长距离光栅阵列温度测量系统设计与实现

欧阳修筑

（武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430073）

温度测量与监控在实际工程施工场景与环境消防监控中具有广泛的应用，例如在长距离输气管线、高压输电线路和电缆廊道等场景中都需要在较长距离上对温度进行实时、快速和准确的监控测量。利用光纤传感原理来实现对温度的监测拥有相较于传统电学传感器不具备的特点，包括抗电磁干扰、耐腐蚀、轻巧、灵敏度高和通信容量大等。在光纤传感领域，基于拉曼散射的分布式温度测量系统、基于布里渊散射的光时域分析仪以及基于光纤光栅的温度测量系统已经大量投入了实际使用。其中光纤光栅用于光纤传感具有响应快、精度高、易解调等特点[1]。

传统光纤光栅由于无法大规模复用，正在逐渐向阵列形式的光栅过渡。在国内，目前只有武汉理工大学公开报道采用相位掩模法实现了在线制备光栅阵列[2]，这种方法的光路简单，光栅布拉格波长不受紫外激光器波长的影响，而由光纤有效折射率和掩模板掩模周期决定，有利于制作“全同”光栅阵列[3-4]。利用在线制备光栅的方式，能够在光纤拉丝塔上连续获得数十千米的光栅阵列，其中光栅最多可达50 000 个，光纤中的光栅以阵列形式按给定的间距分布，且光栅是在光纤制备过程中用激光器和相位掩模板写入的，有利于保持光纤的机械强度。

基于光栅阵列的温度解调系统[5]，是将弱光栅阵列的光纤光缆应用在温度测量中，以光栅阵列作为温度探测的传感器，以解调系统光源发出的光作为信号光，搭配光电转换、数据采集等模块以及PC 端软件为一体的解调仪，通过光纤光栅阵列反射回来的光解调出温度信息。现有的测温系统能对一根光纤上的所有光栅进行定位和温度标定，投入使用的解调仪可接入光纤长度不超过10 km，能达到0.1 ℃的温度分辨率，温度精度在±1 ℃，空间分辨率最小能达到10 cm[6]。文中提出了一种基于原有系统的新的光路结构，通过引入拉曼放大器，实现长距离分布式温度监测，最远测量距离可达60 km，文中对新系统的性能进行了测试。

1 系统设计

1.1 光栅阵列测温系统原理

利用光栅阵列实现温度测量，主要依靠光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）的波长选择特性，即反射特定波长的光信号，透射其余波长成分的光，这个特定的波长称为光纤光栅的中心波长。而光栅感知到外界的温度或者应力变化时，其中心波长会发生偏移，通过监测和解算这个偏移量，从中可以获得温度变化的信息[7-10]。式（1）表示布拉格光栅中心波长λB与光纤有效折射率和光栅周期的关系，neff指光纤纤芯的有效折射率，Λ指光栅的反射周期，也就是形成光纤光栅的折射率变化周期。

只考虑温度的影响，光纤光栅感知外界温度的变化发生热胀冷缩，热膨胀效应会改变光栅的折射率变化周期Λ；同时，热光效应的存在也会改变光纤纤芯的有效折射率neff，于是将式（1）对温度T求微分可得到：

将式（2）与式（1）相除，得到式（3）：

在式（4）中，定义光栅布拉格中心波长的变化量与温度变化量的比值为温度变化灵敏系数KT，得到式（5）、式（6）：

从式（6）中可以看出，光纤光栅中心波长(λB)的偏移量与温度（T）的变化量成线性关系，常温条件下，温敏系数KT≈10 pm/℃。

由上述推导的温度与光栅中心波长的关系式可以解算出温度值[11]，基于光栅阵列的温度解调系统采用图1 所示的光路结构，扫描光源发出的光经过脉冲调制成脉冲光，经过EDFA 的放大，进入分路器，随后光信号进入光栅传感阵列，光栅反射的回光回到分路器进入光电转换模块，后续经过数据采集、处理、解调从而得到温度信息。普通的光栅阵列温度解调系统能够实现1 m 或者10 cm 的空间分辨率，温度精度±1 ℃，温度响应时间1 s，温度分辨率0.1 ℃，最多可支持8个传感通道同时工作，以及传感距离8 km 的指标。目前此系统已大量投入隧道火灾报警、石油石化管道温度监测等工程实际使用场景[12]。

图1 光栅阵列测温系统光路结构

1.2 长距离光栅阵列测温系统设计

实现长距离温度传感面临的最直观的问题是距离过长带来的线路损耗问题，在光纤传输长距离场景中常使用光纤拉曼放大器来对传输线路进行补偿[13]。利用光纤材质本身的受激拉曼散射现象，只要给予一束泵浦光，当一个波长在这个泵浦光拉曼带宽内的信号光同时与泵浦光在光纤中传输时，微粒碰撞带来的波长变换效果使得弱信号得到放大，图2 是受激拉曼散射的示意图。相干光子入射到传输介质上，与热振动声子发生碰撞，产生一个Stokes 光子和一个受激声子ωmn，受激声子再与入射光子发生碰撞，又产生一个Stokes 光子和一个受激声子。于是，受激声子形成类似“雪崩”的过程，Stokes 光的强度会大幅提高，可以与入射光相当。这是第一阶Stokes 受激散射的原理[10]。

图2 受激拉曼散射过程示意图

拉曼放大器根据应用形式可以分为分布式和分立式两种，分立式拉曼放大器一般作为局部放大使用；分布式光纤拉曼放大器以传输光纤作为放大介质，可以沿线对信号进行分布式的放大补偿，在长距离光传输领域分布式光纤拉曼放大器有更好的应用前景。通过引入拉曼放大器，在已有系统基础上进行改进，得到了图3 所示面向长距离应用场景的基于光栅阵列的温度探测系统，实物图如图4 所示，对应的器件标识：①光源；②光路盘纤盒；③拉曼放大器；④EDFA（PA）；⑤数据采集卡（在盖板下方，图中被遮挡）；⑥光电探测器PD；⑦工控机；⑧供电模块。

图3 长距离系统结构图

图4 系统实物图

扫频光源发出的光经过滤波器后进入环形器的1 端，从2 端经过拉曼放大器，拉曼放大器的输出端接传感光栅阵列，光栅反射的回光经环形器2 端从3端输出，经过滤波后进入PA 前置放大模块，随后被光电探测PD 接收转入数据采集模块，采集卡对信号进行处理后上传到工控机中，使用上位机软件解调得到温度等信息。工作过程中，数据采集卡的信号采集同步光源脉冲的出射，通过工控机可以统一管理图中的有源器件。

入纤功率超过17 dBm 容易引起光纤非线性效应，将光源模块出光功率设为15 dBm，链路中的损耗分为传输损耗和光栅反射造成的功率削减两部分。单模光纤传输损耗一般为每千米0.2 dB。对于60 km的传输距离，单程损耗为12 dB，来回损耗为24 dB。光栅阵列所用光栅反射率通常为1‱，即强度为1 dBm 的信号通过一个光栅后功率为0.999 9 dBm；若每隔2 m 一个光栅，则有30 000个光栅，0.999 9^30 000=0.049 8，转换为损耗得13 dB，往返则为26 dB，加上线路传输损耗，则2 m 间距的传感阵列损耗估算为50 dB，回光经过前置放大模块能得到30 dB 放大倍数，15-50+30=-5 dB，理论上光电探测PD 接收到的信号强度是足以解调的。但是实际上，由于光栅阵列存在阴影效应，下游光栅受到上游光栅的遮蔽，信号功率损失会高于理论计算值，所以必须引入拉曼放大器来对传输链路进行整体的分布式放大补偿，拉曼放大器通常能提供10 dB 的增益。

2 测温系统性能实验

2.1 温度测量系统性能指标

对于温度测量系统来说，通常关注的几个性能指标[14-16]如表1 所示。

表1 温度测量系统性能指标

对于基于光栅阵列的温度测量系统，光栅阵列中光栅的间距就代表了空间分辨率，前面用2 m 间距的光栅进行了损耗分析，实际上可以采用两种不同中心波长的光栅间隔1 m 交替排布形成阵列，这样对于单一波长的光栅来说是2 m 间距，但是通过两种波长波分复用使得系统可以实现1 m 的空间分辨率，如图5 所示。

图5 间隔1 m的双波长光栅阵列示意图

传感阵列性能一致性是指光栅阵列的不同光栅对于同一温度变化作出响应的一致性，考量响应速度、温度精度等是否一致，这个指标主要跟光纤光栅自身有关，一整段光栅阵列不能保证每一个光栅对温度变化的响应都严格相同，光栅之间偏差要在可接受的范围内。

2.2 长距离系统温度实验

图6 所示是长距离温度测量系统的实验图，将长距离系统接入电源，通过网口连接计算机，用光纤跳线接入光栅阵列，从光栅盘另一侧抽取最后一个光栅点位放入水浴加热箱中，测试温度解调系统在最远距离处的温度变化响应时间、温度测量精度。选用的光栅阵列为1 m间隔双波长（1 550 nm、1 552 nm），信号传输距离为55 km，实验时将待测的光栅点完全浸泡至水浴箱中。系统实验装置对应的实物图如图7 所示。

图6 实验装置示意图

图7 实验装置实物图

由式（6）可知，光栅中心波长的偏移量与环境温度的变化量近似成线性关系，常用温度系数KT来表征这种关系，该值直接影响温度测量的精度，于是先利用解调系统对最后一个光栅采集了10 组波长数据，如表2 所示。同时根据水浴箱的温度绘制了温度-波长曲线，如图8 所示，该图的斜率就是温度系数KT。从图中可以拟合得到该光栅的温度系数约为11.6，根据温度系数的值可以通过解调系统进行温度探测解算。

图8 温度-波长曲线图

表2 温度-波长数据

用图6 的装置连续测量多组温度值，由解调系统解算得初始温度为22 ℃，水浴箱温度计测得温度为21.3 ℃。设置水浴箱温度从25 ℃开始，依次递增5 ℃，直到75 ℃，记录解调系统和水浴箱温度计的测值，得到图9 所示的温度曲线图。

图9 中实线为温度计所测温度，曲线上标明了相应温度点的温度值；虚线为解调系统获取到的温度。可以看到，在达到60 ℃以前，解算温度与实测温度相差在1 ℃以内，随后两者的差值慢慢变大，75 ℃时差值已经接近2 ℃；在40～60 ℃范围内，两者温度测值贴合得很好，越偏离这个范围，两者的测值差就越来越大。

图9 实际温度与解算温度曲线图

由图9 可知，温度系数KT并不是一个固定值，某一个KT取值对应了一段系统解调适用的温度范围。

图10 所示是长距离温度解调系统对系统某一个光栅的温度跟踪曲线，图中横轴表示时间，将水浴箱设置加热至45 ℃左右，室温约为18 ℃，以横轴的两个单元格作为时间间隔，把该光栅从室温放入水浴箱，再经过两个时间单元格将光栅拿出，重复这一过程。从图10 中可以看到，光栅的环境温度变化以后，系统每次作出响应都有一定的延时，即软件解调出来的温度总是在时间略超出两个时间单元格时才发生变化。经过多组实验对比，可得出系统对温度变化的响应时间为10 s。

图10 温度跟踪曲线软件界面

为了提升系统的动态范围，可以设置高温系数和低温系数两个KT值，当温度超过一个临界值时用高温系数来解算温度，这样总体上可以保证系统将温度精度控制在±1 ℃。图9 所示的解算温度随着温度升高越来越低于实际温度，而温度较低时解算温度高于实测温度，根据式（6）可知，高温系数应该设置为比低温系数更小的值。

另一种提升系统测量精度的方法是通过二阶关系来拟合温度与波长变化的关系，在文中只用了线性关系来描述温度受到中心波长调制的变化关系，前面已经提到，只有温度在一定范围内时这种线性关系才比较准确地刻画了温度与波长的关系，实际上形如λB=aT2+bT+c的关系式能更准确地根据波长来解算温度。

3 结论

在我国数万公里的输气管线以及高压输电线路等应用场景中，长距离温度测量是非常必要的，以光栅阵列为载体实现温度测量是其中一个非常有前景的发展方向。

文中设计并搭建了一套基于光栅阵列的长距离温度解调系统，该系统加入了拉曼光纤放大器，工作距离大幅提升，最远可达60 km，灵活调整温度系数可以精准、实时解调温度。选用波长为1 550 nm、1 552 nm 构成的1 m 间隔光栅阵列在55 km 处达到了10 s 的响应时间、±1 ℃的温度测量精度和0.1 ℃的温度分辨率，系统的空间分辨率为1 m。该系统有利于后续在管线监测等大范围、长距离工程场景中光栅阵列系列温度产品的推广和应用。但在该系统的稳定性以及传感阵列一致性等问题仍需后续继续研究考证。