礦用光纖測溫系統設計及應用技術研究

張寶鵬 丁江明 賀清淵 申 會

（1.陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林 719300；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

隨著半導體激光器及光電探測器產品飛速發展，分布式光纖測溫技術成熟度越來越高，已經具備了實現長期穩定溫度檢測的能力。通過大量的應用案例可以看出，分布式光纖測溫技術在復雜環境下具備檢測能力，為其在煤礦安全領域的應用奠定了良好基礎。中煤科工集團重慶研究院有限公司在膠帶輸送機火災監控方面進行了研究[1]。山東省科學院激光所、安徽理工大學在采空區火災監控方面應用進行了研究[2]。中國礦大、遼寧工程技術大學在礦用電纜火災監測方面進行了研究，牛靜[2]采用仿真手段對礦用光纖復合電纜的溫度場進行了系統研究。大量的研究成果表明，分布式光纖測溫技術在溫度監測煤礦安全領域有良好的應用前景。

該文設計了基于拉曼散射原理的光纖測溫系統，重點闡述了系統多項軟、硬件設計方法，研究了礦用光纖測溫系統涉及的多項應用技術，相關研究成果將為光纖測溫技術在煤礦應用的系統設計提供指導。

1 光纖測溫基本原理

拉曼于1928 年3 月提出了Roman 散射現象，這一發現為光纖測溫技術奠定了理論基礎[3]。光纖中的拉曼散射由光纖中二氧化硅分子產生。根據拉曼散射原理，當外部射入的與躍遷能級匹配的光子作用在二氧化硅分子上時，分子將發生能級躍遷，大部分的二氧化硅分子處于基態，吸收光子能量躍遷至激發態，導致出射光子波長變長的稱為斯托克斯散射光，斯托克斯光對溫度不敏感，可以作為參考通道使用。少量的二氧化硅分子處于激發態，釋放部分能量至光子，導致出射光子波長變短稱為反斯托克斯散射光，反斯托克斯光對溫度敏感，可以作為測量通道對光纖溫度進行實時檢測。

根據拉曼散射原理可知，光纖中二氧化硅分子的溫度的F（T）如公式（1）所示。

式中：Ks、Kas為斯托克斯光、反斯托克斯光的散射系數，與光纖孔徑有統計學意義；vs、vas為斯托克斯光、反斯托克斯光的散射光頻率，與躍遷能級有統計學意義；?γ為拉曼頻移波數；h為普朗克常數；K為玻爾茲曼常數；T為待測位置處的溫度；αs、αas為斯托克斯光、反斯托克斯光的光纖傳輸損耗系數；L為溫度檢測點與光源的距離。

光時域反射（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）的測量定位技術最先由Barnoski 等人發現并于20 世紀70年代得到應用。溫度檢測點的距離信息L通過光時域反射原理計算，光在光纖中的傳輸如公式（2）所示。

式中：C為真空光速；n為光纖的折射率；t為光傳輸時間。

由于光電接收單元與光源處于光纖同側，接收后向散射光信號，因此光在光纖中的傳輸距離是溫度檢測點與光源距離的2 倍。

2 光纖測溫系統的組成和硬件模塊參數設計

該文設計的基于拉曼散射的光纖測溫系統主要硬件功能模塊包括激光器、波分復用器、光電轉換器以及信號采集器等，系統基本構成如圖1 所示。

圖1 光纖測溫系統構成示意圖

該文設計的系統使用納秒脈沖激光器作為激光光源，以產生激光脈沖，從而激發光纖拉曼散射現象。中心工作波長、脈沖寬度以及脈沖峰值功率是納秒脈沖激光器的關鍵參數。

從公式（1）可以看出，溫度分辨率與反斯托克斯光和斯托克斯光頻率比值的四次方成正比，當中心工作波長增加時，溫度分辨率隨之提高。該文設計的系統中選擇波長較長的1 550 nm波段作為納秒脈沖激光器的中心工作波長，有助于提高系統溫度分辨率、降低光纖損耗以及提高系統的測溫性能。

空間分辨率描述了在光纖中實現準確溫度測量需要的最短光纖長度。脈沖寬度越窄，同一時間點返回光電探測器的信號光纖段越短，空間分辨率越高，煤礦火災監控對光纖測溫空間分辨率需求較高，空間分辨率對脈沖寬度δ的要求如公式（3）所示。

式中：δ為脈沖寬度；n為激光脈沖寬度；c為光纖中的光速。

該文設計的系統的脈沖寬度為4 ns，對應的空間分辨率極限為0.6 m。

脈沖峰值功率影響拉曼散射斯托克斯光及反斯托克斯光的功率，提高脈沖峰值功率有助于提高反斯托克斯光信噪比，從而提高溫度監測的準確性。該文設計的系統中選擇峰值功率為30 W。

WDM 波分復用器在系統中主要實現瑞利散射光、斯托克斯光及反斯托克斯光的分離。該文設計的系統選擇1 550 nm 中心工作波長，其對應的光纖中的斯托克斯光及反斯托克斯光的波長分辨為1 660 nm 和1 451 nm，因此采用的WDM 工作波長分別為1 451 nm、1 550 nm 和1 660 nm，且插入損耗小于0.5 dB。

APD 雪崩光電二極管是微弱光電信號轉換的核心器件，與雪崩效應有統計學意義的參數主要有偏置電壓和放大倍數，選擇較低的偏置電壓下具有較大放大倍數的APD也是提高光電檢測靈敏度的有效手段。該文設計的系統使用的APD 光電轉換效率達（1.25×107） V/W。

高速數據采集卡的作用是采集經過APD 放大后的電信號，系統的空間采樣間隔應小于或等于空間分辨率，這樣光纜任意位置的溫度變化都將被系統監測。該文設計的系統使用高速數據采集卡，采樣率為500 MHz。

3 溫度解析方法

在該文設計的系統中，F（T）由拉曼后向散射的光強值I（T）表征，其與溫度T的定量關系采用參比的方法獲得，具體的方法如下：1） 在光纖測溫系統中設置已知溫度的檢測點，其溫度設為T0。2） 已知溫度T0光信號檢測點的拉曼后向散射光強I（T0）。3） 光纖中待測位置處的溫度為T，其拉曼后向散射光強為I（T）。4） 光纖中待測位置處的溫度T如公式（4）所示。

式中：K為玻爾茲曼常數；?γ為拉曼頻移波數；h為普朗克常數。

在常溫狀態下，使用該文設計的系統對實驗室裸纖進行溫度測試，測試數據如圖2 所示。數據表明，該系統常溫下的溫度測量噪聲小于±1 ℃。

圖2 常溫下溫度噪聲的測試

4 溫度標定方法

該文設計的系統將對現場測溫光纜的溫度進行整體標定并轉換為對特定測點的參數標定，再通過插值獲得區間的標定參數，上述標定方法具體實施過程包括以下4 個步驟：1） 在光纜起始端及末端各選定一段標定光纜，分別設為S1和S2，標定光纜的長度應大于空間分辨率的2 倍。2） 在常溫情況下，使用溫度計對2 段標定光纜進行現場溫度測量，測量溫度分別設為X1和X2，讀取光纖測溫系統溫度讀數，讀取溫度分別設為X′1和X′2。3） 在高溫情況下（通常為報警點溫度），使用溫度計對2 段標定光纜進行現場溫度測量，測量溫度分別設為X3和X4，讀取光纖測溫系統溫度讀數，讀取溫度分別設為X′3和X′4。4） 分別計算起始端及末端標定光纜的零點，分別設為a1和a2（求解方程如公式（5）所示），線性參數分別設為b1和b2（求解方程如公式（6）所示）。5） 以始端及末端標定光纜的零點及線性參數為已知點，對測溫光纜其他測點進行線性差值，獲得整段光纜的標定參數（求解方程如公式（7）所示）。

式中：an為任意點的零點；Sn為任意點的距離；bn為任意點的線性參數。

該文設計的系統連接實驗室裸纖，測試光纖在起始端34 m 和末端9 451 m 處進行溫度標定，再選擇測試光纜中部2 041 m 和6566 m 進行溫度測試（如圖3 所示），數據表明該系統的溫度測量誤差小于±2 ℃。

圖3 80 ℃條件下溫度誤差的測試

5 溫度預警算法

溫度預警的目的是在溫度到達報警閾值之前感知現場溫度異常事件。該文設計的系統綜合應用上述3 種報警方式，以一定的權重進行加權處理，當多種溫度特征同時出現時，實現危險程度的累加，在單一報警閾值未觸發的情況下，提前發出預警信息。

設絕對溫度報警的閾值為W1，相對溫度報警的閾值為W2，溫度變化報警的閾值為W3。

當前溫度對應的3 種報警方式的解析值分別為M1、M2和M3，3 種報警方式的權重分別為c1、c2和c3，那么預警解析值M如公式（8）所示。

當預警解析值大于100%時，達到預警條件。

6 結語

該文從光纖測溫基本原理入手，闡述了主要硬件功能模塊的設計原則，研究了溫度解析方法、測溫光纜的溫度標定方法以及溫度預警方法等內容，有助于提高系統信噪比和現場使用的數據可靠性，推動光纖測溫技術煤礦應用的發展。

隨著煤礦自動化程度提高，智慧礦山、無人礦山建設工作不斷推進，膠帶運輸機等機電火災事故、采空區火災以及高壓電纜火災監測亟需全面覆蓋檢測準確的技術手段。利用光纖測溫技術對火災事故進行監測預警，施工簡便，檢測精度高，長期運行可靠性高，是較理想的事故監控數據來源。