3km分布式多模光纖溫度報警系統(tǒng)設(shè)計

胡蔣明，張曉青，賈豫東（北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點實驗室，北京　100101）

3km分布式多模光纖溫度報警系統(tǒng)設(shè)計

胡蔣明，張曉青，賈豫東
（北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點實驗室，北京100101）

0　引言

分布式光纖傳感技術(shù)是利用背向散射光攜帶的物理信號對光纖沿線進行實時監(jiān)測的技術(shù)，利用該技術(shù)設(shè)計的分布式光纖溫度傳感器可實現(xiàn)沿光纖連續(xù)分布溫度場的分布式測量[1]，并且具有抗電磁干擾、誤差小、可靠性高等特點，廣泛應(yīng)用于電力、煤炭、公路、隧道等領(lǐng)域的溫度監(jiān)測[2]。

傳統(tǒng)的拉曼測試系統(tǒng)開發(fā)方式不僅周期長，而且需要豐富的軟件編程經(jīng)驗[3]。虛擬儀器最早由美國國家儀器公司提出[4]，它的圖形化編程方式及強大的數(shù)據(jù)處理能力為復(fù)雜的測試環(huán)境及簡單易行的開發(fā)方式提供了方便，并且其還具有開發(fā)周期短、用戶界面完善友好等特點。基于LabVIEW的分布式光纖溫度報警系統(tǒng)，能夠?qū)κ录c進行報警和定位，使用者可以很方便地通過LabVIEW操作界面對測量過程及測量數(shù)據(jù)進行設(shè)置、管理和顯示。

1　系統(tǒng)測溫原理及設(shè)計

（1）系統(tǒng)測溫原理

激光器發(fā)出的脈沖光經(jīng)過波分復(fù)用器（WDM，Wavelength Division Multiplexing）耦合進多模光纖，在傳播的過程中會產(chǎn)生背向散射光。背向散射光經(jīng)過WDM后濾出斯托克斯和反斯托克斯這兩束光，而后被光電雪崩二極管（APD，Avalanche Photo Diode）探測并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，雙通道數(shù)據(jù)采集卡采集到電壓信號后將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳遞給計算機進行處理，然后由LabVIEW溫度解調(diào)軟件進一步解調(diào)出光纖沿線的溫度信息。考慮距離入射端為L處的散射光強度，

斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光的光功率可分別表示為[3]：

以反斯托克斯光為感光曲線，斯托克斯光為參考信道，用斯托克斯光去解調(diào)反斯托克斯光曲線。兩通道之間的光功率之比為：

溫度為T0時，光纖沿線光功率之比為：

利用T0來解調(diào)任意溫度下的測量值T，則：

光時域反射 （OTDR，Optical Time Domain Reflec鄄tometer）技術(shù)用來確定光纖上的空間位置信息[5]。如果從光脈沖進入光纖時開始計時，設(shè)光纖上某點產(chǎn)生的背向散射返回到探測器所需的時間為t，則t與該散射點到入射端的距離L滿足以下關(guān)系：

2L=vt（6）

v為光在光纖中的傳播速度，由（6）式可得出數(shù)據(jù)采集卡采到的信號在光纖上的具體位置。

（2）測量系統(tǒng)設(shè)計

分布式多模光纖溫度報警系統(tǒng)如圖1所示，脈沖光在光纖中傳輸時，與光波前進方向的相反方向會產(chǎn)生背向散射光，背向散射光經(jīng)WDM后濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，APD對其進行光/電轉(zhuǎn)換并放大，最后被雙通道數(shù)據(jù)采集卡采集并輸入到計算機中進行處理及顯示。

2　LabVIEW軟件設(shè)計

LabVIEW程序是文本語言程序的圖形化表達[6]。溫度解調(diào)軟件設(shè)計基于LabVIEW13.0開發(fā)環(huán)境，采用USB9826高速數(shù)據(jù)采集卡完成兩路背向散射信號的采集，程序流程圖如圖2所示。

圖2　程序流程圖

圖1　分布式光纖溫度報警系統(tǒng)

程序中先利用Link函數(shù)建立與USB9826的連接，然后根據(jù)硬件設(shè)備設(shè)置觸發(fā)模式、觸發(fā)長度、觸發(fā)電平、累加平均次數(shù)等參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)累加平均，最大程度濾除信號中的隨機噪聲[7]。由于是高速數(shù)據(jù)采集（數(shù)據(jù)采集卡的采樣率達到100m/s），采集卡讀數(shù)據(jù)的速度慢于采集數(shù)據(jù)的速度，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)存滿板載FIFO后會發(fā)生緩存溢出，此時讀取一個FI鄄FO長度數(shù)據(jù)是正確的，之后讀到的數(shù)據(jù)就會發(fā)生混亂。所以，在2s板載FIFO發(fā)生緩存溢出的時候需要對采集卡重新刷新一次，刷新后采集的數(shù)據(jù)重新從板載FIFO的最前端開始存入，然后循環(huán)對其刷新。

3　實驗結(jié)果及分析

（1）實驗裝置

分布式光纖測溫系統(tǒng)探測到的拉曼信號很微弱，淹沒在了噪聲中，要想得到準(zhǔn)確的溫度值需要對其進行去噪處理。系統(tǒng)的信號處理采用軟硬件相結(jié)合的方法，先用高帶寬信號放大電路進行放大，再利用數(shù)字累加平均算法進行去噪處理，最后由溫度解調(diào)軟件解調(diào)得到光纖上各點的溫度信息。實驗采用了100m/s的數(shù)據(jù)采集卡、脈沖寬度為10ns的脈沖激光器、響應(yīng)時間為10ns的APD，系統(tǒng)的空間分辨率主要取決于這三個參數(shù)，所以本系統(tǒng)的空間分辨率為1m，在累加平均4000次的情況下測量一次所花時間為21s。根據(jù)前面的分析，搭建了整個實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)實物圖如圖3所示。

實驗過程中，將光纖放在室溫18.9℃環(huán)境下，解調(diào)溫度曲線如圖4所示。實驗中采用的光纖長度是3100米，“局部曲線”框圖顯示的是800到1000米溫度區(qū)間的放大波形，由于噪聲的影響，光纖沿線的溫度信息在室溫18.9℃左右波動，誤差在2℃范圍內(nèi)。

然后用二個加熱鋁板分別給光纖的任意兩個位置加熱來模擬火災(zāi)的發(fā)生，一個加熱鋁板的溫度為50℃，另一個加熱鋁板的溫度為60℃，從測量界面上可以發(fā)現(xiàn)光纖上有兩個位置的溫度迅速上升到50℃左右和60℃左右。此時，光纖上14m和2488m位置的溫度超出了設(shè)置的報警上限值，報警燈變成紅色，并在其下面顯示異樣位置的具體信息。“局部曲線”框圖顯示的是2450到2550米溫度區(qū)間的放大波形（即第二個加熱點的放大波形），由于光纖的熱傳導(dǎo)、色散、APD響應(yīng)速度的原因，升溫區(qū)域呈現(xiàn)出高斯曲線的形狀，如圖5所示。

圖3　實驗系統(tǒng)實物圖

為了進一步驗證系統(tǒng)的可行性，在光纖2500m處取出一段10m長的光纖放入恒溫箱中，并且放入一個精度為0.1℃的鉑電阻溫度計進行對比，恒溫箱的溫度設(shè)置為10℃，30℃，50℃，70℃和90℃。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　測溫實驗數(shù)據(jù)

圖4　常溫環(huán)境下的溫度監(jiān)測結(jié)果

圖5　異常情況下的溫度監(jiān)測結(jié)果

表1中，光纖測溫值為光纖解調(diào)溫度的算術(shù)平均值。

（2）結(jié)果分析

從表1可以看出，在累加平均4000次的情況下測溫精度達到±2℃，能夠滿足實際工作環(huán)境對溫度測量的要求。系統(tǒng)存在的誤差主要來源于以下兩個方面：

①系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差由測量裝置、環(huán)境、測量方法及測量人員方面的因素產(chǎn)生[8]，主要由裝置本身決定。從理論分析可知，數(shù)據(jù)采集卡的采樣率越大，激光脈寬越窄，系統(tǒng)定位越準(zhǔn)確；系統(tǒng)的測溫精度和溫度分辨率隨著數(shù)據(jù)采集卡的有效位數(shù)及波分復(fù)用器的隔離度增大而變大。因此，數(shù)據(jù)采集卡的采樣率及其有效位數(shù)、激光脈寬和波分復(fù)用器的隔離度等因素決定了系統(tǒng)誤差。

②測量誤差。它主要由信號放大電路、累加平均次數(shù)引起的。信號放大電路主要是對信號進行放大，但在放大的同時也引入了白噪聲，降低了信噪比，導(dǎo)致溫度精度下降。其次，累加次數(shù)的提高會增加系統(tǒng)的測溫精度，但相應(yīng)的測量時間會加長，降低系統(tǒng)的實時性[5]。最后，測溫精度跟APD和定標(biāo)光纖是否處于恒溫環(huán)境下也有關(guān)系，所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化會引起測溫精度的降低。

4　結(jié)語

分布式光纖溫度報警系統(tǒng)可以實現(xiàn)光纖沿線的溫度測量，為了提高測溫精度，數(shù)據(jù)的計算量也會隨之增大。虛擬儀器的快捷直觀的開發(fā)方式，強大的數(shù)據(jù)處理及人機交互功能為短時間內(nèi)完成系統(tǒng)設(shè)計提供了一個方便的途徑。應(yīng)用NI公司的LabVIEW編程環(huán)境完成了一個以USB9826為基礎(chǔ)的分布式光纖溫度報警系統(tǒng)設(shè)計，實際測量系統(tǒng)實現(xiàn)3km的分布式測量，空間分辨率為1m，在累加平均4000次的情況下測溫精度達到±2℃，完成一次測量時間為21s，滿足了實際工作環(huán)境對溫度測量及監(jiān)控的要求。

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[7]高晉占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[8]費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

Distributed Optical Fiber;Raman Scattering;Optical Time Domain Reflection Technology;Temperature Measurement

Design of 3km Distributed Multimode Fiber Temperature Alarm System

HU Jiang-ming，ZHANG Xiao-qing，JIA Yu-dong
（Key Laboratory of Photoelectric Test Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101）

1007-1423（2016）06-0078-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.06.019

胡蔣明（1989-），男，碩士，研究方向為光纖傳感

2015-12-08

2016-01-10

基于拉曼背向散射和光時域反射技術(shù)設(shè)計分布式多模光纖溫度報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)由測溫主機、測溫多模光纖及LabVIEW溫度解調(diào)軟件構(gòu)成，測溫主機主要包括脈沖激光器、波分復(fù)用器、雪崩光電二極管及雙通道高速數(shù)據(jù)采集卡等器件。最后搭建實驗平臺，模擬隨機多點火災(zāi)報警。試驗數(shù)據(jù)表明，實際測量系統(tǒng)實現(xiàn)3km的分布式測量，空間分辨率為1m，在累加平均4000次的情況下測溫精度達到±2℃，完成一次測量時間21s。系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、可靠性好、可準(zhǔn)確測出光纖沿線溫度及信息量大的特點，適應(yīng)實際分布式測量和監(jiān)控環(huán)境的要求。

分布式光纖；拉曼散射；光時域反射技術(shù)；溫度測量

北京市教育委員會科技計劃面上項目（No.KM201411232005）、青年拔尖人才培育計劃（No.CIT&TCD201404122）

張曉青（1967-），女，博士副教授，研究方向為光纖傳感技術(shù)和光電測量技術(shù)及儀器

Designs the distributed multimode fiber temperature alarm system based on Raman backscattering and optical time domain reflection technology.The system is composed of a temperature measuring machine mainly includes the device such as pulse laser,wavelength di鄄vision multiplexing,avalanche photodiode detector and two-channel high speed data acquisition card,a multimode optical fiber and a LabVIEW temperature demodulation software.The experimental platform is set up to simulate the random multipoint fire alarm.Experi鄄mental data show that the actual measurement system is obtained with distributed measurement of 3km,the spatial resolution of 1m,the temperature measurement accuracy of 2℃in the case of cumulative average 4000 times and takes 21s to complete a measurement.The system has the characteristics of fast response,accurate positioning,good reliability,and can accurately measure the temperature along the fiber.So it adapts to the requirements of the actual distributed measurement and monitoring environment.