3km分布式多模光纖溫度報警系統設計

胡蔣明，張曉青，賈豫東（北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京　100101）

3km分布式多模光纖溫度報警系統設計

胡蔣明，張曉青，賈豫東
（北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京100101）

0　引言

分布式光纖傳感技術是利用背向散射光攜帶的物理信號對光纖沿線進行實時監測的技術，利用該技術設計的分布式光纖溫度傳感器可實現沿光纖連續分布溫度場的分布式測量[1]，并且具有抗電磁干擾、誤差小、可靠性高等特點，廣泛應用于電力、煤炭、公路、隧道等領域的溫度監測[2]。

傳統的拉曼測試系統開發方式不僅周期長，而且需要豐富的軟件編程經驗[3]。虛擬儀器最早由美國國家儀器公司提出[4]，它的圖形化編程方式及強大的數據處理能力為復雜的測試環境及簡單易行的開發方式提供了方便，并且其還具有開發周期短、用戶界面完善友好等特點。基于LabVIEW的分布式光纖溫度報警系統，能夠對事件點進行報警和定位，使用者可以很方便地通過LabVIEW操作界面對測量過程及測量數據進行設置、管理和顯示。

1　系統測溫原理及設計

（1）系統測溫原理

激光器發出的脈沖光經過波分復用器（WDM，Wavelength Division Multiplexing）耦合進多模光纖，在傳播的過程中會產生背向散射光。背向散射光經過WDM后濾出斯托克斯和反斯托克斯這兩束光，而后被光電雪崩二極管（APD，Avalanche Photo Diode）探測并將光信號轉換為電信號，雙通道數據采集卡采集到電壓信號后將A/D轉換后的數字量傳遞給計算機進行處理，然后由LabVIEW溫度解調軟件進一步解調出光纖沿線的溫度信息。考慮距離入射端為L處的散射光強度，

斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光的光功率可分別表示為[3]：

以反斯托克斯光為感光曲線，斯托克斯光為參考信道，用斯托克斯光去解調反斯托克斯光曲線。兩通道之間的光功率之比為：

溫度為T0時，光纖沿線光功率之比為：

利用T0來解調任意溫度下的測量值T，則：

光時域反射 （OTDR，Optical Time Domain Reflec鄄tometer）技術用來確定光纖上的空間位置信息[5]。如果從光脈沖進入光纖時開始計時，設光纖上某點產生的背向散射返回到探測器所需的時間為t，則t與該散射點到入射端的距離L滿足以下關系：

2L=vt（6）

v為光在光纖中的傳播速度，由（6）式可得出數據采集卡采到的信號在光纖上的具體位置。

（2）測量系統設計

分布式多模光纖溫度報警系統如圖1所示，脈沖光在光纖中傳輸時，與光波前進方向的相反方向會產生背向散射光，背向散射光經WDM后濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，APD對其進行光/電轉換并放大，最后被雙通道數據采集卡采集并輸入到計算機中進行處理及顯示。

2　LabVIEW軟件設計

LabVIEW程序是文本語言程序的圖形化表達[6]。溫度解調軟件設計基于LabVIEW13.0開發環境，采用USB9826高速數據采集卡完成兩路背向散射信號的采集，程序流程圖如圖2所示。

圖2　程序流程圖

圖1　分布式光纖溫度報警系統

程序中先利用Link函數建立與USB9826的連接，然后根據硬件設備設置觸發模式、觸發長度、觸發電平、累加平均次數等參數，將采集到的數據一一對應累加平均，最大程度濾除信號中的隨機噪聲[7]。由于是高速數據采集（數據采集卡的采樣率達到100m/s），采集卡讀數據的速度慢于采集數據的速度，當采集的數據存滿板載FIFO后會發生緩存溢出，此時讀取一個FI鄄FO長度數據是正確的，之后讀到的數據就會發生混亂。所以，在2s板載FIFO發生緩存溢出的時候需要對采集卡重新刷新一次，刷新后采集的數據重新從板載FIFO的最前端開始存入，然后循環對其刷新。

3　實驗結果及分析

（1）實驗裝置

分布式光纖測溫系統探測到的拉曼信號很微弱，淹沒在了噪聲中，要想得到準確的溫度值需要對其進行去噪處理。系統的信號處理采用軟硬件相結合的方法，先用高帶寬信號放大電路進行放大，再利用數字累加平均算法進行去噪處理，最后由溫度解調軟件解調得到光纖上各點的溫度信息。實驗采用了100m/s的數據采集卡、脈沖寬度為10ns的脈沖激光器、響應時間為10ns的APD，系統的空間分辨率主要取決于這三個參數，所以本系統的空間分辨率為1m，在累加平均4000次的情況下測量一次所花時間為21s。根據前面的分析，搭建了整個實驗系統，系統實物圖如圖3所示。

實驗過程中，將光纖放在室溫18.9℃環境下，解調溫度曲線如圖4所示。實驗中采用的光纖長度是3100米，“局部曲線”框圖顯示的是800到1000米溫度區間的放大波形，由于噪聲的影響，光纖沿線的溫度信息在室溫18.9℃左右波動，誤差在2℃范圍內。

然后用二個加熱鋁板分別給光纖的任意兩個位置加熱來模擬火災的發生，一個加熱鋁板的溫度為50℃，另一個加熱鋁板的溫度為60℃，從測量界面上可以發現光纖上有兩個位置的溫度迅速上升到50℃左右和60℃左右。此時，光纖上14m和2488m位置的溫度超出了設置的報警上限值，報警燈變成紅色，并在其下面顯示異樣位置的具體信息。“局部曲線”框圖顯示的是2450到2550米溫度區間的放大波形（即第二個加熱點的放大波形），由于光纖的熱傳導、色散、APD響應速度的原因，升溫區域呈現出高斯曲線的形狀，如圖5所示。

圖3　實驗系統實物圖

為了進一步驗證系統的可行性，在光纖2500m處取出一段10m長的光纖放入恒溫箱中，并且放入一個精度為0.1℃的鉑電阻溫度計進行對比，恒溫箱的溫度設置為10℃，30℃，50℃，70℃和90℃。實驗數據如表1所示。

表1　測溫實驗數據

圖4　常溫環境下的溫度監測結果

圖5　異常情況下的溫度監測結果

表1中，光纖測溫值為光纖解調溫度的算術平均值。

（2）結果分析

從表1可以看出，在累加平均4000次的情況下測溫精度達到±2℃，能夠滿足實際工作環境對溫度測量的要求。系統存在的誤差主要來源于以下兩個方面：

①系統誤差。系統誤差由測量裝置、環境、測量方法及測量人員方面的因素產生[8]，主要由裝置本身決定。從理論分析可知，數據采集卡的采樣率越大，激光脈寬越窄，系統定位越準確；系統的測溫精度和溫度分辨率隨著數據采集卡的有效位數及波分復用器的隔離度增大而變大。因此，數據采集卡的采樣率及其有效位數、激光脈寬和波分復用器的隔離度等因素決定了系統誤差。

②測量誤差。它主要由信號放大電路、累加平均次數引起的。信號放大電路主要是對信號進行放大，但在放大的同時也引入了白噪聲，降低了信噪比，導致溫度精度下降。其次，累加次數的提高會增加系統的測溫精度，但相應的測量時間會加長，降低系統的實時性[5]。最后，測溫精度跟APD和定標光纖是否處于恒溫環境下也有關系，所處環境的溫度發生變化會引起測溫精度的降低。

4　結語

分布式光纖溫度報警系統可以實現光纖沿線的溫度測量，為了提高測溫精度，數據的計算量也會隨之增大。虛擬儀器的快捷直觀的開發方式，強大的數據處理及人機交互功能為短時間內完成系統設計提供了一個方便的途徑。應用NI公司的LabVIEW編程環境完成了一個以USB9826為基礎的分布式光纖溫度報警系統設計，實際測量系統實現3km的分布式測量，空間分辨率為1m，在累加平均4000次的情況下測溫精度達到±2℃，完成一次測量時間為21s，滿足了實際工作環境對溫度測量及監控的要求。

[1]CULSHAW B.Optical Fiber Sensor Technologies:Opportunities and Perhaps Pitfalls[J].Journal of Light Wave Technology，2004（1）: 39-50.

[2]廖德彪.光纖傳感技術與應用[M].北京：清華大學出版社，，2009.

[3]殷博昊，鄧學文，鄒燕，馮麗爽.基于虛擬儀器的分布式光纖拉曼傳感測溫系統設計[J].測試技術學報，2013，05:456-460.

[4]梁志國，孫璟宇.虛擬儀器的現狀及發展趨勢[J].測控技術，2003，22（12）:1-3.

[5]劉艷平，葉宗順，劉果，華濤，安保慶.分布式光纖測溫系統的研制[J].水電自動化與大壩監測，2011，04:55-58.

[6]張凱，周陬，郭棟等.LabVIEW虛擬儀器工程設計與開發[M].北京：國防工業出版社，2004.

[7]高晉占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學出版社，2004.

[8]費業泰.誤差理論與數據處理[M].北京：機械工業出版社，2010.

Distributed Optical Fiber;Raman Scattering;Optical Time Domain Reflection Technology;Temperature Measurement

Design of 3km Distributed Multimode Fiber Temperature Alarm System

HU Jiang-ming，ZHANG Xiao-qing，JIA Yu-dong
（Key Laboratory of Photoelectric Test Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101）

1007-1423（2016）06-0078-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.06.019

胡蔣明（1989-），男，碩士，研究方向為光纖傳感

2015-12-08

2016-01-10

基于拉曼背向散射和光時域反射技術設計分布式多模光纖溫度報警系統，該系統由測溫主機、測溫多模光纖及LabVIEW溫度解調軟件構成，測溫主機主要包括脈沖激光器、波分復用器、雪崩光電二極管及雙通道高速數據采集卡等器件。最后搭建實驗平臺，模擬隨機多點火災報警。試驗數據表明，實際測量系統實現3km的分布式測量，空間分辨率為1m，在累加平均4000次的情況下測溫精度達到±2℃，完成一次測量時間21s。系統具有反應速度快、定位準確、可靠性好、可準確測出光纖沿線溫度及信息量大的特點，適應實際分布式測量和監控環境的要求。

分布式光纖；拉曼散射；光時域反射技術；溫度測量

北京市教育委員會科技計劃面上項目（No.KM201411232005）、青年拔尖人才培育計劃（No.CIT&TCD201404122）

張曉青（1967-），女，博士副教授，研究方向為光纖傳感技術和光電測量技術及儀器

Designs the distributed multimode fiber temperature alarm system based on Raman backscattering and optical time domain reflection technology.The system is composed of a temperature measuring machine mainly includes the device such as pulse laser,wavelength di鄄vision multiplexing,avalanche photodiode detector and two-channel high speed data acquisition card,a multimode optical fiber and a LabVIEW temperature demodulation software.The experimental platform is set up to simulate the random multipoint fire alarm.Experi鄄mental data show that the actual measurement system is obtained with distributed measurement of 3km,the spatial resolution of 1m,the temperature measurement accuracy of 2℃in the case of cumulative average 4000 times and takes 21s to complete a measurement.The system has the characteristics of fast response,accurate positioning,good reliability,and can accurately measure the temperature along the fiber.So it adapts to the requirements of the actual distributed measurement and monitoring environment.