分布式光纖測溫系統(tǒng)提升空間分辨率的方法研究

李新堂 王利明 黃長江

（深圳市特發(fā)泰科通信科技有限公司 廣東省深圳市 518054）

光纖傳感技術是利用光纖對某些特定的物理量敏感的特性，將外界物理量轉換成可以直接測量的光信號的技術[1]。目前溫度測量，主要利用光纖中的拉曼散射對溫度敏感的特性實現(xiàn)，主要技術實現(xiàn)技術為R-OTDR (Raman Optical Time-Domain Reflectometry) 拉曼光時域反射技術，關鍵技術指標包括空間分辨率、定位精度及測溫精度等幾個參數(shù)。期中空間分辨率是指系統(tǒng)在空間上的最小測量間隔[2]，例如，100米的光纖如果最多能采集200個測溫點，則空間分辨率為0.5米，單位長度內采集點越多，則分辨率越高。

通常情況下，分布式光纖測溫系統(tǒng)空間分辨率的大小取決于系統(tǒng)采樣時鐘的頻率，頻率越高意味著采樣點越密，空間分辨率越高；本文提出一種在不改變系統(tǒng)時鐘頻率的情況下，利用軟件技術提高系統(tǒng)的空間分辨率的方法。

1 分布式光纖測溫實現(xiàn)分析

1.1 拉曼散射光纖測溫技術

激光脈沖射入光纖后會產(chǎn)生散射現(xiàn)象，散射光的波長及光強特性如圖1所示，散射光中有3類散射信號，分別是：彈性瑞利散射及非彈性的布里淵散射和拉曼散射[3]。在這3類散射信號中，瑞利散射對溫度參數(shù)并不敏感；布里淵散射除對溫度參數(shù)敏感外，還會受到光纖應力、振動等參數(shù)影響[4]；拉曼散射與溫度參數(shù)高度敏感[5]，并且與應力及振動等參數(shù)敏感度非常底，是目前分布式光纖測溫的技術的首選方案。

由圖1可以看出，拉曼散射會產(chǎn)生對溫度敏感的反斯托克斯光信號，及對溫度不敏感斯托克斯光信號，利用兩個信號的光強差，可以計算出溫度信息。

基于拉曼散射技術測溫由于技術穩(wěn)定、性價比好，是當前市場上分布式光纖測溫系統(tǒng)的主流技術方案。圖2是拉曼散射測溫技術實現(xiàn)的原理框圖，其基本實現(xiàn)原理為：激光光源發(fā)出超窄激光脈沖，通過耦合器發(fā)射到光纖中，在激光脈沖沿光纖傳輸過程中會產(chǎn)生后向的拉曼散射光，后向散射光經(jīng)過耦合器分離進入分光器，分光器將散射光中的兩路拉曼散射光信號分離出來，其中一路是正斯托克斯光（參照光），另一路是反斯托克斯光（攜帶溫度信息的光），兩路光信號經(jīng)過APD單元轉換為電信號，兩路電信號經(jīng)過FPGA處理調解出散射光信號中的溫度信息，實現(xiàn)溫度測量功能。

光頻域分析技術(OFDR-Optical frequency-domain reflectometer)可以解析光的頻域信息，區(qū)分出攜帶測量信息的信號光，進而得到溫度信息[6]；光時域反射(OTDR-Optical time-domain reflectometer)光時域反射技術可以實現(xiàn)測試點的空間定位，通過這兩個分析技術，分布式光纖測溫系統(tǒng)可以實現(xiàn)對條光纜沿途分布的溫度測量功能。

1.2 光時域反射技術

圖1：散射光波長及強度特性圖

圖2：拉曼散射測溫技術原理圖

圖3：OTDR定位原理圖

圖4：空間分辨率示意圖

圖5：正反相時鐘時序圖

圖6：正反相時鐘采樣原理圖

光時域反射技術是通過分析后向散射光的光強隨時間變化，可以得到相關物理量沿光纖傳播方向的分布，其工作原理如圖3所示：當激光脈沖射入光纖后，檢測器記錄脈沖發(fā)出的時間t0，假設檢測器在t1時刻檢測到激光脈沖在光纖中距離L位置產(chǎn)生的散射信號，根據(jù)t1與t0之間的時間間隔Δt，依據(jù)激光脈沖在光纖中的傳播速度v，則激光脈沖在光纖上發(fā)生散射的位置L的計算公式為：

通過計算激光脈沖在光纖上發(fā)生散射的位置L，就可以確定散射測試點的在測試光纜的空間位置，進而實現(xiàn)空間定位功能。

2 軟件提高空間分辨率的方法

2.1 空間分辨率

根據(jù)圖3所示的原理，如果檢測器按照一個固定的時鐘周期(tc)持續(xù)不斷的進行采樣檢測，就會得到一組時間間隔的集合SΔt{Δt1、Δt2、Δt3…Δtn}，進而可以計算出光纖沿途各個測試點距離出發(fā)點的距離集合SL{L1、L2、L3…Ln}，如圖4所示。SL集合就是各個采樣測試點在空間上對應起始點的距離位置的集合，也就是采樣測試點在光纜上空間分布位置的集合。

圖7：采樣點疊加示意圖

SL集合中，設相臨兩個元素之間的距離差值為lc，則lc的計算公式為：

公式中tc為檢測器的采樣檢測時鐘周期，v是激光脈沖在光纖中的傳播速度。當tc為常數(shù)時，lc也為一個固定的距離值，這個固定的距離值就是采樣測試點在空間上的距離間隔，也就是系統(tǒng)采樣的空間分辨率。

由于激光脈沖在通信光纜中的傳播速度約為200000Km/s[7]，如果采樣時鐘的頻率為100MHz，則tc等于10ns，空間分辨率lc約為1米；如果采用采樣時鐘的頻率為250MHz，則tc等于4ns，空間分辨率lc約為0.4米。目前行業(yè)中系統(tǒng)的空間分辨率大多在0.4米到1米之間。

在高頻電路設計中，提高系統(tǒng)時鐘的頻率，需要系統(tǒng)中相關的電路元器件的性能也同步提高才能滿足設計要求。受制于電子元器件的本身的時延性能、FPGA的處理速度等因素的影響，提高系統(tǒng)的采樣時鐘頻率，會帶來技術難度及設備物理成本的急劇上升。通過提高系統(tǒng)采樣時鐘來提高系統(tǒng)空間分辨率，帶來系統(tǒng)成本的急劇增加。

2.2 軟件擬合提高空間分辨率的方法

在分布式光纖測溫系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA采集到的數(shù)據(jù)信息，需要通過工控機計算出最終的溫度信息；所以工控機單位時間內的數(shù)據(jù)處理能力，也決定了單位時間內系統(tǒng)允許的最大采樣的點數(shù)量。隨著計算機CPU性能提高及內存芯片容量與讀寫速度的提高，系統(tǒng)運算處理性能已經(jīng)不再是限制空間分辨率的因素，空間分辨率提升的限制主要來自系統(tǒng)采樣時鐘頻率的限制。在不改變系統(tǒng)電路的硬件性能的前提下，充分利用計算機的處理能力來提高系統(tǒng)的空間分辨率，是一個經(jīng)濟可行的方案。

在數(shù)字電路中，時鐘提升頻率雖然非常困難，但是改變相位比較容易，使用一個簡單的取反邏輯電路就可以實現(xiàn)時鐘相位的反轉，得到2個頻率相等、相位相反的時鐘信號。如圖5所示，時鐘信號C與反相時鐘Cf頻率相同，相位反轉，兩個時鐘的周期都為tc，兩者的上升沿之間相差tc/2的間隔。

如果在常規(guī)的電路中新增一組采樣檢測電路，分別使用C及Cf進行采樣檢測，如圖6所示，就可以得到2組采樣數(shù)據(jù)SC{LC1、LC2、LC3…LCn}及SCf{LCf1、LCf2、LCf3…LCfn}。由前文公式（2）可知，兩組采樣點的空間分辨率相等，都為lc。

由于時鐘C與其反相時鐘Cf兩者的上升沿之間相差tc/2的時間間隔，SC與SCf的采樣時刻在時域上相差tc/2，由前文公式（2）可知，SC與SCf的采樣的在空域上相差lc/2，如圖7所示。

圖8：測試連接圖

圖9：A設備0.8米加熱結果

圖10：B設備0.8米加熱結果

工控機讀取到采樣集合SC與SCf后，對兩個數(shù)據(jù)序列進行交替穿插疊加，就會得到一個新的采樣集合SC&Cf{LC1、LCf1、LC2、LCf2、LC3、LCf3…LCn、LCfn}。由圖7我們可以知道，SC&Cf元素的空間間隔為lc/2，即SC&Cf采樣的空間分辨率為lc/2，相比SC序列的空間分辨率提升了1倍。利用系統(tǒng)CPU的計算能力，通過軟件擬合的方法，在不改變系統(tǒng)采樣電路性能的前提下，實現(xiàn)了空間分辨率的提升。

3 驗證測試

為了驗證本方法的改進效果，采用一臺常規(guī)的測溫設備A及一臺按照本方法進行了修改的設備B進行對比測試。分辨率測試的基礎條件：A、B設備的采樣時鐘都為250MHz（對應的采樣空間分辨率為0.4米）。測試配置：5KM測試光纖、可調溫恒溫箱，環(huán)境溫度21℃。

測試連接如圖8所示，測試設備連接測試光纖，恒溫箱設定測試溫度，測試光纖的測試部位放在恒溫箱中。

測試方法：使用A、B兩臺設備分別連接測試光纖測試，在長度為4850米的位置使用恒溫箱（溫度設置為60℃）加熱光纖測試，分別選取0.8米、1.6米長度的光纖進行加熱測試，對比A、B設備的測試結果。測試結果如表1所示。

表1：對比測試結果

由表1可以看出，加熱長度為1.6米（遠大于設備空間分辨率）時，A、B兩設備的測試結果差別不大。加熱長度為0.8米（接近A設備的空間分辨率）時，A設備測試結果偏差非常大，此時B設備測試結果遠優(yōu)于A設備結果。如圖9及圖10所示。

A、B設備的對比測試結果，驗證了通過軟件交替擬合數(shù)據(jù)的方法，可以有效的提高系統(tǒng)對空間上距離較短溫度事件的識別能力。

4 結束語

光纖具有抗電磁干擾能力強、傳輸損耗小、傳輸容量大等特點，已經(jīng)在電力通信系統(tǒng)中廣泛應用。針對分布式光纖傳感測溫系統(tǒng)的空間分辨率這個關鍵指標，本文提出一種通過軟件交替穿插擬合的方法，可以在不改變系統(tǒng)運行頻率的條件下，有效的提高系統(tǒng)的空間分辨率，進而提高系統(tǒng)測溫測量的準確度。隨著計算機計算能力的提升，下一步還可以繼續(xù)研究，使用多個不同相位的時鐘采樣，多階數(shù)據(jù)擬合，進一步提高系統(tǒng)的空間分辨能力。