基于时分复用的长距离R-OTDR分布式光纤测温系统

2019-11-06张红娟靳宝全

仪表技术与传感器 2019年10期

白亮，张红娟，高妍，王东，王宇，靳宝全，3

(1.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原 030024；2.太原理工大学，新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原 030024；3.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西晋城 048012)

0 引言

分布式光纤测温系统具有距离长、抗电磁干扰、本身不导电、外形可变、易于组网和本质安全等特点，适用于油气管线、电力线缆、大型建筑、桥梁隧道和煤矿井下等诸多应用场合的温度监测[1]。近年来，基于拉曼散射原理的分布式光纤测温系统快速发展，作为温度监测和灾害预防的重要手段之一，在各领域中得到实际应用，其中出于性能和成本的综合考虑，传感距离为2～10 km左右的R-OTDR系统使用较广[2]。随着工程实践的推广，许多应用场合，如输电干线和地铁隧道等，对光纤测温系统的性能参数特别是传感距离提出了更高要求[3]。而R-OTDR系统的测量距离的提升，不但需要提高采集卡和激光器的性能，而且受到光纤损耗和光纤受激拉曼散射阈值的限制，噪声抑制难度增加，信号处理的时间也更长，总体成本大幅增加[4]。工程应用中传感光纤可通过采用分布式组网的方式来实现分区监测和延长传感距离[5]。因此，本文研究了基于时分复用的长距离R-OTDR分布式光纤测温系统的具体实现方法，对组建分布式光纤传感网络有实用意义。

1 技术原理

本文提出一种基于时分复用的长距离R-OTDR分布式光纤测温系统，利用了自发拉曼散射效应[6]，时分复用原理和光时域反射原理[7]。

由于散射会改变光的频率，激光在光纤中传播时，光子与传感光纤中的微观粒子发生非弹性碰撞，其中吸收声子、频率升高的散射光为拉曼反斯托克斯光，发射声子、频率降低的散射光为拉曼斯托克斯光。拉曼散射光中的前者与温度的相关系数大，加载了传感光纤的温度信息；后者与温度的相关系数极小，可作为解调时的参考，以排除光纤弯曲、熔接等影响因素。系统通过检测向激光器方向传播的拉曼散射光的强度来测量温度[8]。

传感光纤距离激光源L处的斯托克斯光通量为

(1)

反斯托克斯光通量为

(2)

式中：Ks和Ka分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的散射截面的影响；S为传感光纤的后向散射参数；vs和va分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率；a0、as和aa分别为入射激光脉冲、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的传播损耗；L为传播距离；φe为入射脉冲激光的光通量；Rs(T)和Ra(T)分别为反斯托克斯光和斯托克斯光的温度调制函数，可表示为：

(3)

(4)

式中：h为普朗克常数；k为波尔兹曼常数；Δv为拉曼频移量。

将式(1)与式(2)相除，得到光强比:

(5)

系统先在温度正常时进行定标测量，以光纤环温度代表整条传感光纤的温度，测得一组光强比和光纤环温度后作为定标文件存储；再次测量后与之对比，即可解调出距离激光源L处的温度信号T[9]。

通过光时域反射原理，即计算激光脉冲在传感光纤内传播的时间来实现温度场的定位：

(6)

式中：t为从发出激光脉冲到接收到后向散射光信号的时长；c为光速；n为传感光纤的折射率。

2 系统结构设计

2.1 硬件系统介绍

硬件系统主要包括上位机、窄脉冲激光器、1*3WDM(波分复用器)、APD(雪崩光电二极管)光电转换模块、信号放大电路模块、FPGA高速数据采集卡、STM32F407嵌入式微处理器、光开关模块以及传感光纤等部分。

窄脉冲激光器的中心波长为1 550 nm，脉冲宽度5～100 ns可调，重复频率0.01～100 kHz可调；选用的WDM包含1 450 、1 550、1 660 nm为中心波长的3个窗口和1个COM口；APD光电转换模块的光谱响应范围为900～1 700 nm，电路带宽150 MHz；FPGA高速数据采集卡板载有12 bit的A/D转换器，采样率为100 MSPS，存储深度为24 000个采样点；工控机具备控制各模块、进行数据处理、显示数据曲线和声光报警的功能；光开关的功能是实现时分复用，其类型为机械式光开关，切换速度小于8 ms；传感光纤的规格为62.5/125 μm多模光纤，纤芯折射率类型为渐变型。在接入传感光纤时，受端面菲涅尔反射的影响，光纤前端有几十到一百米的长度无法测量，因此在上位机处预留100 m长的冗余光纤，在解调温度信号时将无效的一部分信号去除；将冗余光纤之后约100 m长的一段光纤进行隔热封装后作为定标光纤，使用ADT7320芯片来获取定标温度。

系统硬件的整体结构如图1所示。

图1 R-OTDR分布式光纤测温系统硬件结构图

激光器发出的窄脉冲激光从1 550 nm窗口传入WDM，从COM口传出。根据光开关的状态，激光进入所选的一条传感光纤。其中光开关状态由微处理器控制。在光脉冲向前传输的过程中，产生的后向拉曼散射光传播至WDM，被分为斯托克斯光和反斯托克斯光。斯托克斯光从1 660 nm窗口传出，反斯托克斯光从1 450 nm窗口传出。两者均由APD进行光电转换，转换为电流信号；经跨阻放大电路放大为电压信号后进行下一级放大。APD的正常工作需要精确的偏压调节和温度控制[10]。双路电压信号由FPGA高速数据采集卡进行A/D转换和计算。采集卡由窄脉冲激光器输出的同步触发信号触发。最后由上位机对数据进行处理和显示[11]。

2.2 嵌入式硬件设计

系统选用STM32F407芯片作为微处理器来控制硬件。STM32F407是ARM处理器芯片，系统上位机通过串口，向STM32F407微处理器发出指令和接收信号，进而控制光开关和用于获取定标温度的测温芯片ADT7320，其结构如图2所示。

图2 嵌入式硬件结构示意图

机械式光开关内部有继电器，属于感性负载，在变更开关状态时可能产生反电动势和电弧，干扰芯片的正常工作，甚至烧毁芯片；STM32F407芯片I/O引脚的驱动能力也较弱，因此需要为光开关添加功率驱动电路。

系统选取ULN2003A用作功率驱动。ULN2003A内部封装有7个硅NPN达林顿管，具有高电流增益和宽温度范围的特点，有很强的带负载能力。ULN2003A的COM引脚(Pin9)接12 V电源，GND引脚(Pin8)接地，即可正常工作。Pin6、Pin7作为输入，分别连接STM32F407的I/O口PF9和PF10；Pin10、Pin11引脚作为输出，分别连接光开关的Pin1和Pin10。ULN2003A属于非门电路，为反相输出，即Pin6输入低电平时，Pin11输出为高电平。

光开关的导通由其引脚的通电状态决定。当Pin1与Pin5间存在正电势差时，光开关的Port1至Port2导通；当Pin10与Pin6间存在正电势差时，光开关的Port1至Port3导通。Pin1和Pin10不能同时给高电平。光开关的Pin5和Pin6均接地，因此通过控制Pin1和Pin10来决定光开关的导通状态。Pin8引脚连接5 V电源，Pin7接STM32F407的I/O口PA0。Pin7和Pin8是光开关的状态引脚，二者之间开路与否表示光开关的导通状态，因此可以通过监测I/O口PA0来获取光开关的导通状态。

ADT7320是高精度数字温度传感芯片,测温范围为-20～+105 ℃，对应的温度精度为±0.25 ℃，默认ADC分辨率为13位，并可通过串行接口自定义ADC分辨率。该芯片兼容SPI协议，来输出测得的温度值。使用STM32F407软件模拟SPI的方式来与ADT7320通信。芯片采用3.3 V供电。CS为片选输入引脚，连接至STM32F407的I/O口PF0；SCLK为串行时钟输入引脚，连接至I/O口PF1；DOUT为串行数据输出引脚，连接至I/O口PF2，来输出二进制补码字表示的温度值；DIN为串行数据输入引脚，连接至I/O口PF3，来接收指令；INT引脚为过温和欠温指示，连接至/I/O口PA1;CT引脚为临界过温指示，连接至I/O口PA2。INT引脚和CT引脚均为逻辑输出，需要上拉电阻，典型值为10 kΩ。

2.3 上位机软件设计

基于MFC(微软基础类库)开发了R-OTDR分布式光纤测温系统的上位机软件。该软件的流程图如图3所示。

图3 系统软件流程图

软件由硬件状态检测、传感光纤定标、数据采集、信号处理和解调、通道控制、绘图显示和数据保存等7个部分组成。

系统启动后，首先对硬件状态进行检测。该步骤包含采集卡状态检测，保证采集卡处于就绪状态；激光器参数设置，主要含激光脉冲的脉宽和频率；激光器参数检测，含输出光功率、工作电流和激光器模块温度等；APD状态检测，含偏置电压、模块温度和制冷电流等。

硬件状态检测阶段完成后，进入传感光纤定标阶段。系统缺省设置自动测量定标光纤环的温度，用户也可手动输入。ADT7320芯片测量定标光纤环的温度，由STM32F407通过串口发送给上位机。定标阶段与采集阶段类似，采集卡采集到斯托克斯信号和反斯托克斯信号后，经过累加平均和小波去噪处理，得到2个数组。重复以上过程多次，将采集到的多组数据再进行一次平均，得到的2条平均后的数组即可作为定标数组。将定标光纤环的温度值和2个定标数组写入同一个文件保存，此文件即定标文件。

数据采集阶段，用户可以进行采集卡开启采集、停止采集和复位等操作，设置采样长度、累加次数和触发参数等参数，读取采集状态等信息。软件默认触发参数为外触发，由脉冲激光器为采集卡提供同步触发信号，以保证每个光脉冲产生的后向拉曼散射光均可被准确采集。累加平均算法在采集卡硬件中实现[12]，采集到信号后进行累加，达到用户设置的累加次数后再进行平均，以适应不同应用场合的需求。小波去噪算法在MFC软件中实现[13]。经过小波去噪算法的处理后，与从磁盘读取的定标文件对比，解调出传感光纤沿线温度值数组并修正[14]。

绘图显示阶段由Teechart控件实现，可以对后向拉曼散射光信号数组和温度值数组进行曲线绘制和定时刷新，从而实现界面上的动态显示。

通道控制阶段可控制定标过程和数据采集处理过程的通道选取，实现时分复用。在一个通道的定标或测量完成后，上位机通过串口向STM32F407模块发出指令，控制光开关切换通道，进行下一个通道的工作流程。如此在两(多)个通道间循环。

数据存储阶段使用MFC平台的应用程序接口ADO(ActiveX数据对象)来建立和Oracle数据库的连接,实现对数据库中数据表的增加、删除、修改和查找等操作[15]。Oracle数据库联网后支持远端访问，用户可通过网络查看实时更新的温度数据。

3 实验测试

3.1 系统测温精度和量程

以单通道为例，介绍系统的测温性能。在WDM的COM口接入总长10 km的传感光纤，置于28.5 ℃的环境中进行测试。累加平均次数为30 000次。测试结果如图4所示。

图4 10 km测量结果

对测量结果进行统计分析，温度曲线的最大值为29.73 ℃，最小值为27.32 ℃，极差为2.41 ℃，均值为28.57 ℃，标准差为0.194 9。即在10 km测量距离内测温精度为±1.23 ℃。

在相同实验环境下，在1.450 km和10.150 km处各取一段传感光纤，置于恒温水槽中，恒温水槽的温度由40 ℃以10 ℃为步进提升到90 ℃，进行梯度实验。测温结果如图5所示。

图5 测温结果整体分布

图5说明了系统在10 km的传感距离内可实现分布式测温，对多点温度变化均可响应。各温度梯度的测量结果达到了预期。

3.2 双通道实验

在系统中接入一条长度为20 km的传感光纤，在1.450、10.150、18.800 km处各取一段光纤置于70 ℃的恒温水槽中进行实验。测量时间为6.23 s，测量结果如图6所示。由于采集卡可存储的采样点数目有限，系统无法准确感知12 km以后的温度变化。从图6可以看出，1.450 km和10.150 km处的两个升温点可测得有效数据，18.800 km处的升温点淹没在了末端的噪声之中无法辨识。在12 km以后温度波动很大，温度误差超过了±3 ℃，已失去参考价值。

图6 单通道20 km测试结果

在系统的2个通道各接入一条长度为10 km的传感光纤，在通道一光纤的1.500 km和8.000 km处，通道二光纤的8.800 km处各取一段光纤置于70 ℃的恒温水槽中进行实验，在2个通道分别测得数据后，上位机以系统位置为中心，去除2段冗余数据，将数据融合成长度为20 km的温度曲线。测量时间为6.89 s，测量结果7所示。

图7 双通道20 km测试结果

经过数据融合处理，图中的升温点位置信息是实际升温点位置信息的映射。从图7可以看出，温度曲线的常温部分和3个升温点的测量精度与10 km量程相同。由于激光脉冲在传感光纤中传播所用的时间是测量时间的主要部分，2次测量所用时间相差不大。与图6相比，在基本不增加硬件成本和测量时间的情况下，双通道系统量程提高为单通道系统的2倍。