一種高精度單模光纖的分布式溫度測試系統(tǒng)

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(xiàn)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(jiān)測，而在現(xiàn)有的溫度測試系統(tǒng)中，分布式光纖溫度測試系統(tǒng)作為一種新型的測試系統(tǒng)正被廣泛應(yīng)用。它是利用光在光纖中的自發(fā)拉曼散射效應(yīng)和光時域反射技術(shù)從而獲得分布式光纖各點的溫度。它可以實現(xiàn)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(tǒng)點式的溫度測試，其成本更低，但由于其測試系統(tǒng)本身隨時間其內(nèi)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(tǒng)中，采用單模光纖，減小了因距離增加帶來的損耗。本文設(shè)計了一種基于分布式光纖溫度測試的溫度信息測試系統(tǒng)，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(jiān)控的目的。

1 分布式光纖溫度測試系統(tǒng)

1.1 分布式光纖溫度測試系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)的原理是基于光纖的拉曼散射溫度效應(yīng)。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(fā)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(guān)不大。所以，激光脈沖傳播時將在光纖上的任何一點的產(chǎn)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(diào)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(shù)；h為普朗克常量；c為光速；v為頻移波數(shù)；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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 分布式光纖溫度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式光纖溫度測試系統(tǒng)構(gòu)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(fù)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(shù)據(jù)處理及顯示模塊。脈沖光模塊為系統(tǒng)提供能量足夠的脈沖光，同時向數(shù)據(jù)采集板發(fā)出同步脈沖。脈沖光由光纖耦合進入拉曼波分復(fù)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(chǎn)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(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，再對電信號進行放大得到相應(yīng)的電壓值，此電壓經(jīng)過后續(xù)的差分信號放大電路、A/D變換電路后進入FPGA中進行數(shù)據(jù)處理，處理后上傳至系統(tǒng)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(jié)果與分析

將系統(tǒng)按設(shè)計組成后對溫度測試光纖進行測試，測試結(jié)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)對溫度測試光纖進行多次測試，其結(jié)果如表2。

表2 溫度分辨率測試結(jié)果

表3 空間分辨率測試結(jié)果

從表2結(jié)果分析，可以看出本系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)果如表3。

3 總結(jié)

本文設(shè)計了一種高精度長距離的分布式光纖溫度測試系統(tǒng)，通過對溫度光纖的分布式測試，實現(xiàn)了對分布式光纖各點溫度信息的監(jiān)測，其大大加強了單模光纖在分布式溫度測試領(lǐng)域的應(yīng)用。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)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(lǐng)域指標已達到優(yōu)異程度。