西北水电・２０１ １年・增刊 文章编号：１００６－－２６１０（２０１ １）Ｓ１一＿０ｌ３９＿＿０３ １３９ 基于拉曼散射理论的分布式光纤测温系统 叶宗顺，华涛，刘艳平， （国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，南京摘２１０００３） 要：本文阐述了基于背向拉曼散射和ＯＴＤＲ技术的分布式光纤测温系统的基本原理、系统组成、温度解调方法和 实验数据及其分析。分布式光纤测温系统主要由测温主机、感温光纤和温度解调软件组成。它具有成本低廉、灵敏 度高、可靠性好、本质安全、连续分布式测量等特点，实验数据表明该系统测温精度高、定位准确。目前分布式光纤测 温系统已经在各行业得到了非常广泛地应用。 关键词：分布式光纤测温系统；拉曼散射；ＯＴＤＲ；ＤＴＳ 中图分类号：ＴＰ＇２１２ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｉｂｅｒ——ｏｐｔｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ＹＥ Ｚｏｎｇ—ｓｈｕｎ，ＨＵＡ Ｔａｏ，ＬＩＵ Ｙａｎ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｊｕｎ—ｔａｏ （Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ／Ｎａｎｊｉｎｇ Ｎａｌｉ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄａｔａ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｉ— ｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ（ＤＴＳ）ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ＯＴＤＲ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ＤＴＳ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｏｐｔｉｃ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｔ ｉｓ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ，ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｓａｆｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃ ｆｉｂｅｒ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄａｔａ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｈｉ【ｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｏｓｉ— ｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｆｉｅｌｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍ；Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＯＴＤＲ；ＤＴＳ ０ 引 言 目前，在很多场合下，温度已成为非常关键的因 素，许多物理特性的变化都直接反映在温度的变化 上，因此对温度的监测意义重大。随着光纤测温应 用技术的发展，使其成为目前世界上最先进、最有效 的连续分布式温度监测系统。分布式光纤温度监测 水利工程。如，大坝、堤坝（岸）场合的渗漏监测；大 坝混凝土固化温度的监控和大坝面板的长期温度监 控。⑤港口动力装卸设备。如，港口皮带长廊、推 车机、定位车、翻车机动力装卸设备的温度监测及火 灾预警。 １ 分布式光纤测温系统的原理 １．１测温原理 系统已经应用在很多领域，主要有：①空间场所。 如，地铁、隧道、桥梁、地下车库、危险品仓库、粮仓等 分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间 空间的温度监测及火灾预警。②石油化工领域。 如，输油、输气管道、化工企业的流体输送管道的渗 漏监测和大型油、气密封贮罐的温度和渗漏监测。 ③电力装置。如，高压输、配电电缆，动力电缆、高 温度场分布的光纤传感系统，它利用大功率脉冲光 在光纤中传输时，由于光纤的折射率随机变化以及 纤芯的微观不均衡等影响，会产生拉曼散射的现象， 根据对背向拉曼散射光信号的测量和时域分析，来 进行温度的监测和定位。 当具有一定能量的泵浦脉冲光通过光纤时，光 纤中的光学光子和介质分子发生非弹性碰撞，产生 拉曼散射。拉曼散射产生２束不同波长的散射光， 波长大于入射光波长的为Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光，波长 压变电柜等电力设施的温度监测及火灾预警。④ 收稿日期：２０１１－０８—２２ 作者简介：叶宗顺（１９７４一），男，硕士研究生，高级工程师，主要 从事大坝安全监测工作． １４０ 叶宗顺，华涛，刘艳平，．基于拉曼散射理论的分布式光纤测温系统 小于入射光波长的为Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光 ，见 图１。 越 瓢 波长 图１拉曼散射光谱图 当能量为 的激光脉冲注入到光纤中时，在距 离注入点长度 处发生拉曼散射，光纤入射端所探 测到的Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射 光功率分别为 ： Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光功率 Ｐｓ（Ｌ）＝ＰｓＦｓＥｏｅｘｐ［一（ ０＋ ｓ） ］ （１） Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光功率 ＰＡｓ（Ｌ）＝ＰＡＳ ５Ｅ０ｅｘｐ［一（ＯＬｏ＋ Ａｓ）Ｌ］ （２） 在式（１）和（２）中：Ｐ ，Ｐ 分别为Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散 射光和Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光功率；Ｅ。为人射泵 浦光脉冲的能量；Ｐ ，Ｐ 分别为Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光 和Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光在光纤中的后向散射因 子；厂ｓ， 分别为Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ 拉曼散射光在光纤中单位长度上的后向散射系数； ｓ， ｏ分别为Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光、Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ拉 曼散射光和入射光在光纤中单位长度上的损耗系 数；Ｌ为后向散射点到探测端的光纤长度。 根据爱因斯坦的光子理论，式（１）和（２）中的 Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光的后 向散射因子Ｐ ，Ｐ 分别表示为： Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光后向散射因子 １ ， 、 Ｐｓ ｌ— ｅｘＤ ｌ一凸 ／丽１ Ｊ （ｊ Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光后向散射因子 ＝ （４） 把式（３），（４）代人式（１），（２）得： Ｐｓ（Ｌ） 二＝＿ 丽 ｅｘｐＵ一（％＋ ）三］ （５） （ ｐ［＿（％ （６） 式中：ｋ为玻尔兹曼常量； 为绝对温度值。 将式（５），（６）相除可得： 一ｐ（－ 唧 一 ］（７） 由式（７）可知， 处Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ 拉曼散射光的光功率比只与外界环境的温度有关。 取一段光纤Ｌ 作为定标光纤，放置在恒温 下，此 时式（７）为： ＝ｅｘｐ（一 ） ｅｘｐ［（％ （８） 将（７）与（８）式相比得： （Ｌ ）／ （ ） ＝ ｅｘｐ （一 ） ％ “ “ 一一 ］ （９） 解调可得温度 ： Ｔ＝ ［１ｎ Ｐ￣（ ／Ｄ／Ｇ（Ｌ）一 一（ 一 ）（Ｌ一驯 （１０） １．２定位原理 光时域反射ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃ． ｔｉｏｎ）主要用于检验光纤损耗特性及光纤故障，同时 也是分布式光纤测温系统距离定位的基础。 自大功率脉冲光注入传感光纤后，假设光纤某 一点背向拉曼散射光返回输入端的时间为ｔ，则此点 距入射端的距离为： ，Ｊ： ． ｔ （１１） 式中： 为光纤的有限折射率；Ｃ为光速。由式（１１） 即可对传感光纤上每一温度点进行定位。定位精度 为： △ ： ． ．丁 （１２） 式中： 为脉冲激光器的脉冲宽度。 ２分布式光纤测温系统的组成 分布式光纤测温系统的组成如图２所示。分布 式光纤测温系统由测温主机、感温光纤和温度解调 软件组成，测温主机是本系统中的核心设备。测温 西北水电・２０１ １年・增刊 １４１ 主机的主要器件有脉冲半导体激光器模块、拉曼１ ：ｌ：３ＷＤＭ组件、ＡＰＤ（含高压驱动）模块、信号放大 调理模块、数据采集和处理模块及恒温控制模块等。 采样，ＦＰＧＡ多次累加处理采样的Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼 散射和Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射信号数据Ｈ Ｊ。由温度解调 软件进行温度解调，从而得到光纤上各点的温度测 图２分布式光纤测温系统的组成图 脉冲半导体激光器发出中心波长为Ａ的激光， 注入到多模光纤，在光纤中发生背向拉曼散射。背 ㈣咖啪瑚㈣１ ｌ １向拉曼散射光经拉曼（ＷＤＭ）组件进行滤波后，得到 Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光，分别 由ＡＰＤ雪崩光电二极管转换成电压信号，电压信号 经过放大后由高速ＡＤ转换器对其进行采样，得到 Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光的强 度数据信息传递给现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）进行 处理，然后由温度解调软件进一步解调出整段光纤 的温度信息。 ３分布式光纤测温系统的特点 与传统的测温方式相比较，分布式光纤测量系 统具有非常明显的技术优势：①连续分布式测量， 可以连续的获得沿探测光纤几千米乃至几十千米的 温度信息；②很强的抗电磁干扰特性，在高电磁环 境和振动环境中可以正常的工作；③光纤传感器由 于完全的电绝缘，可以防雷击、抵抗高电压和高电流 的冲击；④测量距离远，适于远程监控；⑤灵敏度 高，测量精度高，空间定位精度达到１ ｍ的数量级； ⑥光纤具有耐腐蚀、耐高温、耐潮湿及寿命长的特 性，通常可以使用几十年。 ４试验数据及分析 利用分布式光纤测温系统进行温度测量，其关 键在于信号处理。分布光纤测温系统的信号处理采 用软硬件结合的方法。利用高速模数转换实现数字 量结果。 图３，４是实验中（测温光纤长度为２ ｋｍ）的累 加后的Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射和Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射信 号数据。图５是对图４的数据进行温度解调后得到 的温度曲线。从实验结果可看出，经过数字平均处 理后，能有效改善其信噪比，并恢复信号波形。经解 调后的测量温度与实际预设温度有明显的线性关 系，而且具有较好的空间位置一致性。 ０ １ ｌ １ ｌ 姗 渤瑚㈣ ２ １】ｌ １ ｌ １ ｌ ｌ瑚 ｌ ｌ ０ ５００ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００ 图３ Ａｎｔｉ—Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射信号图 ０ ５００ １０００ ｌ５００ ２０００ ２５００ ３０００ 图４ Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射信号图 ０ ２００ ４００ ６００ ８００ ｌＯ００ ｌ２００ １４００ １６００ ｌ８ｏ０ ２００ｏ ２２００ ２４００ 图５解调后的温度曲线图 将一段光纤置于恒温箱内，并用铂电阻与该段 光纤绑在一起，选择恒温箱的设定温度分别为～１０， １０，３０，５０，７０和９０℃，测试数据如表１所示。 （下转第１６２页） 枷湖瑚ｍ㈣ １ｍ∞∞鲫∞∞∞１６２ 褚福涛，冯波．应用ＧＰＲＳ实现监测系统的远程数据传输 （２）增加动态域名解析客户端软件，这是为了 软件系统的增量更新，适用于现存监控系统的升级。 系统更新后的好处不再赘述。 提高系统的灵活性，而且存在免费的域名申请和动 态域名解析服务，即使用收费的服务，成本也不高， 另外如果监控中心计算机能有固定的ＩＰ地址，可以 ４结论 设置ＤＴＵ直接使用ＩＰ地址同监控中心计算机建立 ＴＣＰ连接，不用增加动态域名解析客户端软件； （３）增加虚拟串口软件，这个软件是为了不改 动现存的数据采集软件（该软件使用串口与ＭＣＵ 本文提出了一种基于无线公网ＧＰＲＳ网络的监 测系统，并详细介绍了方案的设计与实现，已在某桥 梁监测项目上运行。运行实践表明该系统能够较好 地满足桥梁监测的需求，稳定可靠，灵活性好，设计 和运行成本低。该方案也可以应用到大坝安全监 进行数据传输）而增加的，而且存在免费的虚拟串 口软件，如果方便改动现存的数据采集软件的话，不 用增加虚拟串口软件； 测、水情测报等监测系统中，能够方便地对现存系统 进行升级改造。 （４）增加数据中心软件，借助商用ＤＴＵ提供的 ＡＰＩ函数编写这个软件不算复杂，有的商用ＤＴＵ厂 家有可能会提供数据中心软件，如果方便改动现存 的数据采集软件的话，可以把这个软件的功能集成 参考文献： ［１］ 桑文刚，何秀凤．ＧＰＲＳ／ＧＰＳ在小湾电站高边坡安全监测中的 应用［Ｊ］．计算机测量与控制，２００７，１３（１０）：１０３１—１０３３． ［２］ 李文根．基于ＧＰＲＳ的环境在线监测系统设计［Ｄ］．成都：西南 交通大学硕士论文，２００８，１２． 编写在数据采集软件中，不用增加中心软件。 （５）对软件系统所做的更新可以是针对现存的 （上接第１４１页） 表１ 系统温度测试统计表 纤测温系统使用寿命长、安全可靠，其构成的网络可 以遍布各个监测点，光纤网络犹如神经系统，可以感 知各监测点的温度信息。分布式光纤测温系统在各 个行业得到越来越广泛地应用。 参考文献： ［１］ Ｃｈａｎｇ Ｃｈｅｎｇ，Ｌｉ Ｚｈｅｎｇ ａｎｄ Ｚｈｏｕ Ｙｉｎｑｉｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｒａｍａｎ Ｂａｃｋ——ｓｅａｔ． 由此数据可以看出，本系统的测温精度为 ±０．５℃。 ｔｅｒｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＡＣＴＡ Ｐｈ— ｔｏｎｉｃａ ｓｉｎｉｃａ，２００１，３０（１）：５０—５３． ５ 结语 １２］Ｍ．Ａｈａｎｇｒａｎｉ，Ｔ．Ｇｏｇｏｌｌａ．Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒａｍａｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ『Ｊ］． 由于分布式光纤测温系统测点多，信息量大，较 全面地反映了一定跨度区域内温度场的分布情况， 所有使用案例均获得了较好的温度监测成果。同 时，分布式光纤测温系统技术先进，能做到长期实时 地准确测温，并自动将所检测的数据存储于数据库， 便于分析温度变化趋势，实现早期预警。分布式光 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，（８）：１３７９—１３９１． ［３］ 王剑峰，张在宣，徐向东，等．分布式光纤温度传感器系统新技 术研究［ｃ］．／／全国第１２次光纤通信暨第１３届集成光学学术 会议论文集．广东省四会市：中国通信学会，２００５，８３９—８４２． ［４］ 周胜军，李玉权．分布式光纤温度传感器信号处理的方法与实 现［Ｃ］．／／全国第１０次光纤通信暨第１１届集成光学学术会议 论文集．上海：中国通信学会，２００１．
