分布式光纤测温系统提升空间分辨率的方法研究

李新堂 王利明 黄长江

（深圳市特发泰科通信科技有限公司 广东省深圳市 518054）

光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的光信号的技术[1]。目前温度测量，主要利用光纤中的拉曼散射对温度敏感的特性实现，主要技术实现技术为R-OTDR (Raman Optical Time-Domain Reflectometry) 拉曼光时域反射技术，关键技术指标包括空间分辨率、定位精度及测温精度等几个参数。期中空间分辨率是指系统在空间上的最小测量间隔[2]，例如，100米的光纤如果最多能采集200个测温点，则空间分辨率为0.5米，单位长度内采集点越多，则分辨率越高。

通常情况下，分布式光纤测温系统空间分辨率的大小取决于系统采样时钟的频率，频率越高意味着采样点越密，空间分辨率越高；本文提出一种在不改变系统时钟频率的情况下，利用软件技术提高系统的空间分辨率的方法。

1 分布式光纤测温实现分析

1.1 拉曼散射光纤测温技术

激光脉冲射入光纤后会产生散射现象，散射光的波长及光强特性如图1所示，散射光中有3类散射信号，分别是：弹性瑞利散射及非弹性的布里渊散射和拉曼散射[3]。在这3类散射信号中，瑞利散射对温度参数并不敏感；布里渊散射除对温度参数敏感外，还会受到光纤应力、振动等参数影响[4]；拉曼散射与温度参数高度敏感[5]，并且与应力及振动等参数敏感度非常底，是目前分布式光纤测温的技术的首选方案。

由图1可以看出，拉曼散射会产生对温度敏感的反斯托克斯光信号，及对温度不敏感斯托克斯光信号，利用两个信号的光强差，可以计算出温度信息。

基于拉曼散射技术测温由于技术稳定、性价比好，是当前市场上分布式光纤测温系统的主流技术方案。图2是拉曼散射测温技术实现的原理框图，其基本实现原理为：激光光源发出超窄激光脉冲，通过耦合器发射到光纤中，在激光脉冲沿光纤传输过程中会产生后向的拉曼散射光，后向散射光经过耦合器分离进入分光器，分光器将散射光中的两路拉曼散射光信号分离出来，其中一路是正斯托克斯光（参照光），另一路是反斯托克斯光（携带温度信息的光），两路光信号经过APD单元转换为电信号，两路电信号经过FPGA处理调解出散射光信号中的温度信息，实现温度测量功能。

光频域分析技术(OFDR-Optical frequency-domain reflectometer)可以解析光的频域信息，区分出携带测量信息的信号光，进而得到温度信息[6]；光时域反射(OTDR-Optical time-domain reflectometer)光时域反射技术可以实现测试点的空间定位，通过这两个分析技术，分布式光纤测温系统可以实现对条光缆沿途分布的温度测量功能。

1.2 光时域反射技术

图1：散射光波长及强度特性图

图2：拉曼散射测温技术原理图

图3：OTDR定位原理图

图4：空间分辨率示意图

图5：正反相时钟时序图

图6：正反相时钟采样原理图

光时域反射技术是通过分析后向散射光的光强随时间变化，可以得到相关物理量沿光纤传播方向的分布，其工作原理如图3所示：当激光脉冲射入光纤后，检测器记录脉冲发出的时间t0，假设检测器在t1时刻检测到激光脉冲在光纤中距离L位置产生的散射信号，根据t1与t0之间的时间间隔Δt，依据激光脉冲在光纤中的传播速度v，则激光脉冲在光纤上发生散射的位置L的计算公式为：

通过计算激光脉冲在光纤上发生散射的位置L，就可以确定散射测试点的在测试光缆的空间位置，进而实现空间定位功能。

2 软件提高空间分辨率的方法

2.1 空间分辨率

根据图3所示的原理，如果检测器按照一个固定的时钟周期(tc)持续不断的进行采样检测，就会得到一组时间间隔的集合SΔt{Δt1、Δt2、Δt3…Δtn}，进而可以计算出光纤沿途各个测试点距离出发点的距离集合SL{L1、L2、L3…Ln}，如图4所示。SL集合就是各个采样测试点在空间上对应起始点的距离位置的集合，也就是采样测试点在光缆上空间分布位置的集合。

图7：采样点叠加示意图

SL集合中，设相临两个元素之间的距离差值为lc，则lc的计算公式为：

公式中tc为检测器的采样检测时钟周期，v是激光脉冲在光纤中的传播速度。当tc为常数时，lc也为一个固定的距离值，这个固定的距离值就是采样测试点在空间上的距离间隔，也就是系统采样的空间分辨率。

由于激光脉冲在通信光缆中的传播速度约为200000Km/s[7]，如果采样时钟的频率为100MHz，则tc等于10ns，空间分辨率lc约为1米；如果采用采样时钟的频率为250MHz，则tc等于4ns，空间分辨率lc约为0.4米。目前行业中系统的空间分辨率大多在0.4米到1米之间。

在高频电路设计中，提高系统时钟的频率，需要系统中相关的电路元器件的性能也同步提高才能满足设计要求。受制于电子元器件的本身的时延性能、FPGA的处理速度等因素的影响，提高系统的采样时钟频率，会带来技术难度及设备物理成本的急剧上升。通过提高系统采样时钟来提高系统空间分辨率，带来系统成本的急剧增加。

2.2 软件拟合提高空间分辨率的方法

在分布式光纤测温系统中，FPGA采集到的数据信息，需要通过工控机计算出最终的温度信息；所以工控机单位时间内的数据处理能力，也决定了单位时间内系统允许的最大采样的点数量。随着计算机CPU性能提高及内存芯片容量与读写速度的提高，系统运算处理性能已经不再是限制空间分辨率的因素，空间分辨率提升的限制主要来自系统采样时钟频率的限制。在不改变系统电路的硬件性能的前提下，充分利用计算机的处理能力来提高系统的空间分辨率，是一个经济可行的方案。

在数字电路中，时钟提升频率虽然非常困难，但是改变相位比较容易，使用一个简单的取反逻辑电路就可以实现时钟相位的反转，得到2个频率相等、相位相反的时钟信号。如图5所示，时钟信号C与反相时钟Cf频率相同，相位反转，两个时钟的周期都为tc，两者的上升沿之间相差tc/2的间隔。

如果在常规的电路中新增一组采样检测电路，分别使用C及Cf进行采样检测，如图6所示，就可以得到2组采样数据SC{LC1、LC2、LC3…LCn}及SCf{LCf1、LCf2、LCf3…LCfn}。由前文公式（2）可知，两组采样点的空间分辨率相等，都为lc。

由于时钟C与其反相时钟Cf两者的上升沿之间相差tc/2的时间间隔，SC与SCf的采样时刻在时域上相差tc/2，由前文公式（2）可知，SC与SCf的采样的在空域上相差lc/2，如图7所示。

图8：测试连接图

图9：A设备0.8米加热结果

图10：B设备0.8米加热结果

工控机读取到采样集合SC与SCf后，对两个数据序列进行交替穿插叠加，就会得到一个新的采样集合SC&Cf{LC1、LCf1、LC2、LCf2、LC3、LCf3…LCn、LCfn}。由图7我们可以知道，SC&Cf元素的空间间隔为lc/2，即SC&Cf采样的空间分辨率为lc/2，相比SC序列的空间分辨率提升了1倍。利用系统CPU的计算能力，通过软件拟合的方法，在不改变系统采样电路性能的前提下，实现了空间分辨率的提升。

3 验证测试

为了验证本方法的改进效果，采用一台常规的测温设备A及一台按照本方法进行了修改的设备B进行对比测试。分辨率测试的基础条件：A、B设备的采样时钟都为250MHz（对应的采样空间分辨率为0.4米）。测试配置：5KM测试光纤、可调温恒温箱，环境温度21℃。

测试连接如图8所示，测试设备连接测试光纤，恒温箱设定测试温度，测试光纤的测试部位放在恒温箱中。

测试方法：使用A、B两台设备分别连接测试光纤测试，在长度为4850米的位置使用恒温箱（温度设置为60℃）加热光纤测试，分别选取0.8米、1.6米长度的光纤进行加热测试，对比A、B设备的测试结果。测试结果如表1所示。

表1：对比测试结果

由表1可以看出，加热长度为1.6米（远大于设备空间分辨率）时，A、B两设备的测试结果差别不大。加热长度为0.8米（接近A设备的空间分辨率）时，A设备测试结果偏差非常大，此时B设备测试结果远优于A设备结果。如图9及图10所示。

A、B设备的对比测试结果，验证了通过软件交替拟合数据的方法，可以有效的提高系统对空间上距离较短温度事件的识别能力。

4 结束语

光纤具有抗电磁干扰能力强、传输损耗小、传输容量大等特点，已经在电力通信系统中广泛应用。针对分布式光纤传感测温系统的空间分辨率这个关键指标，本文提出一种通过软件交替穿插拟合的方法，可以在不改变系统运行频率的条件下，有效的提高系统的空间分辨率，进而提高系统测温测量的准确度。随着计算机计算能力的提升，下一步还可以继续研究，使用多个不同相位的时钟采样，多阶数据拟合，进一步提高系统的空间分辨能力。