基于分布式光纤光栅传感的温度测量系统

陈　曦，周　，孙　超，杜　林，杨　涛

(1．重庆市电力公司南岸供电局，重庆　400060；2．重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆　400030)

0　引言

电力电缆在输电线路中广泛运用，但由于电缆在工作时会因过载等原因而发热升温，使其绝缘性能劣化，进而发展成为绝缘击穿乃至火灾，因此对其温度进行在线监测具有重要意义。光纤与其他传感器相比，具有抗电磁，耐高温，对温度、应变等外界变化敏感，且价格便宜等一系列优势，因此基于光纤传感器技术的分布式光纤温度测量技术得到广泛关注，经过不断发展完善已成为最具前途的温度测量技术之一[1-2]。国内外很多学者对分布式光纤温度测量技术进行了大量研究实验，发现分布式光纤测量技术在电力系统故障的在线监测方面具有良好的应用前景[3-6]。

文中设计了基于拉曼散射的分布式光纤电缆测温在线监测系统，以LabVIEW虚拟仪器软件为开发平台，进行系统软硬件设计。通过对拉曼散射信号的采集与处理并采用软件算法改善系统信噪比，然后解调显示出光纤沿线的温度分布。最后自行搭建实验平台对温度测量系统的功能及精度进行验证，使系统的各项技术参数达到预定要求。

图1　基于拉曼散射分布式光纤传感器的测量原理图

1　拉曼散射分布式光纤测温原理

如图1所示，能量为E0、持续时间为δt的泵浦脉冲光注入长度为L的光纤后，以速度v在光纤中传播，假设光纤是均匀的，且光纤在泵浦光波长和散射光波长下损耗系数相等，可得到光探测器接收到的光功率随时间变化的函数[7]：

(1)

式中：Г为单位长度上的光后向散射系数；p为后向散射因子；α为入射光单位长度上的损耗系数。

根据光功率测量值在不同时间与光纤位置对应关系，能得到光功率为光纤位置的函数。

由于Stokes拉曼散射光受温度影响很小，而Anti-stokes拉曼散射光受温度影响很大，因此实际温度信号由Anti-stokes光携带。在温度T=t时，若整个光纤处于T=T0，测量点温度Tm分布曲线[7]为

(2)

式中：pS、pAS分别为Stokes光、Anti-stokes光的后向散射因子；h、k为普朗克常数、玻尔兹曼常数。

利用光纤中产生散射的位置和该点散射光的返回时间之间关系能实现对测温点的定位并实现沿光纤温度场的异常温度点、光纤断裂点的距离定位。

2　分布式光纤温度测量系统设计

2．1系统硬件设计

分布式光纤温度测量系统结构如图2所示。该系统的工作过程如下：首先由激光器发出脉冲光信号，同时通过外触发端口发出电信号驱动A/D采集卡开始工作；脉冲光信号经波分复用器耦合到传感光纤中，传感光纤则置于待测温度场中；光脉冲在传感光纤中传播的过程中，各点位置上引发的散射光中后向散射部分经过光纤传输通道进入波分复用器耦合到接收通道；通过光学滤波后，分离出载有温度信息的Anti-stokes光和参考用的Stokes光，然后经光电接收器APD实行光电信号转换，再经过前置放大和主放大后，利用数据采集卡进行A/D转换，然后将采集到的数据送往软件部分处理；经N次数字平均运算以提高信噪比，通过温度解调运算，完成对待测温度场的分布式温度测量并显示。

图2　分布式光纤温度测量系统结构示意图

系统采用海吉科技的INSULAD2053 12位数据采集卡，长度2 km的标准多模梯度光纤。系统单脉冲方式工作时，激光脉冲的重复频率应满足f≤v/(2L)，故系统激光频率为10 kHz．在基于背向拉曼散射的分布式传感系统中，其后向散射光的强度为nW级，需要采用高增益的雪崩光电管(APD)作为传感系统探测器。

2．2系统软件设计

LabVIEW软件设计主要是实现对数据的连续采集、累加平均及温度解调与显示。文章采用模块化设计思想，对各个模块分别描述，最后将其整合。

2．2．1数据采集模块

为了在LabVIEW中驱动非NI采集卡，系统利用WinIo库编写数据采集卡动态链接库完成数据的采集，由于系统一次最多只能采64周期数据，不能达到数据累加平均次数的要求，因此需要多次调用动态链接库以实现连续数据采集。

数据采集模块通过连续调用CLF节点，将采集到的数据存入局部变量数组中，达到一定次数后输出，其实质为一个软件虚拟的二级缓存。从而使得数据采集与后续累加平均处理能并行运行，提高了数据吞吐量，避免了由于较高的数据采集速度和较慢的数据处理过程带来的数据丢失和溢出。得到输出数组后，连接至波形显示控件上即可显示采集到的波形。其数据采集程序流程如图3所示。

图3　系统数据采集及滤波软件流程图

2．2．2基于改进小波变换阈值的软件去噪

(3)

式中：sgn(．)为符号函数；δj为阈值；βj=max(|wj，k|)/max((|wj，k|)-δj)为折中系数。

新函数在保持良好连续性的前提下，大大减小了软阈值发估计产生的偏差。

阈值过小，去噪后仍留有噪声，而阈值过大时重要的有用信号特征会被滤掉，从而引起偏差。但Donoho方法所得的阈值并不随小波尺度而变[12]，这显然不够合理，为克服上述缺点，文中采用新的阈值选取公式能随小波尺度增加而逐步减小，即：

(4)

式中：Nj为小波尺度j的小波系数长度；σj为小波尺度j层噪声的标准方差。

噪声成分最多的数据区间其特征信息与小波尺度j层噪声相近，因此以该数据区间的标准方差作为σj的取值较为合适。

该去噪方法适用于信号中混有白噪声的情况，估计信号至少和原始信号同样光滑而不会产生附加振荡，计算速度很快，且使有效信号得以保存。

2．2．3温度解调及信号校正模块

温度解调算法基于Anti-stokes光功率曲线解调Stokes光功率曲线方案[10,12]，令pAS(T)/pS(T)=RT，pAS(T0)/pS(T0)=RT0，并在式(2)中代入h=6.63×10-34J·s，Δv=1.32×1013Hz，再转换为摄氏温度有：

(5)

程序中基于解调式(5)对采集的Anti-stokes和Stokes强度进行逐点相比，得出温度解调曲线。另外，T0和RT0的确定是由具体温度定标和采集到的波形分析而定。采集系统存在时延，大约第30个点才是衰减曲线的起始点；而受拉曼散射前端反射和后端反射的影响，斯托克斯曲线及反斯托克斯曲线从衰减起始点开始的80个点(即前200 m)与末端部分解调的温度也不能反映实际温度。

3　系统实验验证及分析

3．1温度解调与显示

按照国际上通用的分布式温度传感器定标方法，定标区设置在光纤的200 m处[10]，把前200 m放入恒温箱作为参考光纤。在220 m光纤处取5 m长光纤盘成圈置于热水杯中，运行程序测量得温度分布如图4所示。可知光纤前200 m由于前端反射不稳定，无法反映实际温度，波形末端由于后端反射存在也无法反映实际温度。光纤中间部分在室温下，温度都在25 ℃左右，220 m附近则出现了明显的突起，其峰值点反应热水的温度，符合实际情况。

图4　温度测量系统中温度-距离的关系

3．2系统精度测试实验

分布式光纤测温系统主要有空间分辨率和温度分辨率等指标，实际应用中主要考核其温度精度和空间定位精度。

测试时将220 m点处的5 m光纤置于热水杯中，并用温度计测出其温度，运行前述程序，在温度-距离图上读出测量温度值。改变热水温度，重复上述过程，得出几组温度数据如表1所示。可以看出LabVIEW测量值和温度计测量有一定偏差，其在定标温度附近偏差较小，随着温度的升高，绝对偏差有增大的趋势。但由于将系统温度测量过程中的噪声经过软件滤噪，相对偏差控制在2%以内，精度在实际应用中可以接受。

表1　温度测量精度测试数据　℃

空间定位精度可通过对比实际光纤上的两点距离和LabVIEW测量的两点距离得到。进行空间定位精度测试时，分别把相距为S、长度分别为d1和d2(为了保证空间分辨率，大于2.5 m)的光纤A圈和B圈放入两个热水杯中，如图5所示。A圈中心和B圈中心的距离为D=S+(d1+d2)/2。

图5　定位精度实验示意图

运行LabVIEW，输出结果如图6所示。图中两个峰值之间的距离D1，即为LabVIEW测量出的A、B两点之间的距离。系统的定位误差为|ΔD|=|D-D1|。

图6　LabVIEW测得的峰值距离(S=160 m)

通过改变S(系统空间分辨率2.5 m的整数倍)的大小，测得几组数据如表2。由表2中数据可知：系统测得的定位偏差小于10 m；对于2 km的光纤长度其相对误差率小于0.5%；S越小，越容易造成LabVIEW读数误差(两峰值点较近)；LabVIEW的最小读数由空间分辨率决定。

表2　不同S长度下定位偏差测试数据　m

4　结论

基于拉曼散射分布式光纤测温原理，搭建了分布式光纤测温系统，以LabVIEW为开发平台，进行了数据采集与处理部分的硬件和软件程序设计，实现了对光纤沿线温度的分布式测量及定位。

该系统的光纤长度2 km，激光脉冲频率为10 kHz，脉冲宽度20 ns，空间分辨率为2.5 m．精度测试表明，系统的定位偏差小于±10 m，温度偏差±2 ℃。文中设计的基于分布式光纤光栅传感的温度测量系统对于应用于电缆温度的在线监测时，对分布式光纤测温技术在电缆的温度在线监测中的应用具有重要的参考意义。

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