基于TDLAS的時分復用型甲烷多點監測系統

盧 雨,印新達,于本化,劉 璽,熊 巖,董 雷(1.武漢郵電科學研究院，湖北武漢,430074；.武漢理工光科股份有限公司,湖北武漢,43000)

基于TDLAS的時分復用型甲烷多點監測系統

盧 雨1,2,印新達2,于本化2,劉 璽2,熊 巖2,董 雷2
(1.武漢郵電科學研究院，湖北武漢,430074；2.武漢理工光科股份有限公司,湖北武漢,430200)

本文設計了一種新型的甲烷多點監測系統，該系統采用分路器將光源出射光分別送至各個氣室單元，利用時分復用原理讓各氣室信號合路傳輸，然后對解復用后的各路信號進行數據處理，得到待測的濃度信息，實現甲烷濃度的多點實時監控。該系統具有諧波檢測技術的優點，且時分復用的引用使得線路的鋪設及遠程監控更加方便。該系統可實現煤礦等場所的甲烷氣體的分布式監測。

TDLAS；二次諧波；多點監測；時分復用

0 引言

瓦斯爆炸歷來都是煤礦主要災害之一，為了防止這類事故的發生，對周圍環境氣體進行早期的監測是十分必要的。因此，研究人員研發出了各種類型的甲烷濃度檢測技術，其中包括目前對單點測量精度很高的TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技術，也稱為可調諧二極管激光吸收光譜的諧波檢測技術。但在實際應用時，僅了解單個點的氣體濃度是不能滿足日益增長的需要的，往往氣體彌漫在空氣中時，各點的濃度不相同，而且隨著氣體的移動，各點的濃度也在不斷變化，及時掌握各點的濃度變化可以更好的進行災害的預報，因此構建一個氣體傳感網絡是很有意義的。

1 TDLAS技術的工作原理

分子都具有吸收光譜，即當處于氣體吸收光譜內的某一波長的光照射到該氣體時，由于氣體的吸收作用導致光強衰減的現象。不同的氣體分子結構不同，對應的吸收光譜也不同，經過吸收后的輸出的光強可由比爾—蘭伯特定律得到

其中α(ν)為氣體吸收系數，即氣體在一定頻率ν處的吸收線形；L為吸收路徑的長度；C為氣體濃度。但僅僅由這個公式我們得到的氣體濃度往往精確度不高，因此，我們需進一步的處理，來確定其精確濃度。如果光源譜分布帶寬遠遠小于氣體吸收線帶寬，通過對光源注入電流進行正弦調制，光源頻率和輸出光強也將收到相應的調制。

其中ν表示光源經過調制的頻率，ν0表示光源未經過調制時的中心頻率，νm表示調制幅度，代表光源調制后的光強，代表光源未經過調制的光強，η代表光強調制系數，其中，其中是電流調制頻率，將公式(3)帶入公式(1):

，這樣，可以用近似公式

將其帶入公式(4)可得到：

當氣體氣壓接近一個標準大氣壓時，紅外光譜的碰撞加寬起主要作用，因此氣體分子的吸收線型可以用洛倫茲曲線描述：

將其展開為傅里葉級數序列，得到各次諧波的幅值，如圖1所示：

圖1： 各次諧波幅值與歸一化頻率關系

當光源輸出中心波長被精確的鎖定在氣體吸收峰上時，即歸一化頻率為0時，得到輸出光強二次諧波是一個與氣體濃度相關的函數：

同時可以看到圖中一次諧波幅值在此處值為0，但是由于強度調制的影響，一次諧波幅值信號中存在一個與濃度無關的直流分量，即一次諧波信號值不為零：

可公式(11)和(12)可知，二次諧波和一次諧波的比值不含有項，用該比值作為系統的輸出可以消除光強波動等因素帶來的干擾，因此，監測二次諧波即可以獲得氣體濃度信息。

2 多點監測系統

之前有文章提出采用波分復用的方式來做多點監測系統，這種方法是利用氣體的某一段吸收譜線，以利用不同的吸收峰標記不同的傳感點。利用波分復用器將寬譜光源的出射光分為若干個不同波長的窄帶光,每個窄帶光中只包含氣體的一個吸收峰并被送入不同的氣室,隨后攜帶各監測點氣體濃度信息的窄帶光再經波分復用器并為一路送給接收系統分析。最后根據波長和吸收峰峰值可一次性得知整個系統中各傳感點的氣體濃度。但由于甲烷氣體波段不在常用的通信波段內，因此需要定制波分復用器，提高了成本，而且其各點的測量精度也不高。

本文則是在基于TDLAS計算二次諧波的基礎上采用空分復用-時分復用復合的方式來進行設計的。其結構圖如圖2所示：

圖2： 多點監測系統框圖

根據查詢到的甲烷吸收光譜圖，選取1663.6nm波長作為甲烷的吸收波長，此處甲烷氣體的吸收系數大，而且其他氣體（比如水蒸氣和二氧化碳）在此處無明顯吸收。

根據上文提到的TDLAS技術，采用分布式反饋激光器（DFB）作為光源，光源出射光經過1：N分路器作空分復用，各路光將會被分別送到分布在各點的氣室單元，經過充斥在氣室內的甲烷氣體吸收后，輸出的光信號經過光電探測器轉換為電信號，將該電信號進行時分復用，通過光纖將復用至一路的信號傳遞給解復用器，得到包含各監測點的甲烷濃度信息的電信號，然后進行數據處理求得二次諧波幅值和一次諧波幅值的比值，得到各點的甲烷濃度信息，從而實現分布式的多點測量。

3 實驗結果

本文采用1：4分路器，將出射光分別引入四個氣室，每個氣室分別依次通入濃度為0.5%，1.5%，2.0%和3.5%甲烷氣體進行標定，標定完成后分別將四個氣室分別通入0.5%，1.5%，2.0%和3.5%濃度的氣體，進行多點濃度的測量，在顯示濃度穩定后，記錄下測量值并抽空氣室內的氣體。反復測量10次，得到結果如表1所示：

表1 濃度測量結果

由上表數據可知，該系統測得甲烷濃度值比較穩定且偏差不大，可以用于礦井的甲烷濃度的監測。

4 總結

各個氣室共用了一個DFB光源，降低了由于激光器的大量使用而造成的成本；同時采用的是TDLAS諧波檢測技術，可以很大程度的提高檢測精度；采用時分復用的方式，更方便鋪設及遠程監控；同時該系統也可用于其他氣體的測量，只需選擇合適的氣體吸收光譜，及改變相應的DFB光源的波長即可。

[1] 王玉田,郭增軍,王莉田.差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器的研究:[J],光電子激光,2001,12(7):675-678.

[2] 張景超.光纖光學式甲烷氣體傳感器的設計與實驗研究:[D].燕山大學,博士論文，2006.

[3] 張可可.光譜吸收式光纖氣體檢測理論及技術研究:[D].哈爾濱工程大學，博士論文，2012.

圖2

接入層的孤島資環，用接入匯聚局作為單位，并利用新增加的高級別容量的匯聚設施來代替孤島環的小型接入設備，將小容量原局設施以匯聚設施下帶MUX，實現扁平化割接。如圖3所示：

圖3

3.2.2 雙節點的掛接

逐步的把原單匯聚點子環雙掛接改變為雙向匯聚節點掛接。匯聚環可以利用雙平面的掛接方法，分別掛接到同一廠家設施的不同平面骨干節點，這可以對有條件的本地網進行掛接改造。

交叉并容量資源消耗比較大的骨干節點，增多節點的拓展架子，把高低階交叉連接分離到不同的設施子架上，利用物理設施來進行交叉連接的分離。

4 結語

采用增加關鍵的核心站點SDH設備的方式，有效的運用現有的有限光纜資源，進行網絡結構的合理優化。不同的業務需要利用不同的方法，但是最重要的核心是業務要運用環網以及雙鏈路的保護方法，準確的配置IP業務板卡，降低業務中間的轉換環節，從而呈現靈活的上下業務。相信經過持續的努力、不斷的創新、穩定的開發，電力光纖網絡通信一定會有更好更優化的成果，并更快的發展與進步。

參考文獻

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[2] 徐天奇，尹項根，游大海，王陽光.3層式廣域保護系統通信網絡[J].電力系統自動化,2013(16).

[3] 連紀文，劉逢清.電力光纖通信網絡的多環組網優化[J].南京郵電大學學報（自然科學版）,2012(6).

作者簡介

劉智偉（1971-）男，本科，工程師，主要從事電力通信的運維、檢修和基建施工工作。

茍劍(1972—)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力通信及電力自動化專業的研究和技術工作。

何金武（1967-）男，碩士，綿陽供電公司副總工程師兼運維部主任，高級工程師，主要從事電力自動化、高電壓技術運用與研究。

A multipoint methane sensing system of Time Division Multiplexing based on TDLAS

Lu Yu1,2,Yin Xinda2,Yu Benhua2,Liu Xi2,Xiong Yan2,Dong Lei2
(1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunication.Wuhan,430074,China; 2.WUTOS Technology Co.,Ltd.,Wuhan,430200,China)

In this paper,a multipoint methane sensing system is built based on this technology.It divides the emergent light by optical splitter,using the timedivision multiplexing to merge the signals,and then processing the signals to get the harmonic amplitudes, thus we can realize the multipoint monitoring.This system inherit the advantages of TDLAS,and using time division multiplexing system can make it easier to lay the optical cable and do the remote monitoring.It can be used in the mine and some other places.

TDLAS;second harmonics;multipoint monitoring;TDM

TP212

A

盧雨（1990—）男，武漢郵電科學研究院（烽火科技學院）研究生，通信與信息工程專業，主要從事分布式光纖傳感系統技術的研究。