分布式光纤测温系统中解调方法的优化

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分布式光纤测温系统凭借其优良性能在工农业生产中得到广泛使用，随着国民经济的快速发展，对光纤测温系统的性能也提出了更高的要求。-直以来，评价系统性能的重要标准是最大测量距离，然而在某些应用领域，比如高压开关柜触头温度监测和 电力 变压器 的绕组温度监测上 ，测量精度和稳定性往往更为重要 。笔者结合光纤探测单元和测量曲线温度解调方面的现状，提出了对应的优化解调方案，并做了可行性和实用性分析。

1 分布式光纤测温原理分布式光纤测温技术利用某种特定波长的激光在光纤传输中受温度调制的特性，在光纤的发射端将此携温信号进行解调，从而实现分布式测温 。

脉冲激光器发射-定功率的光脉冲注入光纤，激光在向前传输的同时，光子和分子间发生碰撞，产生散射现象，散射类型有 3种：瑞利散射(Rayleigh scatering)；拉曼散射 (Raman scater-ing)；布里渊散射(Brilouin scatering)。经过调制的后向散射光经过波分复用器，得到瑞利光(Ray-leigh)、反斯托克斯光(Anti-Stokes)和斯托克斯光(Stokes)。3种散射光对温度的相对灵敏度为0.806% 、1.065%、0.104% ，而且 瑞利光 比反斯托克斯光强4个数量级左右，比斯托克斯光强3个数量级左右，具体的强度和波长曲线如图 1所示 。

光强， 。 入射瑞利散射 厂反斯托克斯 /差/； 二L I 。

拉曼散射、波长 A图 l 后向散射光光强 -波长分布其中反斯托克斯光强度对温度变化特别敏感，而斯托克斯光几乎与温度无关；考虑到光纤的弯曲、损耗和散射系数以及能更有效地消除光源抖动，通常采用斯托克斯光作为基准光解调反斯托克斯光。由反斯托克斯光和斯托克斯光强度之比与温度的定量关系并结合测温系统内部参考温度和校正函数，就可以得到光纤实际温度信息。

2 探测单元温度值求解该系统采用斯托克斯光作为基准解调反斯托克斯光的方法。光信号经 由雪崩光电二极管APD转换成电信号，其中反斯托克斯光和斯托克斯光的强度之比与温度的关系为 ：I ， 、4F( )孚f l exp[-hcAy/(kr)] (1)s A ，式中 C--光在真空 中的传播速度，c3×10。m/s；h--普朗克常量 ，h6.63×10 J·s；收穑日期：2012-12-20(修改稿)第 2期 吴延华等.分布式光纤测温系统中解调方法的优化 217k--玻尔兹曼常量，k1.38×10 J/K；- - 绝对温度 ；A。、A。--斯托克斯光和反斯托克斯光的波长 ；△ --波数 引。

当光纤温度从当前值变化到任意值时，则有：器ro exp( hAt，/kro (2) F( ) - ) 、由式(2)解调出的温度值为：÷To- ·n器ro (3) △ F因此，由式(3)可得，只要测得相应的强度比值，就可以求解出任意-点的温度值。在光纤测温系统中通常选取某-段作为参考光纤(即在光纤上设置标定区)，这样就能够消除两组信号光通道散射系数、响应度及光滤波因子等差异带来的温度测量误差，同时解决了系统的温度校准问题。

为了得到温度与光强比的关系，化简式(3)得可 ：森对式(4)的计算求解得到温度与光强比在整个温度范围内是非线性的，而文献[3～5]在 0-120C之间中近似作线性处理。因此，在系统的定标过程中，可以通过测试获取不同温度下的光强比值，拟合出-条系统的温度标定曲线，曲线方程为：器 -n (5)式中 口---个给定常量，可以认定为曲线截距 ；m--比例常数，可以认定为曲线斜率；F( )、F( )--基准温度和待测温度下的反斯托克斯光和斯托克斯光的强度比 。

为了方便化简，这里令F器 ，从而式(5)转换成：TF·ma (6)根据最小二乘法对式(6)进行拟合求解，具体的计算公式为：r∑Tim Fn。0 (7) 1B n ∑TIF m· ZF∑ 是从初始温度加热到设定温度然后降到初始温度所有这些温度值的和，其他相应的因子也-样，不再--详述；n是温度取点数，这里把 1℃作为-个温度取值点。

实验时，设定初始温度值和最终加热温度值，从初始温度加热至设定温度，然后再降至初始温度，根据精度要求和实际情况，也可以把 2.OC或者 0.5℃作为-个温度 取值点。当温度变化1.0℃或者更小的变化量时通过软件设定 自动进行数据采集，对于升、降温过程中采集到的数据，不仅比原有的采集数据多了很多，而且同-个温度点具有升、降温两种状态下的光强值，对如此可观的数据进行解调计算，能提高系统的测量精度。

通过实验以及对数据线性拟合得出结论：在0-lo0℃的温度范围内，对温度曲线直接拟合时线性度不是很理想。因此，-般都是把 0～40℃设为低温区，40-100C设为高温区。从式(7)中不难发现，要想对某-温度段的数值进行采样取值，只需做简单的参数设置就能实现，这样就能根据自己的实际需要对0-100C进行任意分段，从而得到最佳的线性度，并能得到很高的精确度。

3 温度 曲线解调3.1 单路解调方式后向拉曼散射信号在光纤传输中的损耗和能量衰减造成实际温度解调曲线的倾斜，而且这种倾斜随着距离的加长而更明显，-般的修正公式为：m n (8)式中 --信号损耗修正系数；- - 光纤的距离长度。

上述修正采用的是单路解调方式，即将脉冲激光从光纤的-端射入，从另-端射出，直接用两种散射光的强度比计算解调温度曲线。这种解调方式对于2km以内的测温系统，效果相当不错；但是当光纤的长度增加时，就会出现甩尾”现象，即曲线依然是倾斜，而且是无规律的分段倾斜，这个倾斜程度随着光纤长度的加长而更加明显。

3.2 回路解调方式对于这种解调方式，-个测试回路需要双芯218 化 工 自 动 化 及 仪 表 第4O卷光缆，把两根光纤尾部熔接起来，从近端的激光入射口采集后向拉曼散射信号。按照这种方式，对于每-个测试点，-次就能取两个截然不同的数据参与计算。这样直接将反斯托克斯光和斯托克斯光做比得到的光强比曲线是实际测量曲线长度的两倍，曲线的中间即为测量的末端，后半路与前半路的曲线在空间位置上是--对应的。所以，对于这样的信号布局直接将后半路的曲线沿测试末端做映射，就能得到同-个点不同光路处的两个光强比值，这两个值做算数平均，即可修正损耗。光纤不同损耗系数也不同，所以对于单回路解调方式，当需要更换不同的光纤时，都必须对损耗系数进行重新校准和标定。光纤损耗系数的不同体现在曲线的斜率上，而回路解调方式是对曲线做映射之后的算术平均值参与解调的，这样就可以很好地修正损耗，这种修正方法大大减小了光纤的损耗系数，提高了测量精度和稳定性。

目前，对中、远距离分布式光纤测温系统的需求不断增加，特别是对最远测量距离 目标的过度追求，在-定程度上限制了回路解调方式的发展；另-个原因就是 出于对光纤响应时间及时性的考虑，回路解调方式在-定程度上会延长测量时间。

但是随着用户多方面的需求，特别是在电力监测预防保护和准确报警方面的强烈需求，差定温式监测报警系统已经逐步取代单纯的定温式报警系统。GB/T 21197-2007第 5.4.2条明确规定了线型光纤感温火灾探测器对于差温报警这-实验项的报警时间要求 。

表 1所列为国标中对差温的响应时间要求对不同的升温速率设定的不同的响应时间范围，但并非越快越好，这样就能避免某些特殊情况引起的误报警和误动作，提高了系统的可靠性，保证了电力系统的安全稳定运行。

表 1 国标对差温响应时间要求4 实验结果采用升、降温数据同时线性拟合并回路解调的方式设计了测试系统 ，具体 的测试 曲线如 图 2所示。实验中，环境温度 20℃，设定加热温度为60C，运 行 测试 软 件。参 数 校 准完 成 后，在4 530-4 580km之间任意选取 了4段作为测试光纤环 ，同时放人 45cI：的恒温水槽 中，测试 图中最下面的曲线为温度解调曲线，其稳定性和精确度都相当不错。

> 亩距离/kin赠图 2 测试 光 纤环加 热 曲线5 结束语分布式光纤测温系统的使用范围越来越广，要求更是在不断提高。笔者提出的升、降温同时采集数据做分段线性拟合的求解方式，提高了探测单元温度解调的线性度，也在-定程度上提高了系统的精确度。随着大功率半导体激光器的发展，获取长距离的测量范围并非难事，而且光纤的芯数对于其价格的影响不大，在-些需要较高稳定度和精度的应用场所，回路解调方式将会体现出更大的优势 。