一種長(zhǎng)距離分布式溫度應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高軍委 崔向陽(yáng) 白建軍 趙東平

摘要： 本文闡述設(shè)計(jì)的一種長(zhǎng)距離分布式溫度應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)采用普通的通信單模光纖作為傳輸介質(zhì)和傳感元件，依據(jù)激光在光纖中的背向散射效應(yīng)及布里淵散射原理，且采用光時(shí)域反射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量光纖的溫度應(yīng)變分布信息及對(duì)光纖測(cè)量點(diǎn)的精確定位，可實(shí)現(xiàn)的分布式測(cè)量距離達(dá)到一百千米以上。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過將監(jiān)測(cè)裝置架設(shè)到線路上實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，而該系統(tǒng)光纖本身即是傳感器，具有檢測(cè)光纖不帶電、抗射頻和電磁干擾，抗腐蝕、耐高壓和能快速多點(diǎn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量并定位等優(yōu)點(diǎn)，將在光纖線路在線監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： ?布里淵散射;光時(shí)域反射技術(shù);分布式測(cè)量

中圖分類號(hào)： TP212;TP274?? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?? ?文章編號(hào)： 1672-9129（2018）09-0083-01

Abstract： ?this paper designs a kind of long-distance distributed temperature and strain of on-line monitoring system， the system USES ordinary single-mode optical fiber as transmission medium of communication and sensing element， on the basis of laser backscattering effect in the optical fiber and the brillouin scattering principle， and adopts the optical time domain reflection technology， real-time on-line measuring the temperature of the optical fiber strain distribution information and accurate positioning of optical fiber measurement point， which can realize the distributed measuring distance of one hundred kilometers or more.

Compared with traditional monitoring system， the monitoring system of traditional monitoring system by monitoring devices set up to realize on-line monitoring on line， and optical fiber itself is the sensor， the system has a detection optical fiber electrically neutral， radio frequency （rf） and electromagnetic interference resistance， corrosion resistance， resistance to high pressure， and can quickly multipoint real-time online measurement and location advantages， will be widely used in optical fiber links online monitoring.

Keywords： brillouin scattering;Optical time domain reflectance technique;Distributed measurement

引言：近年來，隨著中國(guó)超高壓及特高壓輸電線路的飛速發(fā)展，國(guó)網(wǎng)公司長(zhǎng)距離電力專用光纜線路越來越多，電力光纜網(wǎng)絡(luò)在人們生活中的地位也越來越重要， 但由于電力光纜線路經(jīng)常會(huì)受到風(fēng)振、舞動(dòng)、覆冰、雷擊等環(huán)境變化及自然現(xiàn)象的影響，常常會(huì)出現(xiàn)光纜線路斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，當(dāng)線路斷裂時(shí)如果線路繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，線路斷裂點(diǎn)的導(dǎo)線溫度會(huì)持續(xù)升高，進(jìn)而引起火災(zāi)等重大事故的發(fā)生。因此，研究一種能進(jìn)行長(zhǎng)距離光纜線路溫度、應(yīng)變實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)且能對(duì)線路故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位，對(duì)線路安全隱患具有預(yù)知功能的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為重要。

1 長(zhǎng)距離溫度應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

長(zhǎng)距離溫度應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)受激布里淵散射原理，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如下圖1所示。

根據(jù)圖中設(shè)計(jì)，激光器發(fā)出的脈沖光1 與脈沖光2分別經(jīng)過光纖耦合器1、2 分成兩束光，其中一束泵浦光與一束探測(cè)光同時(shí)輸入到耦合器3 中進(jìn)行混頻，并由頻譜分析儀測(cè)量信號(hào)的頻率。泵浦光經(jīng)過偏振控制器后輸入到電光調(diào)制器（EOM）中，調(diào)制成一定寬度的脈沖光，用于實(shí)現(xiàn)傳感區(qū)域的定位。脈沖光的寬度越窄，定位精度越高。脈沖光經(jīng)三端口光環(huán)形器輸入到傳感光纖中，探測(cè)光經(jīng)偏振控制器和光隔離器后輸入到傳感光纖的另一端，兩束光相互作用，信號(hào)光由光電探測(cè)器接收，經(jīng)低噪音放大和信號(hào)調(diào)理后送入高速數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行多次累加平均，以提高信噪比，數(shù)據(jù)最終送到計(jì)算機(jī)中處理、顯示，得出光纜全程的溫度、應(yīng)變分布。

2 系統(tǒng)軟件主流程

分布式溫度應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主流程采集包含一個(gè)掃頻過程，最后綜合所有數(shù)據(jù)運(yùn)算出應(yīng)變信息。由于應(yīng)變的分析過程較長(zhǎng)，需要和采集流程進(jìn)行多線程并行處理，加快整體采集處理速度。

主流程中包含三個(gè)核心過程，數(shù)據(jù)采集、應(yīng)變分析、報(bào)警分析。數(shù)據(jù)采集過程即掃頻過程，主要調(diào)整激光器輸出頻率，在一定范圍內(nèi)按一定步進(jìn)分別采集數(shù)，最后采集到多條曲線組成的頻譜數(shù)據(jù)。

3 窄線寬光源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中采用了DBR型窄線寬光纖激光器，DBR型窄線寬光纖激光器頻率具有較好的穩(wěn)定性和輸出功率， DBR型光纖激光器輸出光功率隨驅(qū)動(dòng)電流變化，激光器的閾值電流在50mA左右，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為100mA時(shí)，輸出光功率約為10mW，激光器最大輸出光功率可達(dá)近20mW。激光器光譜特性顯示激光器波長(zhǎng)為1550nm，而且寬度非常窄。

激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧通過調(diào)整TEC溫度與或微調(diào)驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)激光器的TEC溫度調(diào)整系數(shù)約15pm/℃，0.4pm/mA，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍超過±30pm，即±4GHz，可以輕松實(shí)現(xiàn)9～13GHz之間的±2GHz的調(diào)整范圍。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件分為服務(wù)端軟件與客戶端軟件兩部分，服務(wù)端軟件安裝于監(jiān)測(cè)主機(jī)上，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)主機(jī)的參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集，客戶端軟件可以安裝在主機(jī)上，也可安裝在與主機(jī)處于相同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它PC機(jī)上。服務(wù)端軟件的主界面由菜單欄、工具欄、報(bào)警信息列表和操作按鈕、客戶端操作記錄表和狀態(tài)欄五部分組成。

客戶端軟件系統(tǒng)正常啟動(dòng)會(huì)自定啟動(dòng)客戶端，若客戶端被關(guān)閉，點(diǎn)擊工具欄的“客戶端”按鈕，會(huì)重新顯示如圖所示為客戶端界面。如果客戶端已運(yùn)行，此功能不會(huì)執(zhí)行，客戶端軟件主要負(fù)責(zé)應(yīng)變量的數(shù)據(jù)顯示，圖形顯示，歷史數(shù)據(jù)查看、報(bào)警信息查看等功能。

結(jié)語(yǔ)：

分布式溫度應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集光纖傳感、光纖傳輸、光纖通信、光電控制、嵌入式開發(fā)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)于一體，具有安全可靠、不受電磁干擾、測(cè)溫精度高、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電線電纜的多點(diǎn)、實(shí)時(shí)和在線監(jiān)測(cè)功能。

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