一种高精度单模光纤的分布式温度测试系统

中国电子科技集团公司第四十一研究所 于文林 袁 明 闫继送

0 引言

在现代社会中，电力电缆、地底隧道、油罐、矿洞等都需要有热力或温度监测，而在现有的温度测试系统中，分布式光纤温度测试系统作为一种新型的测试系统正被广泛应用。它是利用光在光纤中的自发拉曼散射效应和光时域反射技术从而获得分布式光纤各点的温度。它可以实现分布式长距离的温度测试，而且可以通过光纤长度定位所在位置的温度信息。相较于传统点式的温度测试，其成本更低，但由于其测试系统本身随时间其内部光电器件会逐渐老化，而且随着距离的增加会使光信号损耗增加，最终都会导致温度测试误差变大。所以在本测试系统中，采用单模光纤，减小了因距离增加带来的损耗。本文设计了一种基于分布式光纤温度测试的温度信息测试系统，能定位各点的温度信息并作出及时反馈，从而达到对各位置点温度信息的监控的目的。

1 分布式光纤温度测试系统

1.1 分布式光纤温度测试系统原理

本系统的原理是基于光纤的拉曼散射温度效应。当激光脉冲在光纤中传播时，其与光纤中的分子相互作用会发生拉曼散射，散射出的光比原波长长的光为斯托克斯光Stokes，比原波长段的光为反斯托克斯光Anti-Stokes，其中反斯托克斯光对温度信息非常敏感，而斯托克斯光与温度相关不大。所以，激光脉冲传播时将在光纤上的任何一点的产生的Anti-Stokes光信号强度与Stokes光信号强度进行比值就可以得到该点的温度信息。该信息温度解调公式为：

式中T为绝对温度；T0为标定温度；k为玻尔兹曼常数；h为普朗克常量；c为光速；v为频移波数；R(T )为待测温度的反斯托克斯光强与斯托克斯光强的比值；R(T0)为标定温度的反斯托克斯光强与斯托克斯光强的比值。

图1 分布式光纤温度测试系统结构图

1.2 分布式光纤温度测试系统结构

分布式光纤温度测试系统构成如图1，其主要包括脉冲光模块（激光器、掺铒光纤放大器EDFA等）、拉曼波分复用光路、温度测试光纤、光电探测模块（光电探测器APD、微弱信号探测电路及A/D采集等）、数据处理及显示模块。脉冲光模块为系统提供能量足够的脉冲光，同时向数据采集板发出同步脉冲。脉冲光由光纤耦合进入拉曼波分复用器WDM，而后进入温度测试光纤。在温度测试光纤中每一个位置每一个点脉冲光都会产生背向散射光，其又进入WDM耦合输出两个波长光即斯托克斯光（stokes）和反斯托克斯光（anti-stokes）。用APD对这两路光信号进行探测实现光电转化，再对电信号进行放大得到相应的电压值，此电压经过后续的差分信号放大电路、A/D变换电路后进入FPGA中进行数据处理，处理后上传至系统中进行图形显示及分析处理，最终得出温度测试光纤的各个位置的温度信息曲线。

2 分布式光纤温度测试结果与分析

将系统按设计组成后对温度测试光纤进行测试，测试结果如图2。

图2 分布式光纤温度测试补偿修正试验图

针对系统的测试指标，本文分别对测试长距离、温度分辨率、空间分辨率等做了一些测试试验。

2.1 测试距离

针对测试距离，为了达到长距离测试，本文用了10km以上的光纤进行测试，并以温度测试末端作为测试的最远距离。其测试结果如表1：

表1 温度距离测试表

2.2 测试温度分辨率

为了测试本系统的温度分辨率，本文将温度测试光纤放入40℃的恒温箱中，用系统对温度测试光纤进行多次测试，其结果如表2。

表2 温度分辨率测试结果

表3 空间分辨率测试结果

从表2结果分析，可以看出本系统的测试温度分辨率可达0.5℃

2.3 测试空间分辨率

分布式温度测试系统的空间分辨率本文采用温度突变化量的比例来测试的，即取温度突变时的温度变化量的10%到90%的位置差。其测试结果如表3。

3 总结

本文设计了一种高精度长距离的分布式光纤温度测试系统，通过对温度光纤的分布式测试，实现了对分布式光纤各点温度信息的监测，其大大加强了单模光纤在分布式温度测试领域的应用。试验结果表明，本系统温度测试距离大于10km，温度精度0.5℃，空间分辨率1m，在分布式温度测试领域指标已达到优异程度。