基于拉曼散射分布式光纤测温系统探究和应用

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1、基于拉曼散射分布式光纤测温系统探究和应用【摘要】基于拉曼散射的分布式光纤测温系统是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统，可以对光纤沿线的温度数据进行实时和定点监控，适合于电力系统、通信系统的温度参量测试以及油罐、海底隧道等不易获得温度数据的场所。综述了基于拉曼散射的分布式光纤测温系统工作原理及系统功能、架构，并介绍了系统在某省玉贤至七里庙输电线路中探测电缆安装、系统安装和监测情况。监测结果表明该系统能较好地获得被监控髙压电缆的相关温度变化信息【关键词】分布式光纤测温；拉曼散射；OTDR；温度

2、；电缆物联网是继计算机、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

3、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］o入射光子与介质分子在光纤纤

4、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］o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

5、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二v?鄢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1OTDR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

6、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]o4）

7、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

8、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