一種高精度單模光纖的分布式溫度測試系統

中國電子科技集團公司第四十一研究所 于文林 袁 明 閆繼送

0 引言

在現代社會中，電力電纜、地底隧道、油罐、礦洞等都需要有熱力或溫度監測，而在現有的溫度測試系統中，分布式光纖溫度測試系統作為一種新型的測試系統正被廣泛應用。它是利用光在光纖中的自發拉曼散射效應和光時域反射技術從而獲得分布式光纖各點的溫度。它可以實現分布式長距離的溫度測試，而且可以通過光纖長度定位所在位置的溫度信息。相較于傳統點式的溫度測試，其成本更低，但由于其測試系統本身隨時間其內部光電器件會逐漸老化，而且隨著距離的增加會使光信號損耗增加，最終都會導致溫度測試誤差變大。所以在本測試系統中，采用單模光纖，減小了因距離增加帶來的損耗。本文設計了一種基于分布式光纖溫度測試的溫度信息測試系統，能定位各點的溫度信息并作出及時反饋，從而達到對各位置點溫度信息的監控的目的。

1 分布式光纖溫度測試系統

1.1 分布式光纖溫度測試系統原理

本系統的原理是基于光纖的拉曼散射溫度效應。當激光脈沖在光纖中傳播時，其與光纖中的分子相互作用會發生拉曼散射，散射出的光比原波長長的光為斯托克斯光Stokes，比原波長段的光為反斯托克斯光Anti-Stokes，其中反斯托克斯光對溫度信息非常敏感，而斯托克斯光與溫度相關不大。所以，激光脈沖傳播時將在光纖上的任何一點的產生的Anti-Stokes光信號強度與Stokes光信號強度進行比值就可以得到該點的溫度信息。該信息溫度解調公式為：

式中T為絕對溫度；T0為標定溫度；k為玻爾茲曼常數；h為普朗克常量；c為光速；v為頻移波數；R(T )為待測溫度的反斯托克斯光強與斯托克斯光強的比值；R(T0)為標定溫度的反斯托克斯光強與斯托克斯光強的比值。

圖1 分布式光纖溫度測試系統結構圖

1.2 分布式光纖溫度測試系統結構

分布式光纖溫度測試系統構成如圖1，其主要包括脈沖光模塊（激光器、摻鉺光纖放大器EDFA等）、拉曼波分復用光路、溫度測試光纖、光電探測模塊（光電探測器APD、微弱信號探測電路及A/D采集等）、數據處理及顯示模塊。脈沖光模塊為系統提供能量足夠的脈沖光，同時向數據采集板發出同步脈沖。脈沖光由光纖耦合進入拉曼波分復用器WDM，而后進入溫度測試光纖。在溫度測試光纖中每一個位置每一個點脈沖光都會產生背向散射光，其又進入WDM耦合輸出兩個波長光即斯托克斯光（stokes）和反斯托克斯光（anti-stokes）。用APD對這兩路光信號進行探測實現光電轉化，再對電信號進行放大得到相應的電壓值，此電壓經過后續的差分信號放大電路、A/D變換電路后進入FPGA中進行數據處理，處理后上傳至系統中進行圖形顯示及分析處理，最終得出溫度測試光纖的各個位置的溫度信息曲線。

2 分布式光纖溫度測試結果與分析

將系統按設計組成后對溫度測試光纖進行測試，測試結果如圖2。

圖2 分布式光纖溫度測試補償修正試驗圖

針對系統的測試指標，本文分別對測試長距離、溫度分辨率、空間分辨率等做了一些測試試驗。

2.1 測試距離

針對測試距離，為了達到長距離測試，本文用了10km以上的光纖進行測試，并以溫度測試末端作為測試的最遠距離。其測試結果如表1：

表1 溫度距離測試表

2.2 測試溫度分辨率

為了測試本系統的溫度分辨率，本文將溫度測試光纖放入40℃的恒溫箱中，用系統對溫度測試光纖進行多次測試，其結果如表2。

表2 溫度分辨率測試結果

表3 空間分辨率測試結果

從表2結果分析，可以看出本系統的測試溫度分辨率可達0.5℃

2.3 測試空間分辨率

分布式溫度測試系統的空間分辨率本文采用溫度突變化量的比例來測試的，即取溫度突變時的溫度變化量的10%到90%的位置差。其測試結果如表3。

3 總結

本文設計了一種高精度長距離的分布式光纖溫度測試系統，通過對溫度光纖的分布式測試，實現了對分布式光纖各點溫度信息的監測，其大大加強了單模光纖在分布式溫度測試領域的應用。試驗結果表明，本系統溫度測試距離大于10km，溫度精度0.5℃，空間分辨率1m，在分布式溫度測試領域指標已達到優異程度。