分布式光纤测温系统温度与定位补偿算法研究

苟 怡，郭清华

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

随着我国煤矿矿井生产逐步向高产高效集约化发展，胶带输送机在煤矿井下得到了广泛的应用，但由于运输距离长，使用率高，疏于管理，胶带输送机安全事故时有发生，部分事故引起煤矿火灾乃至爆炸事故[1-3]。据数据统计，我国在80年代、90年代发生的重大胶带输送机事故50 多起，损失惨重[2]。随着分布式光纤测温系统技术日趋成熟，已逐步用于煤矿胶带输送机火灾、采空区自然发火及电力电缆监测领域[4-5]。

分布式光纤测温系统，采用光纤作为传感介质，具有本质安全防爆、高灵敏度、抗干扰，具有远距离信息传输等一系列电测传感器所缺乏的独特优点[6]。铺设一条光纤在煤矿巷道、采空区等待测空间，即可连续测量、准确定位整条光纤所处空间的温度，实现火灾预警与定位功能。

1 拉曼分布式光纤测温系统

1.1 拉曼分布式光纤测温技术定位与感温原理

拉曼分布式光纤测温技术根据光纤的光时域反射OTDR（optical time-domain reflectometry）和光纤的背向拉曼散射温度效应实现光纤距离的定位和温度的测量。

1）光时域反射原理

光时域反射是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的手段，同时也是分布式光纤传感器的基础。如图1 所示，传播通道T 和接收通道R 为同一根光纤，图中表示成不同的两条通道。光纤总长为L，假设距离激光源长度为Z 处的光纤（长度为ΔZ）。光源发射一个很窄的高强度激光脉冲并注入光纤，传播时会产生后向散射光。从光脉冲注入光纤时开始计时，当光到达Z 处时散射光再返回到入射点，则光纤中产生散射的位置和该点散射光返回时所用的时间具有以下关系[7]：

式中：t 为光脉冲从注入光纤到返回光发射点的时间；Z 为光纤发生散射的位置；c 为真空中的光速；v 为光纤中的光速；n 为光纤的折射率；Δt 光脉冲持续时间。

图1 光时域反射工作原理Fig.1 Schematic of optical time domain reflect

2）光纤拉曼背向散射的温度效应

当频率为V0的激光进入光纤时，在其背向会产生拉曼散射，即频率不同于入射光的散射光。拉曼散射光子的频率既可向低处移动（斯托克斯频移），也可向高处移动（反斯托克斯频移）。在频域中，拉曼散射光子分为斯托克斯和反斯托克斯光子，如图2 所示。由于拉曼散射由光纤组成元素属性及热振动作用决定，所以散射光强度与温度有关。反斯托克斯散射光在常温下的温度灵敏度达0.8%，而斯托克斯散射光则对温度灵敏度不到0.1%，几乎对温度不敏感，可根据斯托克斯曲线来解调反斯托克斯曲线，获得沿光纤分布的温度值[8]。

图2 拉曼散射频谱分布Fig.2 Raman scattering spectrum distribution

在光纤Z 处的斯托克斯散射光子数为

在光纤Z 处的反斯托克斯散射光子数为

式中：Ks、Ka分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯散射截面有关的系数；S 为光纤的背向散射因子；vs、va分别为斯托克斯和反斯托克斯散射光子频率；α，αs，αa分别为入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光频率的光纤传输损耗；Z 为检测装置到光纤待测局域处的长度。Rs（T）、Ra（T）分别为与光纤分子低能级和高能级上的布局数有关的系数，它们与光纤局域处的温度有关[9]。

3）拉曼分布式光纤测温技术温度解析方法

拉曼分布式光纤温度传感器采用的信号调制方法是以光纤中的反斯托克斯拉曼散射光为载波，对反斯托克斯拉曼散射光在传感光纤中传播过程中的温度信号进行调制。在实际测量时，可用光纤的斯托克斯散射曲线解调光纤的反斯托克斯散射曲线。利用T=T0作为被测光纤上各点的标定温度，得到光纤Z 局域处的温度T 为

式中：Δv 为拉曼声子频率；h 为普朗克常量；k 为玻耳兹曼常量。

在实际应用中，将对温度不敏感的斯托克斯光作为参考通道，采用双通道双波长光强度相比较的方法，以消除环境干扰、光纤受力与弯曲、接头损耗和光源漂移的影响。在测得后向散射光的光强后，由它们的比值可以推知相应的温度信息，再通过光时域反射技术，确定温度信息对应的位置，从而得到沿整条光纤的温度分布图[10]。

1.2 分布式光纤测温系统工作原理

分布式光纤测温系统工作原理如图3 所示。分布式光纤温度系统主要由激光二极管（LD）、光纤波分复用器、光电接收器（PD）、运放电路、高速A/D卡、DSP 嵌入式信号采集与处理系统、 通信接口电路等组成[11]。

图3 分布式光纤测温系统工作原理图Fig.3 Map of distributed fiber temperature system operating-principle

半导体激光器（LD）产生泵浦光脉冲，经光纤放大器（EDFA）功率提升后耦合进光纤，后向散射光经光纤分路耦合进光滤波器进行滤波和分离，得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和作为参考信号的后向斯托克斯散射光，再分别进入光电探测器进行光电转换，由两路高速A/D 完成模数转换，再经DSP 嵌入式系统完成信号处理、分析计算，得到对应点温度场信息和相应光纤位置，通过通讯数据接口输出温度场数据。

2 温度定标与温度补偿方法

2.1 分布式光纤测温系统的温度测量定标方法

图4 所示为分布式光纤测温系统所测量到的拉曼散射信号强度曲线，曲线分为3 个部分：前端反射区、温度测量区和尾端反射区[12-13]。前端反射区的产生是由激光在光纤入射端处的端面反射和光探测器的饱和阻塞效应引起的；尾端反射区的产生是由光纤尾端端面与空气的折射率差引起的后向拉曼散射光增强引起的。温度测量区的信号比较稳定，能真实反映光纤沿线的温度变化信息，定标区只能设在该区域中。一般将定标区设在200 m处，该点所对应的空间位置才是温度测量的有效起始点[14-15]。

图4 温度定标区的选择图Fig.4 Sketch map of temperature calibration choice

2.2 温度补偿方法

由于传感光纤有其自身特定属性，因此在进行温度精确测量以前，必须对传感光纤进行温度校正。通过校正使测量温度与真实温度之间的误差达到最小。

1）温度偏差补偿

由于传感光纤有保护外套，因此传感光纤所感应的温度与环境温度必然存在一个温差；该温差在测量之前必须进行补偿，以达到温度的准确测量。首先将传感光纤放置在恒温条件Tc下进行测量，获得测量温度Tt，如图5 所示。根据所测得的温度可得温差ΔT 为

图5 温度偏差测量图Fig.5 Temperature deviation measurement diagram

在获取该传感光纤的温差常数ΔT 后，将该常数写入到测量软件中进行修正，所得测量曲线与修正曲线如图6 所示。

图6 温度修正曲线图Fig.6 Temperature correction curve

3）光纤非正常耗损引起的温度偏差补偿方法

由于传感光纤自身耗损分布不均匀而引起的温度测量误差会随传感光纤测量距离的增大而增大，因此必须对光纤非均匀耗损引起的温度测量误差进行修正，原理图如图7 所示。

图7 耗损差修正温度原理图Fig.7 Schematic diagram of loss correction temperature

首先将传感光纤至于常温T 状态下，获得的理想正常温度曲线为

理想的正常耗损曲线为

由于传感光纤在Ds位置的耗损发生了突变，致使后续光纤的温度曲线和耗损曲线发生了改变，分别为

非正常温度曲线：

非正常耗损曲线：

由式（7）、式（9）可得温度误差值：

由式（8）、式（10）可得耗损偏差值：

将式（11）、式（12）中的变量d 消去，可得温度误差与耗损差的关系如下：

根据式（13）耗损差来修正温度曲线，从而实现温度的准确测量。

3 飘移补偿与光纤断裂定位方法

3.1 飘移补偿定位方法

由于分布式光纤测温系统中激光器工作状态的不稳定性因素，可能致使分布式光纤测温系统的定位功能产生误差，发生定位飘移，从而使所有的重要测量点无法准确定位。在测温系统工程现场使用过程中，发现了分布式光纤测温系统飘移的规律，利用该规律进行了准确的飘移补偿定位，光纤漂移定位算法原理如图8 所示。

图8 光纤漂移定位算法Fig.8 Fiber drift positioning algorithm

首先记录下分布式光纤测温系统正常耗损曲线的第一个耗损极点的位置d1，当光纤定位发生飘移后，该极点的位置会随着飘移距离向后移至d2位置。由此可以根据耗损曲线第一个极点的飘移距离算出光纤的飘移距离Ds，即：

当前分布式光纤测温系统所测量的定位距离，减去光纤飘移距离Ds，就得到光纤的真实定位距离和温度分布。

3.2 光纤断裂定位方法

当传感光纤在温度测量过程中，光纤发生意外断裂后，需要进行及时的定位以便快速熔接光纤，完成整个区域温度的测量。光纤断裂定位方法是根据所测得的温度曲线来判定的，当某一点的温度T=-273 ℃时，则该点所处的位置就是光纤的断裂点。

4 结语

本文详细介绍了基于拉曼背向散射的光纤测温原理，包括光时域反射技术 （OTDR） 和光纤拉曼背向散射的温度效应，并阐述了分布式光纤测温系统原图；在分布式光纤测温系统的现场工程使用过程中，提出了相应的温度补偿方法，包括温差偏移和耗损非均匀分布引起的温度偏差；提出了光纤飘移补偿定位方法与断裂定位方法。为分布式光纤测温系统在工程现场使用提供了参考。