關(guān)于基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

0 引言

目前，大電網(wǎng)、超高壓、自動(dòng)化、大容量是我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展的方向，監(jiān)測(cè)地下電纜的溫度可進(jìn)行電網(wǎng)輸配電能力的優(yōu)化，這種需求增長(zhǎng)迅速[1]。地下的電網(wǎng)系統(tǒng)在正常的極限設(shè)計(jì)當(dāng)中不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載運(yùn)行的情況，但是社會(huì)發(fā)展隨之而來的就是社會(huì)用電量增大，在相應(yīng)情況下電網(wǎng)的負(fù)載也越來越大，各種各樣的設(shè)備和系統(tǒng)相連接，使得事故發(fā)生的概率增大了，可能造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下，電纜事故隱患可降低或徹底消除，在今后，溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)將會(huì)普及[3]。分布式光纖的溫度檢測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電纜在線檢測(cè)的一個(gè)好方法，在進(jìn)行常規(guī)測(cè)量時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量和在線測(cè)量，有效解決電纜出現(xiàn)的燃燒、高溫、火災(zāi)、爆炸等事故，應(yīng)用前景非常廣泛[4]。本文設(shè)計(jì)出分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，并通過室內(nèi)和室外試驗(yàn)對(duì)儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 測(cè)溫系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

1.1 光纖分布式測(cè)溫的實(shí)現(xiàn)過程

圖1為分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)框圖。在圖1中，光纖具有傳感器和傳輸介質(zhì)兩個(gè)作用。系統(tǒng)的組成包括光學(xué)部分、信號(hào)采集部分、信號(hào)處理部分。光學(xué)部分組成包括激光發(fā)射、脈沖驅(qū)動(dòng)電源、光電檢測(cè)、波分復(fù)用器（WDM）、傳感光纖；信號(hào)采集和處理部分組成包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。在進(jìn)行傳感光纖布置時(shí)，布置方向?yàn)殡娎|長(zhǎng)度的方向，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制的電路脈沖，將會(huì)使得電流源和半導(dǎo)體激光器被驅(qū)動(dòng)起來從而進(jìn)行工作。通過波分復(fù)用器WDM輸出LD，光纖中被射入激光。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體實(shí)際情況，其溫度信息會(huì)由拉曼散射光攜帶，散射光的采集由光電二極管（APD）進(jìn)行，完成光電間的轉(zhuǎn)換。因拉曼散射光較弱，采用放大器對(duì)拉曼散射光信號(hào)放大處理。測(cè)量結(jié)果通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字量。監(jiān)控系統(tǒng)可以借助主機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和監(jiān)測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)采集和處理

散射光信號(hào)較弱是拉曼散射測(cè)溫系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)，散射光信號(hào)約為入射光的0.93%，信噪比非常小，在噪聲中，幾乎完全淹沒了測(cè)量信息，信號(hào)處理單元以DSP系統(tǒng)為核心，主要是對(duì)光電檢測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行放大、采樣和處理，并將溫度解調(diào)出。在噪聲條件下，對(duì)放大微弱信號(hào)幅值進(jìn)行有效抑制是數(shù)據(jù)處理的核心。

1.2.1 拉曼散射信號(hào)的特點(diǎn)

拉曼散射信號(hào)信噪比較低，在噪聲中，有用溫度信息會(huì)被淹沒；有用溫度信息具有較低頻率，噪聲具有較高頻率；信號(hào)噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)端大，近端小。因此，系統(tǒng)提出使用將小波分析和累加平均結(jié)合的方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣得到的溫度信號(hào)更為準(zhǔn)確。

1.2.2 信號(hào)預(yù)處理

在光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，噪聲具有零均值統(tǒng)計(jì)特性，系統(tǒng)中的低頻噪聲干擾可通過數(shù)字累加的方式將其去除，通過噪聲的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行降噪。通過數(shù)字平均的方法處理信號(hào)，提高信噪比，在DSP內(nèi)存單元中，依次對(duì)一次測(cè)量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)于下一次測(cè)量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其與內(nèi)存對(duì)應(yīng)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行相加，然后將其放回原內(nèi)存單元，這樣的循環(huán)進(jìn)行M次，然后各單元進(jìn)行求平均。通過將每次測(cè)量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)以向量形式表達(dá)，用式(1)表示第i次測(cè)量結(jié)果：

1.2.3 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

在1 km長(zhǎng)的光纖中，將兩個(gè)光纖點(diǎn)A、B加熱，進(jìn)行本研究研制的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的溫度空間分布特性、拉曼光時(shí)域反射的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，在1 km長(zhǎng)的光纖100 m（A點(diǎn)）、500 m（B點(diǎn)）處，用2個(gè)55 ℃的熱源進(jìn)行點(diǎn)輻射加熱，圖2為溫度點(diǎn)布置。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，本研究研制的系統(tǒng)溫度測(cè)量長(zhǎng)度范圍可達(dá)到0～12 km，2 m為最小的采樣分辨率，同時(shí)也是最小的空間分辨率。系統(tǒng)能夠測(cè)量在12 km范圍內(nèi)的電纜溫升情況，同時(shí)還能夠?qū)ξ⑿厣闆r作預(yù)判，方便后續(xù)維修工作。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)在恒溫的水槽中進(jìn)行，其中放入一段多模光纖，加熱使水保持在26 ℃、32 ℃、38 ℃、44 ℃、50 ℃、56 ℃，將DTS測(cè)出的溫度值和實(shí)際的水溫進(jìn)行對(duì)比，能夠得出其測(cè)量的精度較高，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)需要。圖3為溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)圖，可看出最大測(cè)量誤差為0.25 ℃。

2.2 室外實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為沈陽市郊某大橋上游河灘上，試驗(yàn)場(chǎng)地尺寸為6.5 m×6.5 m×6.5 m，用于測(cè)溫的光纖是以蛇形分布被埋于地下的，分為4個(gè)層次，每一層之間的間隔以米為單位。水注射進(jìn)去之后實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量保證光纖溫度的恒定。從11:20:22開始注水試驗(yàn)，試驗(yàn)水溫17.4℃～16.1℃，持續(xù)300 min，在注水過程中，全程進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。從底部第四層開始鋪設(shè)光纖，由上而下，每層光纖長(zhǎng)度分別為：105m～138m、71m～104m、35m～70m、0m～34m。在注水后，選取A（13.10.22）、B（16.10.22）、C（11.10.22）3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度進(jìn)行比較，從圖4可看出，通過傳感光纖，各層溫度變化情況能得到很好反映。在地層深度不同時(shí)，原溫度分布為規(guī)則階梯狀，在水流通道、注水點(diǎn)處，隨著注水的進(jìn)行，溫度出現(xiàn)異常，比原溫度增高明顯。在13:10:22時(shí)，曲線A整體溫度較高，有一部分地理氣候原因，同時(shí)和試驗(yàn)地較多礫石底層溫度較低也是密不可分的。第1層具有較高地溫，在注水后，周圍溫度變化較小，第2層、第4層在注水點(diǎn)的周圍溫度升高的情況比較明顯。分布式光纖的測(cè)溫技術(shù)既能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)分布式的溫度測(cè)量，在實(shí)際應(yīng)用中非常方便。

3 結(jié)論

本文對(duì)拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光比值與溫度分布的關(guān)系進(jìn)行了分析，并給出光時(shí)域反射距離定位解析表達(dá)式，設(shè)計(jì)出分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，并通過室內(nèi)和室外試驗(yàn)對(duì)儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。室內(nèi)對(duì)恒溫槽的水溫進(jìn)行測(cè)量，其最大測(cè)量誤差為0.25 ℃，室外實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在沈陽市郊某大橋上游河灘上，對(duì)埋入地下的四層光纖進(jìn)行注水并測(cè)溫，通過傳感光纖，各層溫度變化情況能得到很好反映。