基于拉曼散射的分布式光纤测温系统研究与应用

赵 浩 肖 恺 李 平 黎载红 罗巧梅

（1.平湖波汇通信科技有限公司，浙江 平湖314200；2.上海波汇通信科技有限公司，中国 上海200120）

物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的第三次信息技术革命，将成为下一个万亿级美元以上的产业，传感技术作为物联网中的物理感知和数据采集层，为物联网提供最基础的物理信息数据，构成物联网的基础和核心。基于拉曼散射的分布式光纤测温系统作为物联网感知层设备，可以利用光纤作为温度信号的传导介质，测量沿光纤走向的连续空间内温度场的分布情况。通过高速采集卡采集携带温度信息的数据，并将采集到的数据进行同步累积，数字累加和小波变换的处理，去除噪声的干扰，并通过OTDR 解调准确地得出光纤沿线上任一点被测量在时间和空间上的信息分布，具有抗电磁干扰强、灵敏度高、耐腐蚀、本征安全、测量距离长、定位精度高、使用寿命长等优势。

1 分布式光纤测温系统工作原理

基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器是基于光纤内部的拉曼散射现象的温度特性，利用光时域反射测量技术（OTDR），将较高功率带电光脉冲送入光纤，然后将返回的散射光强随时间的变化探测下来。分布式光纤温度传感器基于背向散射或者前向散射机理，其中背向散射具有温度测量的实际意义，若能测量出背向散射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理[1-2]。

入射光子与介质分子在光纤纤芯介质材料密度的成分起伏和微观变化等因素的影响下，二者相互作用，入射光中光子与分子由于介质的非线性效应而发生非线性碰撞。光子与分子之间在非弹性过程中发生能量交换，光子不仅改变了运动的方向，同时光子的部分能量传递给分子，或者分子振动和转动的部分能量传递给光子，从而改变了光子的频率，这就是拉曼散射[2]。

因为光纤具有一定的长度，且拉曼散射是产生在光纤中的每一个微观点的，所以如何确定我们探测到的拉曼散射在光纤中发生的位置就需要用到光时域反射技术[3-5]。

光时域反射技术（OTDR）最初用于评价光学通信系统中光纤、光连接器等的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的有效手段，同时也是分布式光纤传感器的基础[6]。光源发射出一系列的激光脉冲进入光纤中，它们会在光纤中产生背向散射。在时域中，入射光经后向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，2L=v*t，v=C/n，其中v 为光在光纤中的传播速度、C 为真空中的光速、n 为光纤折射率。在测得时刻t 时，就可求的距离光源L 处的距离。

图1 OTDR 原理框图

图1 中的主时钟产生标准时钟信号，脉冲发生器根据这个时钟产生符合要求的窄脉冲，并且它来调制光源；光定向耦合器将光源发出的光耦合到被测光纤，同时将散射和反射信号耦合进行光检测器，经放大及信号处理后送入示波器，显示输出波形及在数据输出系统输出的有关数据。要进行信号处理的原因是后向散射光非常微弱，淹没在噪声中，只有采用取样积分器对微弱散射光进行取样求和，随机噪声抵消，才能将散射信号取出。

2 系统主要功能

1）实时数据采集：能够实时的采集光缆沿途的温度，形成实时数据库。

2）实时数据显示：显示电缆的实时温度[7]。

3） 升温速率报警： 当电缆达到用户要求设置的升温速率预订值时，可以报警、指出报警电缆处位置、数据存储和打印[8]。

4）超温报警：根据用户要求设置报警和预警温度警戒值，并且可实现电缆分段报警，对电缆的不同部分实施不同标准的报警设置。

5）特性曲线显示：包括某一时段电缆某点的温度变化曲线、某时段电缆温度变化曲线、某时段电缆某点的最高温度变化曲线和某日电缆最高温度分布曲线等。

6）历史数据显示：用户可以通过历史数据查询得到电缆某时刻温度、某日电缆某点的温度、某时刻电缆某点的温度、某日电缆最高温度及某时刻电缆某点的最高温度。

7）远程监控：通过Internet 可对现场设备实施远程监控、诊断和维修等。

3 系统结构及工作机理

基于拉曼散射的分布式光纤测温系统分为硬件与软件两大部分（见图2）。硬件主要有激光器、双向耦合器、光电雪崩二极管、放大器、信号采集处理卡、DTS 主计算机和工控机等组成。软件由采集端程序和分析段程序组成，分别运行在两台PC 机上，通过TCP/IP 协议完成通信。采集端程序运行平台通过与信号处理卡通信，读取卡状态、相关数据，通过运算，计算得出电缆各点的温度值，并将数据发送到分析端，同时在界面显示；分析端程序运行平台通过Internet 接收所采集的温度数据，通过运算，根据预先设置的报警值，产生报警并在图形界面显示，所采集的数据同时被存入相应的实时数据库。传感光缆既是传输载体优势传感媒体，可以把监测对象的温度的实时情况反馈到主机。

图2 基于拉曼散射的分布式光纤测温系统结构图

工作机理：当被监测对象发生温度变化时，传感电缆会感受大温度的变化并随之改变。光纤中背向散射光的强度被调制，并被波分复用器分开成斯托克斯光宇反斯托克斯光，光电雪崩二极管和放大器分别对这两种光进行接收放大处理，然后经信号采集处理卡后，由DTS主计算机进行解调和数据处理，将被测对象上各点的温度信息实时地提取并存储。由工控机对这些数据进行管理，以实现分析、报警。实时显示和查询等功能。

4 工程应用

本系统被某省电力公司安装在220kV 玉贤至七里庙输电线路上，实现对2 回路（玉墨一回、玉墨二回）中的四根电缆（每根电缆长度约5.6km）的表面温度信息的数据采集、数据存储、数据查询、远程监控等功能，从系统主要功能上分为数据采集和数据监控。数据采集端相当于系统的数据服务器负责数据的采集和存储。监控端相当于终端负责对采集到的数据进行图形化展示、监测、查询、分析。通过实时温度监测，可以及时发现潜在危险，发出报警信息，避免电力事故发生，提高电缆的运行安全性和可靠性。

待工程施工及软件配置完成后，系统进入正常运行状态，通过观察监控界面（见图3）的实时数据，可以时刻掌握被测电缆的运行状态。

图3 分布式光纤测温系统监控界面截图

图4 玉墨1 回路A 相电缆温度实时曲线

图5 玉墨1 回路C 相电缆温度实时曲线

图6 玉墨2 回路A 相电缆温度实时曲线

图7 玉墨2 回路C 相电缆温度实时曲线

图4-图7 显示了项目名称、 工控机CPU 的使用率与内存的使用率、DTS 分布式距离至用户对象距离的映射图、 玉墨1 回路A 相和C的分布式温度信息、玉墨2 回路A 相和C 相的分布式温度信息、通过观察这些信息，可随时掌握电缆的运行温度、温度曲线等状态信息。

一旦电缆的发生局部过热，将在监控界面上显示出温度异常信息，弹出报警信息框，并且触发声光报警器，启动短信模块，发出报警信息。

通过分布式光纤测温系统对电缆运行状态的温度信息进行实时监测，及时发现潜在故障，采用多种报警方式提醒用户，以便尽早采取行动，避免事故发生。

5 结论

基于拉曼散射的分布式光纤测温系统能够实时提供待测对象全程的表面温度、导芯温度、接头温度等信息，且具有抗干扰、本征安全、测量距离远、精度高、定位准等优势，是电力电缆、桥梁、隧道等领域在线状态监测的最佳手段。通过在电缆上安装分布式光纤测温系统，能够为用户提供电缆实时运行状态信息，及时发现潜在异常点，实现故障早期预警，防止和杜绝电力事故发生，保证监控对象运行的安全性和可靠性。

［1］刘媛,张勇,雷涛,等.分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J].山东科学,2008,21(6)：50-54.

［2］张在宣,王剑锋,刘红林,等.30km 远程分布式光纤拉曼温度传感器系统的实验研究[J].中国激光,2004,31(5)：613-616.

［3］张在宣,张步新,陈阳.光纤背向激光自发啦曼散射的温度效应研究[J].光子学报,1996,25(3)：273-278.

［4］陈军,李永丽.应用于高压电缆的光纤分布式温度传感技术[J].电力系统及自动化学报,2005,17(3)：47-49.

［5］何明科,张佩宗,李永丽.分布式光纤测温技术在电力设备过热监测中的应用[J].电力设备,2007,8(10)：30-32.

［6］彭超,赵建康,苗付贵.分布式光纤监测技术在线监测电缆温度[J].高电压技术,2006,8(32)：43-45.

［7］刘林红,张在宣,余向东,等.30km 分布式光纤测温传感器的空间分辨率研究[J].仪器仪表学报,2005,26(11)：1195-1210.

［8］郭兆坤,郑晓亮,陆兆辉,等.分布式光纤温度传感技术及其应用[J].中国电子科学研究院学报,2008,3(5)：543-546.