基于BOTDR分布式传感系统的研究

2019-07-17詹跃东田庆生

仪表技术与传感器 2019年6期

陈磊，詹跃东，田庆生

(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650500；2.云南电力试验研究院(集团)有限公司，云南昆明 650217；3.昆明理工大学云南电网公司研究生工作站，云南昆明 650217)

0 引言

输电线路上的温度检测一般采用非接触红外线技术和温度计直接测量的方式,而受力监测一般采用应变传感器测量或在电力传输线表面粘贴应变片的方式[1-2]。高压传输线路的温度和应变测量均是基于电学点式的测量，会受到线路的强电磁干扰，长时间处于恶劣环境下，这些电子设备的测量精度也都会劣化，此外电学点式传感设备的在线取能也是一个非常大的问题[3-6]。因此需要研制出一种稳定可靠无取能障碍的实时分布式温度应变在线监测技术。

基于布里渊光时域反射(BOTDR)的分布式光纤传感系统，相比之前的电学式传感系统，具有稳定可靠无取能障碍等优点，并且系统结构也简单易实现，现已发展成为光纤传感领域的主要技术。采用分布式光纤传感技术能够对输电线路几十km范围内沿线各点的温度分布以及沿线各处的应变分布进行实时的监控，结合实时测量的微气候数据，进而得到输电线路的实际温度分布，捕捉极端天气条件或其他破坏电缆情况下的受力分布，及时提供准确的预警[7-8]。本文基于光时域反射计(BOTDR)技术的分布式光纤传感技术，采用相干探测的BOTDR技术,利用窄线宽激光器作为种子光源，并在采样布里渊增益谱的过程中提出了一种非均匀采样方式，有效地解决了BOTDR技术方案中存在的微弱信号检测和宽带移频问题。最后实验结果表明，该系统的传感范围可以达到30 km，具有很好的稳定性。

1 BOTDR分布式传感系统的工作原理

BOTDR传感技术原理如图1所示，探测光脉冲注入到传感光纤中，脉冲光在光纤中传播时产生后向散射光，根据后向散射光回来的时间，确定光散射发生的位置，也即光时域反射计OTDR的原理[9-10]。根据入射光在光纤中的散射光回来的时间进行定位，其公式为

L=cΔt/(2n)

(1)

式中：c为光速，取3×108m/s；n为光纤折射率；Δt为时间间隔。

图1 BOTDR技术原理图

当光纤的某一段受到应变扰动时，此段光纤后向布里渊散射信号频谱的中心频率会偏移，幅度会变化，如果受到的是温度扰动，后向布里渊散射信号频谱的中心频率也会偏移，幅度也会发生变化，但是由于温度和应变使得中心频率和幅度改变的系数不一样，因此，通过测量后向布里渊信号的频谱特性，即可同时测量出受到的温度和应变扰动量。因此如何定位和如何解调温度和应变信息的2个基本原理，即为BOTDR技术的基本原理[11]。基于BOTDR的分布式光纤传感技术利用应力和温度可以改变布里渊散射光相对于入射光的频移这个特性，实现应变和温度的传感检测[12]。此传感技术具有可测量多个物理参量(如温度、应变和线路损耗等)、空间分辨率高、传感距离长、测量精度高等优点。

2 基于BOTDR的分布式传感系统的设计

2.1 传感系统的总体结构设计

为解决BOTDR技术方案中存在的微弱信号检测和宽带移频的问题，本系统采用基于相干探测的BOTDR技术，其结构图如图2所示。图2(a)为系统框图，采用2根各30 km的单模光纤分别作为温度和应变的传感光纤，传感系统图如图 2(b)所示。种子光源采用的是窄线宽激光器，其线宽小于2 kHz，功率为10 mW，波长为1 550 nm。种子光源经耦合器分成2路，下面一路光作为泵浦光注入到布里渊光纤激光器中，经过布里渊环形腔的非线性效应，输出频率相对光纤激光器有一个约为10 GHz频率下移的激光。上面一路光经电光调制器调制成10 ns的脉冲光，光放大和滤波后，经环行器进入到传感光纤中。当脉冲光在传输时，会有瑞利散射光和布里渊散射光反射回来，反射散射光经环行器进入到光学相干探测系统中，与下路的布里渊激光器输出光进行光学相干拍频。由于布里渊散射光与下路布里渊激光器的频差较小，在1 GHz量级，而瑞利散射光与布里渊激光器的拍频频差在11 GHz附近，使用2 GHz带宽探测器进行探测，瑞利散射光则因拍频频差过高无法探测而被过滤掉。通过频谱分析之后可以解调出温度和应变的分布。

(b)BOTDR传感系统图图2 基于相干探测的BOTDR结构图

(a)基于相干探测的BOTDR技术框图

2.2 激光器和光源的选择与设计

本系统采用的单模光纤对应的温度和应变引起频移和幅度的变化系数如表1所示。

表1 温度和应变扰动线性系数

最终解调出的温度和应变如式(2)和式(3)所示：

(2)

(3)

由于布里渊频移量与应变和温度成线性关系，针对1 550 nm的单模光纤，与应变的线性系数为Cv，ε:+0.05 MHz/με，与温度的线性系数为Cv，T:+1.1 MHz/K，因此为了准确地测量温度和应变，需要准确地提取出布里渊频移量，从而要求入射种子激光光源的线宽很窄，使得频移前后的光没有频谱覆盖。考虑温度，如果要使得测量温度的精度达到1 ℃，那么种子光源的线宽至少要小于1 MHz。在实验中，将采用窄线宽激光器，3 dB线宽约为2 kHz。

2.3 系统信号分析处理总流程

针对60 km传感范围，5 m空间分辨率的BOTDR系统，本系统信号分析处理流程如下：使用声光调制器对种子光源进行强度调制得到脉冲序列，其脉宽为100 ns，重复频率为4 kHz。之后将其脉冲序列注入到光纤中，进去之后将触发采集卡工作，采集卡对BOTDR系统的光相干拍频探测的信号进行采集，将光信号采集下来，之后将信号读取到PC机上，按时间窗口将其信号对应起来。之后提取出其中的中心频率和幅度，将采集到的多脉冲散射信号依次分帧进行时频FFT分析，提取频谱信息，累加平均处理后得到沿光纤传感长度上频移和幅度的分布，再根据线性关系，解调出其温度和应变分布[11]。

3 实验分析

3.1 分布式温度传感测量

如图3所示为温度测试实验示意图，在传感光纤3 km处，拉出100 m光纤放在一个加热器里，调节其温度，对此处100 m的光纤施加不同的温度扰动；在传感光纤20 km处，拉出100 m光纤放在高温箱中，调节其温度，对此处100 m的光纤施加不同的温度扰动，在传感光纤的末端处接入隔离器，防止光纤末端的端面反射光进入到传感信号中造成干扰误差。

图3 温度测试实验示意图

在不施加温度扰动的情况下，对BOTDR系统进行测量，得到的沿传感光纤的频移分布如图4所示，图中某些局部有较大的频率差别，主要原因是接入的传感光纤由多种不同批次和种类的单模光纤熔接而成，由于掺杂和结构等细微的不同，导致布里渊频移有一些区别。对室温下(28 ℃)的布里渊频移作为频移标定量，在不施加温度扰动的情况下，进行多次测量，减去标定量作为频移相对变化量，从而进行温度扰动的传感。其频差分布图如图4所示，为纵坐标缩小的频差分布图，从图中可以看出，在25 km的传感范围内，频率重复测量的误差约为±2 MHz。

图4 无扰动下布里渊频移相对标定量的频差分布图

对2段光纤进行温度扰动传感实验，空间分辨率设置为15 m，传感范围为25 km，相对室温下测得的不同温度扰动下的频差分布。图5为加热器64 ℃，高温箱70 ℃时频差分布，从图中可以准确定位出此实验受扰动的2个区域为2.950～3.950 km、22.750～22.850 km。经实验表明，在不同温度扰动情况下，受扰动局部的布里渊频移频差会有变化，其变化的趋势随温度上升呈线性变化。

记录某一段光纤在不同温度扰动下的布里渊频移，得到如图6所示的实验结果图，对实验结果进行线性拟合，得到线性拟合系数为1.009 MHz/ ℃，与其他研究小组测得的线性系数基本完全一致。利用此线性系数，对温度引起布里渊频差分布图进行解调，得到分布式温度传感结果如图7所示，其中受到温度扰动的2个区域如图7所示。

(a)整体频差分布图

(b)局部频差分布图图5 加热器64 ℃，高温箱70 ℃时频差分布图

图6 温度引起布里渊频移变化的实验结果图

图7 BOTDR分布式温度测量结果图

3.2 分布式应变传感测量

图8为应变测试实验示意图，将距离传感光纤起始点1.8 km处的一段23 m长的光纤夹持在移动平台上，后面还有一段20 km长的传感光纤，将布置好的传感光纤接入到设计的BOTDR系统中，进行布里渊散射频移测量。设置总传感范围为3 km，空间分辨率为10 m，在室温为17 ℃情况下进行测试，固定紧施加应变区域的一段传感光纤，调节移动平台一端，记录在不同拉伸长度情况下，BOTDR系统布里渊频移的分布图如图9所示。

图8 应变测试实验示意图

记录这一段光纤在不同应变扰动下的布里渊频移，得到如图10所示的实验结果图，对实验结果进行线性拟合，得到线性拟合系数为0.047 MHz/με，与其他研究小组测得的线性系数基本一致。

4 结论

本文通过对光时域反射计技术的研究，采用光学相干拍频技术，设计出一套分布式传感系统，并搭建温度和应变测试平台，对整个传感系统进行分布式温度和应变传感测试，在对采集的数据进行处理的过程中采用一种非均匀采样法。最终实验结果表明，该系统的传感范围可以达到30 km以上，空间分辨率可达到5 m以下，温度分辨精度为±1 ℃，应变分辨精度为±20 με。本系统采用研制的布里渊激光器作为相干拍频本地光，解决了BOTDR技术方案中存在的微弱信号检测和宽带移频问题。该传感系统无论从技术复杂程度、传感距离、测量精度、定位性能和环境干扰等诸多方面都比现有传感系统有提高。