基于BOTDR分布式傳感系統(tǒng)的研究

陳 磊，詹躍東，田慶生

(1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南昆明 650500；2.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司，云南昆明 650217；3.昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，云南昆明 650217)

0 引言

輸電線路上的溫度檢測(cè)一般采用非接觸紅外線技術(shù)和溫度計(jì)直接測(cè)量的方式,而受力監(jiān)測(cè)一般采用應(yīng)變傳感器測(cè)量或在電力傳輸線表面粘貼應(yīng)變片的方式[1-2]。高壓傳輸線路的溫度和應(yīng)變測(cè)量均是基于電學(xué)點(diǎn)式的測(cè)量，會(huì)受到線路的強(qiáng)電磁干擾，長(zhǎng)時(shí)間處于惡劣環(huán)境下，這些電子設(shè)備的測(cè)量精度也都會(huì)劣化，此外電學(xué)點(diǎn)式傳感設(shè)備的在線取能也是一個(gè)非常大的問題[3-6]。因此需要研制出一種穩(wěn)定可靠無取能障礙的實(shí)時(shí)分布式溫度應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)技術(shù)。

基于布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，相比之前的電學(xué)式傳感系統(tǒng)，具有穩(wěn)定可靠無取能障礙等優(yōu)點(diǎn)，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)已發(fā)展成為光纖傳感領(lǐng)域的主要技術(shù)。采用分布式光纖傳感技術(shù)能夠?qū)旊娋€路幾十km范圍內(nèi)沿線各點(diǎn)的溫度分布以及沿線各處的應(yīng)變分布進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，結(jié)合實(shí)時(shí)測(cè)量的微氣候數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到輸電線路的實(shí)際溫度分布，捕捉極端天氣條件或其他破壞電纜情況下的受力分布，及時(shí)提供準(zhǔn)確的預(yù)警[7-8]。本文基于光時(shí)域反射計(jì)(BOTDR)技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)，采用相干探測(cè)的BOTDR技術(shù),利用窄線寬激光器作為種子光源，并在采樣布里淵增益譜的過程中提出了一種非均勻采樣方式，有效地解決了BOTDR技術(shù)方案中存在的微弱信號(hào)檢測(cè)和寬帶移頻問題。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的傳感范圍可以達(dá)到30 km，具有很好的穩(wěn)定性。

1 BOTDR分布式傳感系統(tǒng)的工作原理

BOTDR傳感技術(shù)原理如圖1所示，探測(cè)光脈沖注入到傳感光纖中，脈沖光在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生后向散射光，根據(jù)后向散射光回來的時(shí)間，確定光散射發(fā)生的位置，也即光時(shí)域反射計(jì)OTDR的原理[9-10]。根據(jù)入射光在光纖中的散射光回來的時(shí)間進(jìn)行定位，其公式為

L=cΔt/(2n)

(1)

式中：c為光速，取3×108m/s；n為光纖折射率；Δt為時(shí)間間隔。

圖1 BOTDR技術(shù)原理圖

當(dāng)光纖的某一段受到應(yīng)變擾動(dòng)時(shí)，此段光纖后向布里淵散射信號(hào)頻譜的中心頻率會(huì)偏移，幅度會(huì)變化，如果受到的是溫度擾動(dòng)，后向布里淵散射信號(hào)頻譜的中心頻率也會(huì)偏移，幅度也會(huì)發(fā)生變化，但是由于溫度和應(yīng)變使得中心頻率和幅度改變的系數(shù)不一樣，因此，通過測(cè)量后向布里淵信號(hào)的頻譜特性，即可同時(shí)測(cè)量出受到的溫度和應(yīng)變擾動(dòng)量。因此如何定位和如何解調(diào)溫度和應(yīng)變信息的2個(gè)基本原理，即為BOTDR技術(shù)的基本原理[11]。基于BOTDR的分布式光纖傳感技術(shù)利用應(yīng)力和溫度可以改變布里淵散射光相對(duì)于入射光的頻移這個(gè)特性，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的傳感檢測(cè)[12]。此傳感技術(shù)具有可測(cè)量多個(gè)物理參量(如溫度、應(yīng)變和線路損耗等)、空間分辨率高、傳感距離長(zhǎng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 基于BOTDR的分布式傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 傳感系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決BOTDR技術(shù)方案中存在的微弱信號(hào)檢測(cè)和寬帶移頻的問題，本系統(tǒng)采用基于相干探測(cè)的BOTDR技術(shù)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2(a)為系統(tǒng)框圖，采用2根各30 km的單模光纖分別作為溫度和應(yīng)變的傳感光纖，傳感系統(tǒng)圖如圖 2(b)所示。種子光源采用的是窄線寬激光器，其線寬小于2 kHz，功率為10 mW，波長(zhǎng)為1 550 nm。種子光源經(jīng)耦合器分成2路，下面一路光作為泵浦光注入到布里淵光纖激光器中，經(jīng)過布里淵環(huán)形腔的非線性效應(yīng)，輸出頻率相對(duì)光纖激光器有一個(gè)約為10 GHz頻率下移的激光。上面一路光經(jīng)電光調(diào)制器調(diào)制成10 ns的脈沖光，光放大和濾波后，經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入到傳感光纖中。當(dāng)脈沖光在傳輸時(shí)，會(huì)有瑞利散射光和布里淵散射光反射回來，反射散射光經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入到光學(xué)相干探測(cè)系統(tǒng)中，與下路的布里淵激光器輸出光進(jìn)行光學(xué)相干拍頻。由于布里淵散射光與下路布里淵激光器的頻差較小，在1 GHz量級(jí)，而瑞利散射光與布里淵激光器的拍頻頻差在11 GHz附近，使用2 GHz帶寬探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，瑞利散射光則因拍頻頻差過高無法探測(cè)而被過濾掉。通過頻譜分析之后可以解調(diào)出溫度和應(yīng)變的分布。

(b)BOTDR傳感系統(tǒng)圖圖2 基于相干探測(cè)的BOTDR結(jié)構(gòu)圖

(a)基于相干探測(cè)的BOTDR技術(shù)框圖

2.2 激光器和光源的選擇與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的單模光纖對(duì)應(yīng)的溫度和應(yīng)變引起頻移和幅度的變化系數(shù)如表1所示。

表1 溫度和應(yīng)變擾動(dòng)線性系數(shù)

最終解調(diào)出的溫度和應(yīng)變?nèi)缡?2)和式(3)所示：

(2)

(3)

由于布里淵頻移量與應(yīng)變和溫度成線性關(guān)系，針對(duì)1 550 nm的單模光纖，與應(yīng)變的線性系數(shù)為Cv，ε:+0.05 MHz/με，與溫度的線性系數(shù)為Cv，T:+1.1 MHz/K，因此為了準(zhǔn)確地測(cè)量溫度和應(yīng)變，需要準(zhǔn)確地提取出布里淵頻移量，從而要求入射種子激光光源的線寬很窄，使得頻移前后的光沒有頻譜覆蓋?？紤]溫度，如果要使得測(cè)量溫度的精度達(dá)到1 ℃，那么種子光源的線寬至少要小于1 MHz。在實(shí)驗(yàn)中，將采用窄線寬激光器，3 dB線寬約為2 kHz。

2.3 系統(tǒng)信號(hào)分析處理總流程

針對(duì)60 km傳感范圍，5 m空間分辨率的BOTDR系統(tǒng)，本系統(tǒng)信號(hào)分析處理流程如下：使用聲光調(diào)制器對(duì)種子光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制得到脈沖序列，其脈寬為100 ns，重復(fù)頻率為4 kHz。之后將其脈沖序列注入到光纖中，進(jìn)去之后將觸發(fā)采集卡工作，采集卡對(duì)BOTDR系統(tǒng)的光相干拍頻探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行采集，將光信號(hào)采集下來，之后將信號(hào)讀取到PC機(jī)上，按時(shí)間窗口將其信號(hào)對(duì)應(yīng)起來。之后提取出其中的中心頻率和幅度，將采集到的多脈沖散射信號(hào)依次分幀進(jìn)行時(shí)頻FFT分析，提取頻譜信息，累加平均處理后得到沿光纖傳感長(zhǎng)度上頻移和幅度的分布，再根據(jù)線性關(guān)系，解調(diào)出其溫度和應(yīng)變分布[11]。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 分布式溫度傳感測(cè)量

如圖3所示為溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖，在傳感光纖3 km處，拉出100 m光纖放在一個(gè)加熱器里，調(diào)節(jié)其溫度，對(duì)此處100 m的光纖施加不同的溫度擾動(dòng)；在傳感光纖20 km處，拉出100 m光纖放在高溫箱中，調(diào)節(jié)其溫度，對(duì)此處100 m的光纖施加不同的溫度擾動(dòng)，在傳感光纖的末端處接入隔離器，防止光纖末端的端面反射光進(jìn)入到傳感信號(hào)中造成干擾誤差。

圖3 溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖

在不施加溫度擾動(dòng)的情況下，對(duì)BOTDR系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，得到的沿傳感光纖的頻移分布如圖4所示，圖中某些局部有較大的頻率差別，主要原因是接入的傳感光纖由多種不同批次和種類的單模光纖熔接而成，由于摻雜和結(jié)構(gòu)等細(xì)微的不同，導(dǎo)致布里淵頻移有一些區(qū)別。對(duì)室溫下(28 ℃)的布里淵頻移作為頻移標(biāo)定量，在不施加溫度擾動(dòng)的情況下，進(jìn)行多次測(cè)量，減去標(biāo)定量作為頻移相對(duì)變化量，從而進(jìn)行溫度擾動(dòng)的傳感。其頻差分布圖如圖4所示，為縱坐標(biāo)縮小的頻差分布圖，從圖中可以看出，在25 km的傳感范圍內(nèi)，頻率重復(fù)測(cè)量的誤差約為±2 MHz。

圖4 無擾動(dòng)下布里淵頻移相對(duì)標(biāo)定量的頻差分布圖

對(duì)2段光纖進(jìn)行溫度擾動(dòng)傳感實(shí)驗(yàn)，空間分辨率設(shè)置為15 m，傳感范圍為25 km，相對(duì)室溫下測(cè)得的不同溫度擾動(dòng)下的頻差分布。圖5為加熱器64 ℃，高溫箱70 ℃時(shí)頻差分布，從圖中可以準(zhǔn)確定位出此實(shí)驗(yàn)受擾動(dòng)的2個(gè)區(qū)域?yàn)?.950～3.950 km、22.750～22.850 km。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，在不同溫度擾動(dòng)情況下，受擾動(dòng)局部的布里淵頻移頻差會(huì)有變化，其變化的趨勢(shì)隨溫度上升呈線性變化。

記錄某一段光纖在不同溫度擾動(dòng)下的布里淵頻移，得到如圖6所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到線性擬合系數(shù)為1.009 MHz/ ℃，與其他研究小組測(cè)得的線性系數(shù)基本完全一致。利用此線性系數(shù)，對(duì)溫度引起布里淵頻差分布圖進(jìn)行解調(diào)，得到分布式溫度傳感結(jié)果如圖7所示，其中受到溫度擾動(dòng)的2個(gè)區(qū)域如圖7所示。

(a)整體頻差分布圖

(b)局部頻差分布圖圖5 加熱器64 ℃，高溫箱70 ℃時(shí)頻差分布圖

圖6 溫度引起布里淵頻移變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖7 BOTDR分布式溫度測(cè)量結(jié)果圖

3.2 分布式應(yīng)變傳感測(cè)量

圖8為應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖，將距離傳感光纖起始點(diǎn)1.8 km處的一段23 m長(zhǎng)的光纖夾持在移動(dòng)平臺(tái)上，后面還有一段20 km長(zhǎng)的傳感光纖，將布置好的傳感光纖接入到設(shè)計(jì)的BOTDR系統(tǒng)中，進(jìn)行布里淵散射頻移測(cè)量。設(shè)置總傳感范圍為3 km，空間分辨率為10 m，在室溫為17 ℃情況下進(jìn)行測(cè)試，固定緊施加應(yīng)變區(qū)域的一段傳感光纖，調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)一端，記錄在不同拉伸長(zhǎng)度情況下，BOTDR系統(tǒng)布里淵頻移的分布圖如圖9所示。

圖8 應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖

記錄這一段光纖在不同應(yīng)變擾動(dòng)下的布里淵頻移，得到如圖10所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到線性擬合系數(shù)為0.047 MHz/με，與其他研究小組測(cè)得的線性系數(shù)基本一致。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)光時(shí)域反射計(jì)技術(shù)的研究，采用光學(xué)相干拍頻技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套分布式傳感系統(tǒng)，并搭建溫度和應(yīng)變測(cè)試平臺(tái)，對(duì)整個(gè)傳感系統(tǒng)進(jìn)行分布式溫度和應(yīng)變傳感測(cè)試，在對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中采用一種非均勻采樣法。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的傳感范圍可以達(dá)到30 km以上，空間分辨率可達(dá)到5 m以下，溫度分辨精度為±1 ℃，應(yīng)變分辨精度為±20 με。本系統(tǒng)采用研制的布里淵激光器作為相干拍頻本地光，解決了BOTDR技術(shù)方案中存在的微弱信號(hào)檢測(cè)和寬帶移頻問題。該傳感系統(tǒng)無論從技術(shù)復(fù)雜程度、傳感距離、測(cè)量精度、定位性能和環(huán)境干擾等諸多方面都比現(xiàn)有傳感系統(tǒng)有提高。

(a)拉伸9 mm(應(yīng)變9 mm/23 m=385 με)

(b)拉伸27 mm(應(yīng)變27 mm/23 m=1 168 με)圖9 拉伸之后布里淵頻移分布圖

圖10 應(yīng)變引起布里淵頻移變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖