调出。在噪声条件下，对放大微弱信号幅值进行有效抑制是数据处理的核心。

1.2.1 拉曼散射信号的特点

拉曼散射信号信噪比较低，在噪声中，有用温度信息会被淹没；有用温度信息具有较低频率，噪声具有较高频率；信号噪声强度远端大，近端小。因此，系统提出使用将小波分析和累加平均结合的方法对采集的数据进行处理，这样得到的温度信号更为准确。 

1.2.2 信号预处理

在光纤测温系统中，噪声具有零均值统计特性，系统中的低频噪声干扰可通过数字累加的方式将其去除，通过噪声的统计特性进行降噪。通过数字平均的方法处理信号，提高信噪比，在DSP内存单元中，依次对一次测量的N点数据进行存储，对于下一次测量的N点数据，将其与内存对应单元数据进行相加，然后将其放回原内存单元，这样的循环进行M次，然后各单元进行求平均。通过将每次测量的N点数据以向量形式表达，用式(1)表示第i次测量结果：

1.2.3 测温实验

在1 km长的光纤中，将两个光纤点A、B加热，进行本研究研制的分布式光纤测温系统的温度空间分布特性、拉曼光时域反射的测温实验，在1 km长的光纤100 m（A点）、500 m（B点）处，用2个55 ℃的热源进行点辐射加热，图2为温度点布置。

通过实验测得，本研究研制的系统温度测量长度范围可达到0～12 km，2 m为最小的采样分辨率，同时也是最小的空间分辨率。系统能够测量在12 km范围内的电缆温升情况，同时还能够对微小温升情况作预判，方便后续维修工作。

2 应用实例

2.1 室内实验

室内试验在恒温的水槽中进行，其中放入一段多模光纤，加热使水保持在26 ℃、32 ℃、38 ℃、44 ℃、50 ℃、56 ℃，将DTS测出的温度值和实际的水温进行对比，能够得出其测量的精度较高，达到了实验需要。图3为温度标定数据图，可看出最大测量误差为0.25 ℃。

2.2 室外实验

试验地点为沈阳市郊某大桥上游河滩上，试验场地尺寸为6.5 m×6.5 m×6.5 m，用于测温的光纤是以蛇形分布被埋于地下的，分为4个层次，每一层之间的间隔以米为单位。水注射进去之后实现温度的测量保证光纤温度的恒定。从11:20:22开始注水试验，试验水温17.4℃～16.1℃，持续300 min，在注水过程中，全程进行温度监测。从底部第四层开始铺设光纤，由上而下，每层光纤长度分别为：105m～138m、71m～104m、35m～70m、0m～34m。在注水后，选取A（13.10.22）、B（16.10.22）、C（11.10.22）3个时间点的温度进行比较，从图4可看出，通过传感光纤，各层温度变化情况能得到很好反映。在地层深度不同时，原温度分布为规则阶梯状，在水流通道、注水点处，随着注水的进行，温度出现异常，比原温度增高明显。在13:10:22时，曲线A整体温度较高，有一部分地理气候原因，同时和试验地较多砾石底层温度较低也是密不可分的。第1层具有较高地温，在注水后，周围温度变化较小，第2层、第4层在注水点的周围温度升高的情况比较明显。分布式光纤的测温技术既能够实现自动检测，同时还能够实现分布式的温度测量，在实际应用中非常方便。

3 结论

本文对拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光比值与温度分布的关系进行了分析，并给出光时域反射距离定位解析表达式，设计出分布式光纤测温系统，并通过室内和室外试验对仪器的稳定性和准确性进行了验证。室内对恒温槽的水温进行测量，其最大测量误差为0.25 ℃，室外实验地点在沈阳市郊某大桥上游河滩上，对埋入地下的四层光纤进行注水并测温，通过传感光纤，各层温度变化情况能得到很好反映。