一种长距离分布式温度应变在线监测系统的设计

高军委 崔向阳 白建军 赵东平

摘要： 本文阐述设计的一种长距离分布式温度应变在线监测系统， 该系统采用普通的通信单模光纤作为传输介质和传感元件，依据激光在光纤中的背向散射效应及布里渊散射原理，且采用光时域反射技术，实现实时在线测量光纤的温度应变分布信息及对光纤测量点的精确定位，可实现的分布式测量距离达到一百千米以上。

该监测系统与传统监测系统相比，传统监测系统通过将监测装置架设到线路上实现在线监测，而该系统光纤本身即是传感器，具有检测光纤不带电、抗射频和电磁干扰，抗腐蚀、耐高压和能快速多点实时在线测量并定位等优点，将在光纤线路在线监测中得到广泛应用。

关键词：  布里渊散射;光时域反射技术;分布式测量

中图分类号： TP212;TP274    文献标识码： A    文章编号： 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，随着中国超高压及特高压输电线路的飞速发展，国网公司长距离电力专用光缆线路越来越多，电力光缆网络在人们生活中的地位也越来越重要， 但由于电力光缆线路经常会受到风振、舞动、覆冰、雷击等环境变化及自然现象的影响，常常会出现光缆线路断裂现象的发生，当线路断裂时如果线路继续长时间运行，线路断裂点的导线温度会持续升高，进而引起火灾等重大事故的发生。因此，研究一种能进行长距离光缆线路温度、应变实时在线监测且能对线路故障点进行精确定位，对线路安全隐患具有预知功能的在线监测系统尤为重要。

1 长距离温度应变在线监测系统硬件设计原理

长距离温度应变在线监测系统依据受激布里渊散射原理，硬件结构设计原理如下图1所示。

根据图中设计，激光器发出的脉冲光1 与脉冲光2分别经过光纤耦合器1、2 分成两束光，其中一束泵浦光与一束探测光同时输入到耦合器3 中进行混频，并由频谱分析仪测量信号的频率。泵浦光经过偏振控制器后输入到电光调制器（EOM）中，调制成一定宽度的脉冲光，用于实现传感区域的定位。脉冲光的宽度越窄，定位精度越高。脉冲光经三端口光环形器输入到传感光纤中，探测光经偏振控制器和光隔离器后输入到传感光纤的另一端，两束光相互作用，信号光由光电探测器接收，经低噪音放大和信号调理后送入高速数据采集电路进行多次累加平均，以提高信噪比，数据最终送到计算机中处理、显示，得出光缆全程的温度、应变分布。

2 系统软件主流程

分布式温度应变在线监测系统的主流程采集包含一个扫频过程，最后综合所有数据运算出应变信息。由于应变的分析过程较长，需要和采集流程进行多线程并行处理，加快整体采集处理速度。

主流程中包含三个核心过程，数据采集、应变分析、报警分析。数据采集过程即扫频过程，主要调整激光器输出频率，在一定范围内按一定步进分别采集数，最后采集到多条曲线组成的频谱数据。

3 窄线宽光源设计与实现

本系统在设计过程中采用了DBR型窄线宽光纤激光器，DBR型窄线宽光纤激光器频率具有较好的稳定性和输出功率， DBR型光纤激光器输出光功率随驱动电流变化，激光器的阈值电流在50mA左右，当驱动电流为100mA时，输出光功率约为10mW，激光器最大输出光功率可达近20mW。激光器光谱特性显示激光器波长为1550nm，而且宽度非常窄。

激光器的波长调谐通过调整TEC温度与或微调驱动电流来实现，该系统设计激光器的TEC温度调整系数约15pm/℃，0.4pm/mA，波长调谐范围超过±30pm，即±4GHz，可以轻松实现9～13GHz之间的±2GHz的调整范围。

4 监测系统软件实现

监测系统软件分为服务端软件与客户端软件两部分，服务端软件安装于监测主机上，负责监测主机的参数设置及数据采集，客户端软件可以安装在主机上，也可安装在与主机处于相同网络内的其它PC机上。服务端软件的主界面由菜单栏、工具栏、报警信息列表和操作按钮、客户端操作记录表和状态栏五部分组成。

客户端软件系统正常启动会自定启动客户端，若客户端被关闭，点击工具栏的“客户端”按钮，会重新显示如图所示为客户端界面。如果客户端已运行，此功能不会执行，客户端软件主要负责应变量的数据显示，图形显示，历史数据查看、报警信息查看等功能。

结语：

分布式温度应变在线监测系统集光纤传感、光纤传输、光纤通信、光电控制、嵌入式开发和计算机技术等先进技术于一體，具有安全可靠、不受电磁干扰、测温精度高、实时在线监测等优点，可实现对电线电缆的多点、实时和在线监测功能。

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