長距離光柵陣列溫度測量系統設計與實現

歐陽修筑

（武漢郵電科學研究院，湖北武漢 430073）

溫度測量與監控在實際工程施工場景與環境消防監控中具有廣泛的應用，例如在長距離輸氣管線、高壓輸電線路和電纜廊道等場景中都需要在較長距離上對溫度進行實時、快速和準確的監控測量。利用光纖傳感原理來實現對溫度的監測擁有相較于傳統電學傳感器不具備的特點，包括抗電磁干擾、耐腐蝕、輕巧、靈敏度高和通信容量大等。在光纖傳感領域，基于拉曼散射的分布式溫度測量系統、基于布里淵散射的光時域分析儀以及基于光纖光柵的溫度測量系統已經大量投入了實際使用。其中光纖光柵用于光纖傳感具有響應快、精度高、易解調等特點[1]。

傳統光纖光柵由于無法大規模復用，正在逐漸向陣列形式的光柵過渡。在國內，目前只有武漢理工大學公開報道采用相位掩模法實現了在線制備光柵陣列[2]，這種方法的光路簡單，光柵布拉格波長不受紫外激光器波長的影響，而由光纖有效折射率和掩模板掩模周期決定，有利于制作“全同”光柵陣列[3-4]。利用在線制備光柵的方式，能夠在光纖拉絲塔上連續獲得數十千米的光柵陣列，其中光柵最多可達50 000 個，光纖中的光柵以陣列形式按給定的間距分布，且光柵是在光纖制備過程中用激光器和相位掩模板寫入的，有利于保持光纖的機械強度。

基于光柵陣列的溫度解調系統[5]，是將弱光柵陣列的光纖光纜應用在溫度測量中，以光柵陣列作為溫度探測的傳感器，以解調系統光源發出的光作為信號光，搭配光電轉換、數據采集等模塊以及PC 端軟件為一體的解調儀，通過光纖光柵陣列反射回來的光解調出溫度信息。現有的測溫系統能對一根光纖上的所有光柵進行定位和溫度標定，投入使用的解調儀可接入光纖長度不超過10 km，能達到0.1 ℃的溫度分辨率，溫度精度在±1 ℃，空間分辨率最小能達到10 cm[6]。文中提出了一種基于原有系統的新的光路結構，通過引入拉曼放大器，實現長距離分布式溫度監測，最遠測量距離可達60 km，文中對新系統的性能進行了測試。

1 系統設計

1.1 光柵陣列測溫系統原理

利用光柵陣列實現溫度測量，主要依靠光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）的波長選擇特性，即反射特定波長的光信號，透射其余波長成分的光，這個特定的波長稱為光纖光柵的中心波長。而光柵感知到外界的溫度或者應力變化時，其中心波長會發生偏移，通過監測和解算這個偏移量，從中可以獲得溫度變化的信息[7-10]。式（1）表示布拉格光柵中心波長λB與光纖有效折射率和光柵周期的關系，neff指光纖纖芯的有效折射率，Λ指光柵的反射周期，也就是形成光纖光柵的折射率變化周期。

只考慮溫度的影響，光纖光柵感知外界溫度的變化發生熱脹冷縮，熱膨脹效應會改變光柵的折射率變化周期Λ；同時，熱光效應的存在也會改變光纖纖芯的有效折射率neff，于是將式（1）對溫度T求微分可得到：

將式（2）與式（1）相除，得到式（3）：

在式（4）中，定義光柵布拉格中心波長的變化量與溫度變化量的比值為溫度變化靈敏系數KT，得到式（5）、式（6）：

從式（6）中可以看出，光纖光柵中心波長(λB)的偏移量與溫度（T）的變化量成線性關系，常溫條件下，溫敏系數KT≈10 pm/℃。

由上述推導的溫度與光柵中心波長的關系式可以解算出溫度值[11]，基于光柵陣列的溫度解調系統采用圖1 所示的光路結構，掃描光源發出的光經過脈沖調制成脈沖光，經過EDFA 的放大，進入分路器，隨后光信號進入光柵傳感陣列，光柵反射的回光回到分路器進入光電轉換模塊，后續經過數據采集、處理、解調從而得到溫度信息。普通的光柵陣列溫度解調系統能夠實現1 m 或者10 cm 的空間分辨率，溫度精度±1 ℃，溫度響應時間1 s，溫度分辨率0.1 ℃，最多可支持8個傳感通道同時工作，以及傳感距離8 km 的指標。目前此系統已大量投入隧道火災報警、石油石化管道溫度監測等工程實際使用場景[12]。

圖1 光柵陣列測溫系統光路結構

1.2 長距離光柵陣列測溫系統設計

實現長距離溫度傳感面臨的最直觀的問題是距離過長帶來的線路損耗問題，在光纖傳輸長距離場景中常使用光纖拉曼放大器來對傳輸線路進行補償[13]。利用光纖材質本身的受激拉曼散射現象，只要給予一束泵浦光，當一個波長在這個泵浦光拉曼帶寬內的信號光同時與泵浦光在光纖中傳輸時，微粒碰撞帶來的波長變換效果使得弱信號得到放大，圖2 是受激拉曼散射的示意圖。相干光子入射到傳輸介質上，與熱振動聲子發生碰撞，產生一個Stokes 光子和一個受激聲子ωmn，受激聲子再與入射光子發生碰撞，又產生一個Stokes 光子和一個受激聲子。于是，受激聲子形成類似“雪崩”的過程，Stokes 光的強度會大幅提高，可以與入射光相當。這是第一階Stokes 受激散射的原理[10]。

圖2 受激拉曼散射過程示意圖

拉曼放大器根據應用形式可以分為分布式和分立式兩種，分立式拉曼放大器一般作為局部放大使用；分布式光纖拉曼放大器以傳輸光纖作為放大介質，可以沿線對信號進行分布式的放大補償，在長距離光傳輸領域分布式光纖拉曼放大器有更好的應用前景。通過引入拉曼放大器，在已有系統基礎上進行改進，得到了圖3 所示面向長距離應用場景的基于光柵陣列的溫度探測系統，實物圖如圖4 所示，對應的器件標識：①光源；②光路盤纖盒；③拉曼放大器；④EDFA（PA）；⑤數據采集卡（在蓋板下方，圖中被遮擋）；⑥光電探測器PD；⑦工控機；⑧供電模塊。

圖3 長距離系統結構圖

圖4 系統實物圖

掃頻光源發出的光經過濾波器后進入環形器的1 端，從2 端經過拉曼放大器，拉曼放大器的輸出端接傳感光柵陣列，光柵反射的回光經環形器2 端從3端輸出，經過濾波后進入PA 前置放大模塊，隨后被光電探測PD 接收轉入數據采集模塊，采集卡對信號進行處理后上傳到工控機中，使用上位機軟件解調得到溫度等信息。工作過程中，數據采集卡的信號采集同步光源脈沖的出射，通過工控機可以統一管理圖中的有源器件。

入纖功率超過17 dBm 容易引起光纖非線性效應，將光源模塊出光功率設為15 dBm，鏈路中的損耗分為傳輸損耗和光柵反射造成的功率削減兩部分。單模光纖傳輸損耗一般為每千米0.2 dB。對于60 km的傳輸距離，單程損耗為12 dB，來回損耗為24 dB。光柵陣列所用光柵反射率通常為1?，即強度為1 dBm 的信號通過一個光柵后功率為0.999 9 dBm；若每隔2 m 一個光柵，則有30 000個光柵，0.999 9^30 000=0.049 8，轉換為損耗得13 dB，往返則為26 dB，加上線路傳輸損耗，則2 m 間距的傳感陣列損耗估算為50 dB，回光經過前置放大模塊能得到30 dB 放大倍數，15-50+30=-5 dB，理論上光電探測PD 接收到的信號強度是足以解調的。但是實際上，由于光柵陣列存在陰影效應，下游光柵受到上游光柵的遮蔽，信號功率損失會高于理論計算值，所以必須引入拉曼放大器來對傳輸鏈路進行整體的分布式放大補償，拉曼放大器通常能提供10 dB 的增益。

2 測溫系統性能實驗

2.1 溫度測量系統性能指標

對于溫度測量系統來說，通常關注的幾個性能指標[14-16]如表1 所示。

表1 溫度測量系統性能指標

對于基于光柵陣列的溫度測量系統，光柵陣列中光柵的間距就代表了空間分辨率，前面用2 m 間距的光柵進行了損耗分析，實際上可以采用兩種不同中心波長的光柵間隔1 m 交替排布形成陣列，這樣對于單一波長的光柵來說是2 m 間距，但是通過兩種波長波分復用使得系統可以實現1 m 的空間分辨率，如圖5 所示。

圖5 間隔1 m的雙波長光柵陣列示意圖

傳感陣列性能一致性是指光柵陣列的不同光柵對于同一溫度變化作出響應的一致性，考量響應速度、溫度精度等是否一致，這個指標主要跟光纖光柵自身有關，一整段光柵陣列不能保證每一個光柵對溫度變化的響應都嚴格相同，光柵之間偏差要在可接受的范圍內。

2.2 長距離系統溫度實驗

圖6 所示是長距離溫度測量系統的實驗圖，將長距離系統接入電源，通過網口連接計算機，用光纖跳線接入光柵陣列，從光柵盤另一側抽取最后一個光柵點位放入水浴加熱箱中，測試溫度解調系統在最遠距離處的溫度變化響應時間、溫度測量精度。選用的光柵陣列為1 m間隔雙波長（1 550 nm、1 552 nm），信號傳輸距離為55 km，實驗時將待測的光柵點完全浸泡至水浴箱中。系統實驗裝置對應的實物圖如圖7 所示。

圖6 實驗裝置示意圖

圖7 實驗裝置實物圖

由式（6）可知，光柵中心波長的偏移量與環境溫度的變化量近似成線性關系，常用溫度系數KT來表征這種關系，該值直接影響溫度測量的精度，于是先利用解調系統對最后一個光柵采集了10 組波長數據，如表2 所示。同時根據水浴箱的溫度繪制了溫度-波長曲線，如圖8 所示，該圖的斜率就是溫度系數KT。從圖中可以擬合得到該光柵的溫度系數約為11.6，根據溫度系數的值可以通過解調系統進行溫度探測解算。

圖8 溫度-波長曲線圖

表2 溫度-波長數據

用圖6 的裝置連續測量多組溫度值，由解調系統解算得初始溫度為22 ℃，水浴箱溫度計測得溫度為21.3 ℃。設置水浴箱溫度從25 ℃開始，依次遞增5 ℃，直到75 ℃，記錄解調系統和水浴箱溫度計的測值，得到圖9 所示的溫度曲線圖。

圖9 中實線為溫度計所測溫度，曲線上標明了相應溫度點的溫度值；虛線為解調系統獲取到的溫度。可以看到，在達到60 ℃以前，解算溫度與實測溫度相差在1 ℃以內，隨后兩者的差值慢慢變大，75 ℃時差值已經接近2 ℃；在40～60 ℃范圍內，兩者溫度測值貼合得很好，越偏離這個范圍，兩者的測值差就越來越大。

圖9 實際溫度與解算溫度曲線圖

由圖9 可知，溫度系數KT并不是一個固定值，某一個KT取值對應了一段系統解調適用的溫度范圍。

圖10 所示是長距離溫度解調系統對系統某一個光柵的溫度跟蹤曲線，圖中橫軸表示時間，將水浴箱設置加熱至45 ℃左右，室溫約為18 ℃，以橫軸的兩個單元格作為時間間隔，把該光柵從室溫放入水浴箱，再經過兩個時間單元格將光柵拿出，重復這一過程。從圖10 中可以看到，光柵的環境溫度變化以后，系統每次作出響應都有一定的延時，即軟件解調出來的溫度總是在時間略超出兩個時間單元格時才發生變化。經過多組實驗對比，可得出系統對溫度變化的響應時間為10 s。

圖10 溫度跟蹤曲線軟件界面

為了提升系統的動態范圍，可以設置高溫系數和低溫系數兩個KT值，當溫度超過一個臨界值時用高溫系數來解算溫度，這樣總體上可以保證系統將溫度精度控制在±1 ℃。圖9 所示的解算溫度隨著溫度升高越來越低于實際溫度，而溫度較低時解算溫度高于實測溫度，根據式（6）可知，高溫系數應該設置為比低溫系數更小的值。

另一種提升系統測量精度的方法是通過二階關系來擬合溫度與波長變化的關系，在文中只用了線性關系來描述溫度受到中心波長調制的變化關系，前面已經提到，只有溫度在一定范圍內時這種線性關系才比較準確地刻畫了溫度與波長的關系，實際上形如λB=aT2+bT+c的關系式能更準確地根據波長來解算溫度。

3 結論

在我國數萬公里的輸氣管線以及高壓輸電線路等應用場景中，長距離溫度測量是非常必要的，以光柵陣列為載體實現溫度測量是其中一個非常有前景的發展方向。

文中設計并搭建了一套基于光柵陣列的長距離溫度解調系統，該系統加入了拉曼光纖放大器，工作距離大幅提升，最遠可達60 km，靈活調整溫度系數可以精準、實時解調溫度。選用波長為1 550 nm、1 552 nm 構成的1 m 間隔光柵陣列在55 km 處達到了10 s 的響應時間、±1 ℃的溫度測量精度和0.1 ℃的溫度分辨率，系統的空間分辨率為1 m。該系統有利于后續在管線監測等大范圍、長距離工程場景中光柵陣列系列溫度產品的推廣和應用。但在該系統的穩定性以及傳感陣列一致性等問題仍需后續繼續研究考證。