葛鴻翔，單鴻濤，馬 強(qiáng)，張艷杰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

基于拉曼散射的分布式光纖直流電纜測溫系統(tǒng)

葛鴻翔，單鴻濤，馬 強(qiáng)，張艷杰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

直流電纜通常通過絕緣電阻檢測來判斷線纜破損情況，一般通過定期巡查以及針對故障進(jìn)行排查，效率低下。文中研制基于拉曼散射的光纖直流電纜測溫系統(tǒng)，圍繞上海地鐵直流供電電纜物理特性及其環(huán)境特點(diǎn)展開研究，通過電纜故障的搜集分析，找到故障線纜及其溫度變化特性；同時，通過長期監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)線纜溫度異常檢測、故障定位，預(yù)警和管理。并通過實(shí)際測量得到所設(shè)計系統(tǒng)可測量的溫度范圍為3 ～10 km，溫度分辨率為1℃，時間分辨率為5 s，空間分辨率為1 m。

拉曼散射；光纖；測溫系統(tǒng)；故障定位

隨著上海軌道交通的發(fā)展，地鐵運(yùn)行里程不斷延長，越來越多的低壓直流電纜投入使用。直流饋電電纜用于連接高速直流開關(guān)和接觸網(wǎng)，但由于其應(yīng)用環(huán)境差，電纜較容易發(fā)生絕緣老化、受損等故障[1-2]。一旦發(fā)生問題，輕則跳閘、重則發(fā)生安全事故，給供電安全造成重大影響。因此，實(shí)時、可靠的直流電纜溫度診斷和監(jiān)測技術(shù)，在保障軌道交通安全運(yùn)行方面具有重要作用。

本文基于拉曼散射原理，提出了基于斯托克斯光與反斯托克斯光的實(shí)時測溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對地鐵直流電纜在運(yùn)行的實(shí)時溫度在線監(jiān)測[1]。

1 分布式光纖測溫原理

由于光子與光纖介質(zhì)的互相影響，當(dāng)光進(jìn)入到光纖時會引起光線方向的改變，這個過程叫做光的散射。當(dāng)光子與光纖中的二氧化硅分子互相作用時，就會發(fā)生有能量交換和沒有能量交換兩種情況。當(dāng)光子與光纖介質(zhì)發(fā)生彈性碰撞卻沒有發(fā)生能量之間的交換，這個過程就被稱為瑞利(Rayleigh)散射；當(dāng)光子與光纖介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞并且有能量交換，這個過程就被稱為布里淵(Brillouin)散射、拉曼(Raman)散射，利用這3種散射光可以實(shí)現(xiàn)光纖的分布式測量。

因此，要實(shí)現(xiàn)分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)的功能，即在外界不可知的物理量對測量電纜的影響下，保證傳輸光對測量電纜進(jìn)行調(diào)制，將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，利用響應(yīng)時間與定位位置關(guān)系，得到定位被測量位置信息，最終得到空間分布，因此要得到散射位置信息是基于光時域反射(OTDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的[3]。

1.1 拉曼散射的溫度解調(diào)方式

由于拉曼散射屬于非彈性散射，散射光頻率發(fā)生了改變，證明光子的能級發(fā)生了躍遷。入射光hv0激發(fā)處于低能級E1的分子時，分子就會向上躍遷到一個相對不穩(wěn)定的虛能級Ea，再向下回到一個相對穩(wěn)定的高能級E2，此時發(fā)出的光子為hvs，這個過程發(fā)出的光為斯托克斯光(Stokes)。拉曼散射斯托克斯光頻率了表示為

(1)

當(dāng)入射光子hv0激發(fā)處于高能級E2的分子，分子就會向上躍遷到一個相對不穩(wěn)定的虛能級Eb，然后再向下回到一個穩(wěn)定的低能級E1并且發(fā)出散射光子hvas，這個過程發(fā)出的光為反斯托克斯光(Anti -Stokes) 。拉曼散射反斯托克斯光頻率可表示為

(2)

分布式測溫的原理就是通過檢測入射時間和反射時間的時間差，根據(jù)光在光纖中的傳播速度來計算出入射光與反射光之間的距離。光纖的材料決定了這兩種光在光纖中的波長偏移量，斯托克斯光和反斯托克斯光強(qiáng)度與溫度有關(guān)，關(guān)系如下

式中，λs為斯托克斯波長；λas為反斯托克斯波長；T為絕對溫度；c為真空中的光速；h為普朗克常量；k為波爾茨曼常量。

Ias/Is的比值經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換之后可以測得，通過這些參數(shù)就可求出溫度T。

在分布式光纖拉曼散射測溫系統(tǒng)中根據(jù)拉曼散射光對溫度的敏感性來進(jìn)行測驗(yàn)。假設(shè)設(shè)置一臺激光器以一定的頻率向光纖芯折射率不均勻的光纖中發(fā)射脈沖光，這就會產(chǎn)生不同形式的散射光，在多種散射光中，取其中的后向拉曼散射光為所需要的極端量，可以借助光電探測器測出光功率的值，從而推導(dǎo)出光功率與溫度的關(guān)系。在實(shí)際系統(tǒng)中，光纖彎曲彎折、光脈沖源的功率不同等情況都會影響到反斯托克斯光強(qiáng)度。為了有效的提高測量準(zhǔn)確性，把斯托克斯光作為系統(tǒng)的參考通道，用反斯托克斯光與斯托克斯光強(qiáng)度的散射比作為溫度因子[3]。其中Anti-Stokes與Stokes散射比為

(3)

其中，絕對溫度T可以表示為

(4)

一個已知定標(biāo)溫度T0，可表示為

(5)

1.2 拉曼散射的溫度定標(biāo)

設(shè)定好溫度定標(biāo)后，將光纖上測得的各區(qū)域的斯托克斯光強(qiáng)度以及反斯托克斯光強(qiáng)度比(溫度因子)與定標(biāo)溫度處的兩種光強(qiáng)比進(jìn)行比較，即可求出光纖上各點(diǎn)的溫度值。

拉曼散射光強(qiáng)度分為3個區(qū)域：前端反射區(qū)、測溫區(qū)和尾端反射區(qū)。這3個區(qū)域中，測溫區(qū)的信號較為穩(wěn)定，并且能真實(shí)反映光纖上的溫度情況。前端反射區(qū)和尾端反射區(qū)信號相對不穩(wěn)定，故定標(biāo)區(qū)域選在測溫區(qū)內(nèi)。分布式光纖測溫系統(tǒng)的初始點(diǎn)從定標(biāo)區(qū)開始，本系統(tǒng)選擇光纖200 m處。為了獲取定標(biāo)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)溫度，將光纖前150 m處放入恒溫槽內(nèi)，該方法是定標(biāo)區(qū)溫度恒定，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都提高。

OTDR(Optical Time Domain Reflection)技術(shù)是光時域反射技術(shù)的簡稱，其不僅可以對接頭損耗進(jìn)行檢測，還可以對光纖中的故障點(diǎn)進(jìn)行無損耗檢測定位[5]。激光器發(fā)出的脈沖光經(jīng)耦合器進(jìn)入光纖中，其中大部分脈沖會一直傳輸?shù)焦饫w的尾端，但是因?yàn)楣饫w介質(zhì)的不同，所以其折射率也會有差別，當(dāng)脈沖光遇到折射率不同的介質(zhì)時，脈沖光便會發(fā)生散射，其中有一部分會向后散射并沿著光纖傳輸?shù)桨l(fā)射端。以光纖中各點(diǎn)的背向散射光強(qiáng)度與時間的關(guān)系為依據(jù)進(jìn)行實(shí)時定位，如圖1所示。

圖1 光時域反射原理圖

圖1中d是光纖發(fā)生散射的位置；t是光纖的折射率；n是光在真空中的速率；c是時間間隔，記錄光脈沖從進(jìn)入光纖到其散射關(guān)返回原點(diǎn)所經(jīng)歷的時間；τ是光源的脈沖寬度。

由激光發(fā)生器發(fā)射的光脈沖射入光纖，發(fā)生散射點(diǎn)的距離可由下式得

(6)

從上式可以看出，只要測量出時間t，就能算出散射點(diǎn)的位置，再根據(jù)拉曼散射的溫度解調(diào)方式，可算出散射點(diǎn)的溫度。對光纖上多個散射點(diǎn)進(jìn)行溫度測量和定位，就能分布式的展現(xiàn)光纖上的溫度場情況。為了防止光纖中反射光的混淆，系統(tǒng)必須接受完一個脈沖的拉曼散射光之后才能發(fā)射另一個脈沖[6]。

2 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)性能指標(biāo)

評估光纖溫度傳感系統(tǒng)的性能的指標(biāo)有很多，其中關(guān)鍵的是：系統(tǒng)溫度分辨率、系統(tǒng)的空間分辨率、系統(tǒng)的時間分辨率。在系統(tǒng)設(shè)計時，3項(xiàng)指標(biāo)是相互影響的，并不能只突出某一項(xiàng)指標(biāo)而應(yīng)該綜合考慮，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。

2.1 溫度分辨率

溫度分辨率從是光纖溫度測溫系統(tǒng)的重要指標(biāo)，描述了系統(tǒng)測量溫度的準(zhǔn)確度。分析溫度分辨率有助于了解分布式管線溫度傳感測溫系統(tǒng)的精度。Anti-Stokes與Stokes散射比為

(7)

將式兩邊微分，則有

(8)

兩邊同時除以R(T)，可得

(9)

由于Stokes散射光對溫度不靈敏，通常認(rèn)為dIas≈0，將dIas視為噪聲，則有

(10)

其中，SNRas為Anti-Stokes散射光檢測通道的信噪比。

將Anti-Stokes與Stokes散射比對溫度T微分，然后兩邊等式除以R(T)得

(11)

由以上兩式可得溫度分辨率dT為

(12)

由上式可知系統(tǒng)溫度分辨率與反斯托克斯散射光檢測通道的信噪比SNRas成反比，為使光纖測溫系統(tǒng)精度更高，可通過提高信噪比SNRas從而減小系統(tǒng)溫度分辨率dT[7-10]。

2.2 空間分辨率

光纖測溫系統(tǒng)是以點(diǎn)的形式測量光纖上分布的信息，而每個點(diǎn)代表光纖上的范圍，也就是空間分辨率。假設(shè)一條3 km的光纖上測量3 000個點(diǎn)的溫度，那么系統(tǒng)的空間分辨率就是3 km/3 000=1 m。在保證放大電路寬度足夠大，信號不失真的情況下，空間分辨率主要由以下因素決定：

(1)光源脈沖寬度。由于激光器發(fā)出的光脈沖有一定的脈沖寬度Δt，光檢測器在某時刻檢測到光的并不是光纖上某一點(diǎn)L的后向拉曼散射光能量。由于L～L+Δt/2之間光纖的后向拉曼散射光達(dá)到光檢測器時是疊加的，故檢測出的能量實(shí)際是L～L+Δt/2這段光纖上后向拉曼散射光能量的總和。

假設(shè)光脈沖為矩形，忽略傳輸過程中光纖的色散的等因素，則受脈沖寬度影響的空間分布率R1

(13)

式中，v=2×108m/s為光脈沖在光纖中的傳輸速度，Δτ為脈沖寬度。

(2)光檢測器響應(yīng)時間。光檢測器存在一定的響應(yīng)時間，并不是瞬時打開的，受光檢測器的響應(yīng)時間影響的空間分辨率R2

(14)

式中，v=2×108m/s為光脈沖在光纖中的傳輸速度，Δτ為光檢測器響應(yīng)時間；

(3)A/D轉(zhuǎn)換時間。在采集數(shù)據(jù)時，由于A/D裝換過程需要一段時間，受A/D轉(zhuǎn)換時間影響的空間分辨率R3為

(15)

式中，v=2×108m/s為光脈沖在光纖中的傳輸速度，Δδ為A/D轉(zhuǎn)換時間[11]。

2.3 時間分辨率

在一定的空間分辨率以及溫度分辨率下，光纖測溫系統(tǒng)測量溫度的最短時間就是時間分辨率，其中包括后向拉曼散射信號的獲取時間、信號處理時間等。時間分辨率體現(xiàn)了系統(tǒng)的測量時間，測量時間越小更能體現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時性。

設(shè)激光的射出頻率為f，采集次數(shù)為N，那么時間分辨率就是N/f?？梢酝ㄟ^提高激光射出頻率來減小時間分辨率，如果射出頻率太高，可能會對激光器造成損害[12]。另外，由于多次采樣后散射光會出現(xiàn)混亂，所以相鄰兩次脈沖信號的采集時間要>2L/v。其中，L是光纖的總長度；v是光脈沖的傳輸速度[13]。

設(shè)計的系統(tǒng)性能指標(biāo)如下：時間分辨率5 s；溫度分辨率1 ℃；溫度傳感距離≥3 km；空間分辨率1 m。

3 拉曼散射測溫系統(tǒng)的工作過程

根據(jù)上述原理，設(shè)計光纖測溫系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 基于拉曼散射的光纖測溫系統(tǒng)

首先，將傳感光纖放置在待測溫度場中，由DSP處理器發(fā)出控制脈沖。高速數(shù)據(jù)采集卡獲取同步的時鐘脈沖后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，光脈沖經(jīng)過波分復(fù)用器對溫度進(jìn)行標(biāo)定，波分復(fù)用器接收到后向散射光后通過其中的干涉濾光片過濾出反斯托克斯光與斯托克斯光。接著，光電檢測器分別對Anti-Stokes與Stokes光中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，圖3和圖4分別為光電轉(zhuǎn)換前和光電轉(zhuǎn)換后的信號圖。最后，主放大器將信號放大到高速數(shù)據(jù)采集卡能夠識別的范圍內(nèi)。放大過后，高速數(shù)據(jù)采集卡AD9228采集數(shù)據(jù)，同時TMS320F2812控制串口傳輸給計算機(jī)[14-15]。

圖3 光電轉(zhuǎn)換前電壓信號

圖4 光電轉(zhuǎn)換后電壓信號

為驗(yàn)證本文所述光纖測溫系統(tǒng)的拉曼光時域反射和溫度空間分布特征，利用3 km長的光纖，選擇200～2 500 m短光纖作為參考光纖，所處的參考溫度室溫T0=25 ℃，光纖在300 m和1 500 m處分別加熱。光纖在300 m和1 500 m的溫度為50 ℃，297 m和1 498 m的溫度為43 ℃。根據(jù)式(12)可得溫度的精度誤差在1 ℃。圖5為本文設(shè)計的光纖測溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖，所測得的相應(yīng)溫度分布曲線如圖6所示，在300 m和1 500 m兩點(diǎn)處出現(xiàn)明顯的升溫，與設(shè)置的熱源位置基本符合。

圖5 3 km長測溫光纖實(shí)驗(yàn)圖

圖6 實(shí)驗(yàn)光纖的溫度分布曲線

最終通過實(shí)際測量可得本文所設(shè)計系統(tǒng)可測量的溫度范圍為3～10 km，溫度分辨率 ，時間分辨率為5 s，空間分辨率1 m。該系統(tǒng)可檢測到范圍內(nèi)的電纜局部升溫，并對局部升溫等潛藏故障做判斷，告知地鐵運(yùn)營公司及時檢修避，以免造成更大的損失，同時該系統(tǒng)還可對故障點(diǎn)做出準(zhǔn)確判斷，給維修帶來便利。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)拉曼散射原理，分析溫度對反斯托克斯光的調(diào)制，且利用斯托克斯光作為參考光減小系統(tǒng)噪聲；依據(jù)光時域反射基本理論給出了距離定位解析表達(dá)式。最終設(shè)計的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3～10 km長度范圍的溫度測量，溫度分辨率1 ℃，空間分辨率為1 m，時間分辨率為5 s的光纖溫度傳感器系統(tǒng)。通過搭建3 km長的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置熱源，驗(yàn)證了本文所設(shè)計的測溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光纖上各點(diǎn)溫度的實(shí)施檢測。本系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)適合于地鐵電纜的實(shí)時溫度檢測，可對地鐵線纜溫度變化預(yù)警。同時，也可對故障點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

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Distributed Optical Fiber DC Cable Temperature Measurement System Based on Raman Scattering

GE Hongxiang，SHAN Hongtao，MA Qiang，ZHANG Yanjie

(School of Electronic and Electrical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

DC cables are usually used to determine the damage of the cable through the insulation resistance test. In general, through regular inspections and troubleshooting, but the efficiency is low. The development of temperature measurement system based on Raman scattering optical fiber cable, focuses on the research of Shanghai subway DC power supply cable and the physical characteristics of environmental characteristics, through the collection and analysis of the cable fault, find fault cable and its temperature characteristics. At the same time, achieve cable temperature anomaly detection, fault location, early warning and management through long-term monitoring. And finally through the actual measurement, the temperature range of the system is from 3 km to 10 km. The resolution of temperature measurement is 1℃,time resolution is 5 s, spatial resolution is 1 m.

Raman scattering;optical fiber;temperature measurement system;fault location

2017- 02- 18

上海市大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練基金(cs1502013)

葛鴻翔(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電纜測溫等。單鴻濤(1971-)，女，副教授。研究方向：電纜測溫等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.027

TP212.9

A

1007-7820(2017)12-102-05