分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)研究進(jìn)展

陳健沛,李偉良,蔡志崗

(1.中山大學(xué) 光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275; 2.廣州神科光電科技有限公司，廣東 廣州 510006)

分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)研究進(jìn)展

陳健沛1,李偉良2,蔡志崗1

(1.中山大學(xué) 光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275; 2.廣州神科光電科技有限公司，廣東 廣州 510006)

分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)是一種快速、可靠、穩(wěn)定的實(shí)時(shí)在線測量系統(tǒng)，它已經(jīng)成為工業(yè)過程中一種重要的新檢測技術(shù).詳細(xì)介紹了分布式光纖拉曼溫度傳感原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總結(jié)了國內(nèi)外研究歷史，重點(diǎn)介紹了主要應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)際應(yīng)用案例.

分布式； 拉曼散射； 光纖溫度傳感； 測溫原理； 應(yīng)用案例

分布式光纖溫度傳感器(Distributed Optical Fiber Temperature Sensor，DTS)于20世紀(jì)70年代被提出，是基于光時(shí)域反射計(jì)(Optical Time Domain Reflected，OTDR)技術(shù)及光纖中的拉曼散射效應(yīng)，其光纖既是傳輸介質(zhì)也是傳感介質(zhì).將一個(gè)短脈沖光線射入傳感光纖，分析返回的包含溫度信息的拉曼散射信號，以連續(xù)函數(shù)的形式傳感出整條傳感光纖各點(diǎn)的溫度變化.DTS由于只有一個(gè)光源和一個(gè)探測系統(tǒng)，能保證準(zhǔn)確、快速、可靠、穩(wěn)定[1]，并且還具有防燃、防爆、抗腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域里最有前途的傳感技術(shù)之一，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科研等各個(gè)領(lǐng)域.

本文分析了分布式光纖拉曼測溫原理與國內(nèi)外研究歷史，總結(jié)了其應(yīng)用領(lǐng)域并列舉部分實(shí)際應(yīng)用案例.

1 拉曼散射技術(shù)

光纖一般是由摻雜質(zhì)的石英制成，當(dāng)光束通過光纖時(shí)，由于光纖介質(zhì)的不均勻分布以及微小雜質(zhì)粒子對光束的作用，使光波偏離原來的傳播方向而向四周散開，產(chǎn)生散射.散射可分為3種，即瑞利散射(Rayleigh Scattering)、拉曼散射(Raman Scattering)及布里淵散射(Brillouin Scattering).其中瑞利散射是彈性散射，散射光波長與入射光波長相同.沿光纖分布的熱效應(yīng)可引起晶格振動，當(dāng)入射光子與光纖分子中的電子相互作用時(shí)可產(chǎn)生拉曼散射，拉曼散射是非彈性散射，其散射光相對入射光產(chǎn)生頻移，頻移大小與晶格的振動頻率成正比[2].另一方面，當(dāng)入射光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射稱為布里淵散射[3]，也是非彈性散射，同樣也會產(chǎn)生頻移.非彈性散射光頻率對稱地分布在入射光頻率的兩側(cè)，長波一側(cè)稱為斯托克斯散射(Stokes Scattering)，短波的一側(cè)稱為反斯托克斯散射(Anti-Stokes Scattering).如圖1所示.

圖1 拉曼散射原理

布里淵頻移大小與傳感光纖的溫度與應(yīng)力大小成線性關(guān)系，所以基于布里淵散射可以測量溫度和應(yīng)力分布，但是兩者不能同時(shí)測量[4].基于布里淵散射的分布傳感技術(shù)起步晚、系統(tǒng)比較復(fù)雜，目前主要還處于研發(fā)階段，市場應(yīng)用尚未普及.在拉曼散射中，反斯托克斯散射光強(qiáng)大小取決于溫度大小，通過分析反斯托克斯光與斯托克斯光的強(qiáng)度比大小可以測量溫度分布[5]，基于拉曼散射的研究比較成熟，產(chǎn)品多樣，是最主要的溫度傳感技術(shù).

2 拉曼散射測溫原理

2.1 光時(shí)域反射原理

激光脈沖在光纖傳輸過程中，沿光纖中的每一點(diǎn)都會產(chǎn)生拉曼散射，該散射屬于各向同性的，而且有一部分拉曼光會沿光纖返回到接收端.通過分析，光纖的背向瑞利散射光子數(shù)為[6]

(1)

式中，Ne為激光脈沖在光纖入射端的光子數(shù)；KR為與光纖散射截面相關(guān)的系數(shù)；υ0為入射激光光子的頻率；S為光纖的背向散射因子；α0為入射光子頻率為υ0時(shí)的光纖損耗；L為漫反射位置離入射端的長度.

L就是OTDR系統(tǒng)中需要確定的參數(shù).假設(shè)激光脈沖在折射率為n的光纖中傳播，t=0時(shí)刻，脈沖光開始入射到光纖，發(fā)送端接收到散射光時(shí)，經(jīng)歷了時(shí)間t，則激光脈沖傳播的距離為

(2)

其中，c為真空中的光速.在光纖中，散射光沿與入射光相同的路線返回，那么散射點(diǎn)所處的位置與發(fā)射端距離為

(3)

從式(3)可知，不同時(shí)刻接收到的拉曼信號，即為激光脈沖在不同位置所產(chǎn)生的拉曼散射光信號，那么，如果在激光脈沖進(jìn)入光纖時(shí)刻就開始在發(fā)射端連續(xù)采集回波信號，所得到的時(shí)間序列信號即為整條光纖上的空間散射情況.

當(dāng)光纖某處有損壞時(shí)，在相應(yīng)時(shí)間序列信號中會有較強(qiáng)的反射回波，這也就是光時(shí)域反射器的工作原理.

2.2 光纖拉曼背向散射和溫度效應(yīng)

在頻域中， 散射光子可分為斯托克斯和反斯托克斯散射光子.

斯托克斯散射光子頻率為

vs=v0-Δv,

(4)

反斯托克斯散射光子頻率為

va=v0+Δv,

(5)

其中,Δv為光纖的分子振動頻率，對于通信光 纖Δv=440 cm-1，v0為入射光頻率[7].

對OTDR測量的瑞利信號光子數(shù)隨距離變化的關(guān)系式稍加修正，即可用于描述斯托克斯和反斯托克斯散射光子數(shù)：

(6)

(7)式中,Ks、Ka為光纖斯托克斯和反斯托克斯散射截面有關(guān)的系數(shù)；αs、αa分別為斯托克斯和反斯托克斯散射光的光纖傳輸損耗；Rs(T)、Ra(T)為與光纖分子低能級和高能級上的布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)，它與光纖所處溫度有關(guān)；其他符號意義與式(1)相同.

根據(jù)愛因斯坦的光子理論，Rs(T)、Ra(T)可表示為

(8)

(9)

式中h為普朗克常數(shù)，k為泊松比，T為熱力學(xué)溫度.

2.3 溫度解調(diào)方法

傳統(tǒng)的一種解調(diào)方式是用斯托克斯光解調(diào)反斯托克斯.從式(6)和式(7)出發(fā)可得

(10)

設(shè)初始溫度為T=T0時(shí)，則有

(11)

式(10)與式(11)相除得

(12)

于是解得

(13)

式(13)中所有的參數(shù)都是常數(shù)或者系統(tǒng)可測量的，所以在L處的溫度可以很簡單地計(jì)算出來.

另外因?yàn)橥ǔＧ闆r下瑞利散射不依賴于溫度，即有NR(T)=NR(T0)，所以也可以用瑞利反射光解調(diào)反斯托克斯.若初始溫度T=T0時(shí)，從式(1)及式(7)出發(fā)有

(14)

于是解得

(15)

該方法與傳統(tǒng)方法相比，不但可以提高系統(tǒng)的測溫精度以及相對靈敏度，而且還能降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，擴(kuò)展系統(tǒng)的功能.

3 分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)

分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖2所示.在同步控制模塊的觸發(fā)下，光脈沖調(diào)制器可使激光器發(fā)出特定周期寬度和重復(fù)頻率的激光脈沖.激光脈沖通過光耦合器連接到恒溫槽和傳感光纖上.

在脈沖激光的傳輸過程中，傳感光纖的后向散射光信號會沿著原來的傳輸光路返回至光耦合器，并耦合進(jìn)入光處理子系統(tǒng).通過分光器，將拉曼散射光中不同頻率的斯托克斯光和反斯托克斯光分開，進(jìn)入不同的光路進(jìn)行處理.帶通光濾波器過濾掉其他散射光和干擾光，只讓帶有溫度信息的斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光通過.這兩個(gè)散射光經(jīng)各自的雪崩光電二極管(APD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將電信號進(jìn)行放大，送入數(shù)據(jù)采集和處理模塊，進(jìn)行處理解調(diào)各個(gè)時(shí)間位置的溫度，再通過OTDR原理重構(gòu)出溫度的空間分布信息，采用表格或者圖形格式顯示.

由于整個(gè)系統(tǒng)有一定的噪聲和損耗，系統(tǒng)工作時(shí)需要進(jìn)行多次測量，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)和平均處理，消除不良影響，得到更準(zhǔn)確的溫度分布數(shù)據(jù).最后將數(shù)據(jù)儲存在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行下一步的應(yīng)用分析處理.

圖2 分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1977年，Barnoski[8]等人發(fā)明了OTDR系統(tǒng)，用于檢測光纖的衰減和斷裂.早在20世紀(jì) 70年代末 Rogers[9]就提出利用后向散射光強(qiáng)隨溫度變化測量溫度分布，這是最早的分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)方案.具體的實(shí)驗(yàn)裝置由Hartog[10]等人于1980年研制成功，其原理是利用液芯光纖瑞利散射系數(shù)與溫度的關(guān)系來解調(diào)得到溫度分布，在數(shù)百米長度光纖上實(shí)現(xiàn)了±2 ℃的溫度分辨率和2 m的空間分辨率.但是由于液芯光纖的局限，幾乎沒有實(shí)用性.后來通過改進(jìn)，Hartog[11]等人在1985年用固體光纖和半導(dǎo)體激光器作為光源，研制出可實(shí)用的分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置.同年，英國的Dakin也用石英光纖的Raman效應(yīng)實(shí)現(xiàn)分布式拉曼光纖測溫試驗(yàn)系統(tǒng)，光纖長度達(dá)1 km，空間分辨率小于3 m[2].

之后，商用化的系統(tǒng)開始陸續(xù)出現(xiàn).首先是英國 York 技術(shù)有限公司在1987年推出了商業(yè)化的拉曼后向散射效應(yīng)的分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有4路，每路各有 2 km長的光纖，探測得到的溫度分布的空間分辨率為7.5 m，溫度分辨率為1℃，溫度測量范圍為-50℃～+25℃[12].日本藤倉公司在 90 年代初期推出了DFS-1000 型號的分布式光纖溫度傳感器，在當(dāng)時(shí)該系統(tǒng)的測量距離同樣可達(dá)到 2 km，但是卻能實(shí)現(xiàn)3.5 m的空間分辨率以及3℃的溫度分辨率[13].1991年，德國的GESO公司對分布式拉曼溫度傳感系統(tǒng)的研究最為成功，其研制的產(chǎn)品在空間分辨率上達(dá)到了0.5 m的高精度，在技術(shù)硬件方面采用光電倍增管進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)，并充分考慮了光纖的色散、衰減特性，將其應(yīng)用到冷凍庫的溫度控制[14].

近年來，英國公司在分布式拉曼光纖測溫領(lǐng)域有著驚人的成績，并不斷突破技術(shù)難點(diǎn)，特別是英國Sensornet公司推出的Halo-DTS型號的分布式光纖溫度傳感器的成功推廣.該系統(tǒng)測量距離最高可達(dá) 60 km，而且測溫精度高達(dá) 0.01 ℃，空間分辨率更是達(dá)到了1 m，這是目前國際上同類產(chǎn)品的最高水平.美國Agilent的分布式光纖溫度傳感器相關(guān)產(chǎn)品則更具多樣化，該系列產(chǎn)品的測量距離分為30 km、8 km、4 km和2 km，能夠滿足不同的應(yīng)用場合和測量條件.最高溫度分辨率為1 ℃，空間分辨率則可達(dá)到1 m.

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代后期開始，重慶大學(xué)黃尚廉等人就對分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，并于1990年完成了可行性研究[1].1991 年該團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目“分布式光纖溫度測量系統(tǒng)”，僅僅用1年的時(shí)間就成功研制出了系統(tǒng)[15].他們采用普通的多模通訊光纖實(shí)現(xiàn)傳感系統(tǒng)，在降低了產(chǎn)品成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了±3℃的溫度分辨率和5 m的空間分辨率，而且能夠在30 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)單次測量，為快速測量提供了必要的條件[16].

1992年中國計(jì)量學(xué)院光電子技術(shù)研究所張?jiān)谛热松陥?bào)了國家首批產(chǎn)學(xué)研工程合作開發(fā)項(xiàng)目“光纖傳感器系統(tǒng)及應(yīng)用”，并于1994年7月研制成光纖喇曼散射光譜效應(yīng)的2 km FGC-w1型分布光纖溫度傳感器系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)，其空間分辨率的實(shí)測結(jié)果小于10 m，溫度分辨率0.1℃[7].之后該團(tuán)隊(duì)不斷致力于提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并開展這一系統(tǒng)的應(yīng)用研究[17-18].

2002年中山大學(xué)蔡志崗和李偉良等人本著校企合作的先進(jìn)理念成功研制出了商用性的光纖溫度傳感系統(tǒng)，測溫長度為2 km，溫度分辨率最小達(dá)±1℃，空間分辨率為2.5 m[19-20].之后不斷對系統(tǒng)的溫度分辨率和空間分辨率的提高做了深入的研究，現(xiàn)在研制系統(tǒng)性能大大提高.以中山大學(xué)與廣州神科光電科技有限公司合作的產(chǎn)品SNKOO分布式光纖感溫系統(tǒng)為例，測量長度4 km、8 km、10 km可選，測量速度快，感溫精度小于±1℃，空間分辨率達(dá)到1 m.

此外，吉林大學(xué)[21]、上海交通大學(xué)[22]、長春理工大學(xué)[23]、湖南大學(xué)[24]等院校也對激光拉曼型分布光纖溫度傳感器有相關(guān)研究.

5 應(yīng)用領(lǐng)域

分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 系統(tǒng)以光纖為傳感元件，并作為光信號的傳輸通道，具有防燃、防爆、抗腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，能適用于傳統(tǒng)溫度傳感器無法工作的惡劣條件，例如大電流、高壓高溫甚至爆炸的測量環(huán)境，比傳統(tǒng)溫度傳感器更加安全可靠.(2) 一根光纖即可以取代大量點(diǎn)型傳感器，并能準(zhǔn)確地測量沿光纖走向任意點(diǎn)上的溫度信息，為實(shí)時(shí)在線的溫度分布式測量及溫度預(yù)報(bào)提供可靠、低成本、可行的方案；(3) 光纖具有柔軟、質(zhì)量輕盈的優(yōu)點(diǎn)，方便工程安裝，而且分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)只有一個(gè)光源和一個(gè)探測系統(tǒng)，易于安裝和維護(hù).由于以上優(yōu)點(diǎn)，分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)大量運(yùn)用于各種探測環(huán)境.應(yīng)用舉例如圖3所示.

1) 隧道或礦井火災(zāi)監(jiān)測

隧道火災(zāi)事故近年頻繁發(fā)生，特別是煤礦隧道.一般情況下，隧道空間都非常狹小，而且基本處于密封狀態(tài)，一旦火災(zāi)發(fā)生，將會迅速蔓延至整個(gè)隧道；若隧道內(nèi)存在工作人員，疏散將極其困難，同時(shí)消防人員也無法直接進(jìn)入及時(shí)救援，造成極大的生命財(cái)產(chǎn)威脅.所以，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對隧道進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警尤為重要.目前，對電纜隧道火情預(yù)警和火災(zāi)過熱報(bào)警最有效的方法是采用溫度監(jiān)測.分布式光纖感溫系統(tǒng)安裝時(shí)，控制系統(tǒng)是位于控制室內(nèi)，探測光纜鋪設(shè)在隧道頂部，一端與控制系統(tǒng)位置的光纖傳感儀連接，探測系統(tǒng)還與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相連接.一旦發(fā)生火災(zāi)，溫度升高，則會觸發(fā)高溫預(yù)警系統(tǒng)，并傳送給火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，并與其他消防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)消防聯(lián)動，以最快速度應(yīng)對火災(zāi)的發(fā)生，為救援提供最及時(shí)的支持.該系統(tǒng)可以應(yīng)用于地鐵隧道[24-25]、煤礦井[26-27]、鐵路隧道、公路隧道、海底隧道等.

2) 電力系統(tǒng)監(jiān)測

電力系統(tǒng)也是溫度監(jiān)測的重要場合之一.電力系統(tǒng)中有大量的設(shè)備對溫度非常敏感，一旦溫度出現(xiàn)異常，輕則造成設(shè)備運(yùn)行失常，出現(xiàn)故障，重則造成火災(zāi)、爆炸等惡劣事故，所以非常有必要對電力系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測，以便為相關(guān)工作人員提供及時(shí)、有效的防范預(yù)警.示溫蠟片、數(shù)字溫度傳感器、紅外溫度儀是早期較為常見的溫度監(jiān)控手段，但是這前兩者都需要人工巡查，效率低下.紅外溫度儀雖然可以傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，但是也只能針對關(guān)鍵位置進(jìn)行布置監(jiān)控，無法覆蓋所有區(qū)域，而且數(shù)據(jù)的傳輸是基于電信號的，容易受到周圍電磁場的影響，供電模塊也為用電安全埋下危險(xiǎn)的伏筆，具有局限性.

分布式光纖感溫系統(tǒng)則克服了以上缺點(diǎn)與不足，具有通信迅速、報(bào)警設(shè)置靈活、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn).分布式光纖感溫系統(tǒng)幾乎可以對電力系統(tǒng)所有的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，包括電線電纜[28]、電廠溫度監(jiān)控[19,29]、變壓器繞組溫度監(jiān)測等，國內(nèi)已經(jīng)有很多成功案例：南京揚(yáng)子石化熱電廠[30]、濟(jì)南鋼鐵[31]、韶關(guān)電廠、秦山核電廠等.

圖3 分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用舉例

3) 滲漏監(jiān)測

水壩或者油氣管道等工程設(shè)施覆蓋面大，其特點(diǎn)是時(shí)空隨機(jī)性，需要長時(shí)間全方位的監(jiān)控.當(dāng)這些工程的某個(gè)部位發(fā)生滲漏時(shí)，以往數(shù)字點(diǎn)式的探測器根本無法及時(shí)地監(jiān)測，但是分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)只要在工程表面或者內(nèi)部鋪上光纖就能實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)測，哪怕出現(xiàn)小小范圍的滲漏都能及時(shí)報(bào)警，從而遏制住可能即將發(fā)生的損失.另外，光纖壽命長達(dá)30 年，足以滿足要求.像水壩、輸油、輸氣管道在通常情況下各個(gè)位置的溫度應(yīng)該保持恒定，隨環(huán)境溫度變化非常小，一旦某處發(fā)生泄漏或者滲漏，溫度則會劇烈變化，布置在該處的感溫光纖就可立刻將溫度信息傳送至系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，從而發(fā)現(xiàn)異常并精確定位.目前國外特別是歐洲地區(qū)應(yīng)用較多，如瑞典[32]等，美國、日本[33]等發(fā)達(dá)國家也有相關(guān)研究；國內(nèi)在水壩滲漏[34-35]和管道泄漏[36-37]都有非常多的研究，也有不少案例，如三峽大壩溫度監(jiān)測[38]、廣東長調(diào)水電站[39]、大港—棗莊成品油管道泄漏監(jiān)測[40].

4) 其他領(lǐng)域

另外在水文研究[41]、地震勘探[42]、地質(zhì)科學(xué)研究[43]、混泥土質(zhì)量監(jiān)測[44]、高山積雪監(jiān)測[45]等領(lǐng)域都有分布式光纖溫度探測器的應(yīng)用，可見其應(yīng)用范圍特別廣泛.

6 總結(jié)

分布式拉曼光纖測溫技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，解決了許多實(shí)際應(yīng)用中的問題.而且分布式光纖溫度測量技術(shù)還在發(fā)展，特別是隨著基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)的成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域還將繼續(xù)擴(kuò)大.在今后的發(fā)展中，重點(diǎn)是要將理論研究與應(yīng)用研究相結(jié)合，以便更好更快地解決各種工業(yè)過程的監(jiān)測難題.

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Review of Distributed Optical Fiber Raman Temperature Measuring System

Chen Jian-pei1, Li Wei-liang2, Cai Zhi-gang1

(1. State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; 2. SNKOO Photonics (GuangZhou) Co., Ltd., Guangzhou 510006, China)

Distributed optical fiber Raman temperature measuring system is a real-time, fast, reliable and stable on-line measuring system. It has become a new and important detection in the field of industrial process. This paper introduces the principle and system structure of distributed optical fiber Raman temperature sensor, reviews the research history at home and abroad, and introduces the main application field and cases.

distribution; Raman scattering; optical fiber temperature sensor; temperature measurement principle; application cases

2014- 01- 10

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(J1210034);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10934011)

陳健沛(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感、模式識別.

蔡志崗(1969-)，男，教授，主要研究方向?yàn)闉楣饫w傳感、光通信器件與測量技術(shù).E-mail：lasers@netease.com

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.019

TP212

A

1007-7162(2015)03- 0102- 08