分布式光纖測溫系統(tǒng)溫度與定位補償算法研究

茍 怡，郭清華

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

隨著我國煤礦礦井生產(chǎn)逐步向高產(chǎn)高效集約化發(fā)展，膠帶輸送機在煤礦井下得到了廣泛的應用，但由于運輸距離長，使用率高，疏于管理，膠帶輸送機安全事故時有發(fā)生，部分事故引起煤礦火災乃至爆炸事故[1-3]。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國在80年代、90年代發(fā)生的重大膠帶輸送機事故50 多起，損失慘重[2]。隨著分布式光纖測溫系統(tǒng)技術日趨成熟，已逐步用于煤礦膠帶輸送機火災、采空區(qū)自然發(fā)火及電力電纜監(jiān)測領域[4-5]。

分布式光纖測溫系統(tǒng)，采用光纖作為傳感介質(zhì)，具有本質(zhì)安全防爆、高靈敏度、抗干擾，具有遠距離信息傳輸?shù)纫幌盗须姕y傳感器所缺乏的獨特優(yōu)點[6]。鋪設一條光纖在煤礦巷道、采空區(qū)等待測空間，即可連續(xù)測量、準確定位整條光纖所處空間的溫度，實現(xiàn)火災預警與定位功能。

1 拉曼分布式光纖測溫系統(tǒng)

1.1 拉曼分布式光纖測溫技術定位與感溫原理

拉曼分布式光纖測溫技術根據(jù)光纖的光時域反射OTDR（optical time-domain reflectometry）和光纖的背向拉曼散射溫度效應實現(xiàn)光纖距離的定位和溫度的測量。

1）光時域反射原理

光時域反射是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，同時也是分布式光纖傳感器的基礎。如圖1 所示，傳播通道T 和接收通道R 為同一根光纖，圖中表示成不同的兩條通道。光纖總長為L，假設距離激光源長度為Z 處的光纖（長度為ΔZ）。光源發(fā)射一個很窄的高強度激光脈沖并注入光纖，傳播時會產(chǎn)生后向散射光。從光脈沖注入光纖時開始計時，當光到達Z 處時散射光再返回到入射點，則光纖中產(chǎn)生散射的位置和該點散射光返回時所用的時間具有以下關系[7]：

式中：t 為光脈沖從注入光纖到返回光發(fā)射點的時間；Z 為光纖發(fā)生散射的位置；c 為真空中的光速；v 為光纖中的光速；n 為光纖的折射率；Δt 光脈沖持續(xù)時間。

圖1 光時域反射工作原理Fig.1 Schematic of optical time domain reflect

2）光纖拉曼背向散射的溫度效應

當頻率為V0的激光進入光纖時，在其背向會產(chǎn)生拉曼散射，即頻率不同于入射光的散射光。拉曼散射光子的頻率既可向低處移動（斯托克斯頻移），也可向高處移動（反斯托克斯頻移）。在頻域中，拉曼散射光子分為斯托克斯和反斯托克斯光子，如圖2 所示。由于拉曼散射由光纖組成元素屬性及熱振動作用決定，所以散射光強度與溫度有關。反斯托克斯散射光在常溫下的溫度靈敏度達0.8%，而斯托克斯散射光則對溫度靈敏度不到0.1%，幾乎對溫度不敏感，可根據(jù)斯托克斯曲線來解調(diào)反斯托克斯曲線，獲得沿光纖分布的溫度值[8]。

圖2 拉曼散射頻譜分布Fig.2 Raman scattering spectrum distribution

在光纖Z 處的斯托克斯散射光子數(shù)為

在光纖Z 處的反斯托克斯散射光子數(shù)為

式中：Ks、Ka分別為與光纖斯托克斯和反斯托克斯散射截面有關的系數(shù)；S 為光纖的背向散射因子；vs、va分別為斯托克斯和反斯托克斯散射光子頻率；α，αs，αa分別為入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光頻率的光纖傳輸損耗；Z 為檢測裝置到光纖待測局域處的長度。Rs（T）、Ra（T）分別為與光纖分子低能級和高能級上的布局數(shù)有關的系數(shù)，它們與光纖局域處的溫度有關[9]。

3）拉曼分布式光纖測溫技術溫度解析方法

拉曼分布式光纖溫度傳感器采用的信號調(diào)制方法是以光纖中的反斯托克斯拉曼散射光為載波，對反斯托克斯拉曼散射光在傳感光纖中傳播過程中的溫度信號進行調(diào)制。在實際測量時，可用光纖的斯托克斯散射曲線解調(diào)光纖的反斯托克斯散射曲線。利用T=T0作為被測光纖上各點的標定溫度，得到光纖Z 局域處的溫度T 為

式中：Δv 為拉曼聲子頻率；h 為普朗克常量；k 為玻耳茲曼常量。

在實際應用中，將對溫度不敏感的斯托克斯光作為參考通道，采用雙通道雙波長光強度相比較的方法，以消除環(huán)境干擾、光纖受力與彎曲、接頭損耗和光源漂移的影響。在測得后向散射光的光強后，由它們的比值可以推知相應的溫度信息，再通過光時域反射技術，確定溫度信息對應的位置，從而得到沿整條光纖的溫度分布圖[10]。

1.2 分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理如圖3 所示。分布式光纖溫度系統(tǒng)主要由激光二極管（LD）、光纖波分復用器、光電接收器（PD）、運放電路、高速A/D卡、DSP 嵌入式信號采集與處理系統(tǒng)、 通信接口電路等組成[11]。

圖3 分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Map of distributed fiber temperature system operating-principle

半導體激光器（LD）產(chǎn)生泵浦光脈沖，經(jīng)光纖放大器（EDFA）功率提升后耦合進光纖，后向散射光經(jīng)光纖分路耦合進光濾波器進行濾波和分離，得到攜帶溫度信號的后向反斯托克斯拉曼散射光和作為參考信號的后向斯托克斯散射光，再分別進入光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，由兩路高速A/D 完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)DSP 嵌入式系統(tǒng)完成信號處理、分析計算，得到對應點溫度場信息和相應光纖位置，通過通訊數(shù)據(jù)接口輸出溫度場數(shù)據(jù)。

2 溫度定標與溫度補償方法

2.1 分布式光纖測溫系統(tǒng)的溫度測量定標方法

圖4 所示為分布式光纖測溫系統(tǒng)所測量到的拉曼散射信號強度曲線，曲線分為3 個部分：前端反射區(qū)、溫度測量區(qū)和尾端反射區(qū)[12-13]。前端反射區(qū)的產(chǎn)生是由激光在光纖入射端處的端面反射和光探測器的飽和阻塞效應引起的；尾端反射區(qū)的產(chǎn)生是由光纖尾端端面與空氣的折射率差引起的后向拉曼散射光增強引起的。溫度測量區(qū)的信號比較穩(wěn)定，能真實反映光纖沿線的溫度變化信息，定標區(qū)只能設在該區(qū)域中。一般將定標區(qū)設在200 m處，該點所對應的空間位置才是溫度測量的有效起始點[14-15]。

圖4 溫度定標區(qū)的選擇圖Fig.4 Sketch map of temperature calibration choice

2.2 溫度補償方法

由于傳感光纖有其自身特定屬性，因此在進行溫度精確測量以前，必須對傳感光纖進行溫度校正。通過校正使測量溫度與真實溫度之間的誤差達到最小。

1）溫度偏差補償

由于傳感光纖有保護外套，因此傳感光纖所感應的溫度與環(huán)境溫度必然存在一個溫差；該溫差在測量之前必須進行補償，以達到溫度的準確測量。首先將傳感光纖放置在恒溫條件Tc下進行測量，獲得測量溫度Tt，如圖5 所示。根據(jù)所測得的溫度可得溫差ΔT 為

圖5 溫度偏差測量圖Fig.5 Temperature deviation measurement diagram

在獲取該傳感光纖的溫差常數(shù)ΔT 后，將該常數(shù)寫入到測量軟件中進行修正，所得測量曲線與修正曲線如圖6 所示。

圖6 溫度修正曲線圖Fig.6 Temperature correction curve

3）光纖非正常耗損引起的溫度偏差補償方法

由于傳感光纖自身耗損分布不均勻而引起的溫度測量誤差會隨傳感光纖測量距離的增大而增大，因此必須對光纖非均勻耗損引起的溫度測量誤差進行修正，原理圖如圖7 所示。

圖7 耗損差修正溫度原理圖Fig.7 Schematic diagram of loss correction temperature

首先將傳感光纖至于常溫T 狀態(tài)下，獲得的理想正常溫度曲線為

理想的正常耗損曲線為

由于傳感光纖在Ds位置的耗損發(fā)生了突變，致使后續(xù)光纖的溫度曲線和耗損曲線發(fā)生了改變，分別為

非正常溫度曲線：

非正常耗損曲線：

由式（7）、式（9）可得溫度誤差值：

由式（8）、式（10）可得耗損偏差值：

將式（11）、式（12）中的變量d 消去，可得溫度誤差與耗損差的關系如下：

根據(jù)式（13）耗損差來修正溫度曲線，從而實現(xiàn)溫度的準確測量。

3 飄移補償與光纖斷裂定位方法

3.1 飄移補償定位方法

由于分布式光纖測溫系統(tǒng)中激光器工作狀態(tài)的不穩(wěn)定性因素，可能致使分布式光纖測溫系統(tǒng)的定位功能產(chǎn)生誤差，發(fā)生定位飄移，從而使所有的重要測量點無法準確定位。在測溫系統(tǒng)工程現(xiàn)場使用過程中，發(fā)現(xiàn)了分布式光纖測溫系統(tǒng)飄移的規(guī)律，利用該規(guī)律進行了準確的飄移補償定位，光纖漂移定位算法原理如圖8 所示。

圖8 光纖漂移定位算法Fig.8 Fiber drift positioning algorithm

首先記錄下分布式光纖測溫系統(tǒng)正常耗損曲線的第一個耗損極點的位置d1，當光纖定位發(fā)生飄移后，該極點的位置會隨著飄移距離向后移至d2位置。由此可以根據(jù)耗損曲線第一個極點的飄移距離算出光纖的飄移距離Ds，即：

當前分布式光纖測溫系統(tǒng)所測量的定位距離，減去光纖飄移距離Ds，就得到光纖的真實定位距離和溫度分布。

3.2 光纖斷裂定位方法

當傳感光纖在溫度測量過程中，光纖發(fā)生意外斷裂后，需要進行及時的定位以便快速熔接光纖，完成整個區(qū)域溫度的測量。光纖斷裂定位方法是根據(jù)所測得的溫度曲線來判定的，當某一點的溫度T=-273 ℃時，則該點所處的位置就是光纖的斷裂點。

4 結(jié)語

本文詳細介紹了基于拉曼背向散射的光纖測溫原理，包括光時域反射技術 （OTDR） 和光纖拉曼背向散射的溫度效應，并闡述了分布式光纖測溫系統(tǒng)原圖；在分布式光纖測溫系統(tǒng)的現(xiàn)場工程使用過程中，提出了相應的溫度補償方法，包括溫差偏移和耗損非均勻分布引起的溫度偏差；提出了光纖飄移補償定位方法與斷裂定位方法。為分布式光纖測溫系統(tǒng)在工程現(xiàn)場使用提供了參考。