基于拉曼散射的分布式光纤测温系统应用研究

黄 祥，甘孝清，李 强，曾祥进

（1．长江科学院a．工程安全与灾害防治研究所；b．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c．国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010；2．武汉工程大学计算机科学与工程学院，武汉 430205）

基于拉曼散射的分布式光纤测温系统应用研究

黄 祥1a，1b，1c，甘孝清1a，1b，1c，李 强1a，1b，1c，曾祥进2

（1．长江科学院a．工程安全与灾害防治研究所；b．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c．国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010；2．武汉工程大学计算机科学与工程学院，武汉 430205）

传统的水库水温监测将大坝上游坝面混凝土内部的点式温度测值近似为库水温度，存在一定的误差，且测点数量有限。基于拉曼散射的分布式光纤测温系统具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度、低成本以及可实现空间上连续分布测量等优点。从光时域反射、拉曼散射及散射光解调原理等方面研究了基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的测温原理，并将该系统应用于长江三峡水利枢纽坝前库水温度监测中，对分布式光纤的布置、安装及观测等展开了研究。库水温度监测成果显示，三峡水库坝前库水温度沿水深方向的分布没有明显的分层现象，库水温度随气温变化而变化，最高库水平均温度约27℃，发生在8月，最低库水平均温度约10℃，发生在2月。基于拉曼散射的分布式光纤测温系统在三峡水利枢纽中的成功应用，表明该技术可以较好地应用于高坝大库的库水温度监测，具有一定的推广应用价值。

拉曼散射；分布式光纤；光纤时域反射；库水温度

1 研究背景

分布式光纤自问世以来，已广泛应用于光纤传感领域。由于分布式光纤传感器除了具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、灵敏度高、可靠性好、使用寿命长、低成本以及和普通光纤的良好兼容性等优点外，还能获取被测效应量在光纤传感区域内的空间分布情况，因此越来越受到人们的关注。分布式光纤测温技术在水利水电工程中常用于混凝土温度监测、土石坝渗流监测等，其中混凝土温度监测在三峡水利枢纽、溪洛渡、景洪、水布垭等多个工程中进行了应用，取得了较好的效果。虽然分布式光纤测温技术的工程应用较多，但其在国内外仍处于探索研究阶段。

水库水温既是水域生态环境水质参数的重要指标，也是坝工设计和运行管理的重要安全参数，对库水温度进行监测是非常必要的。传统的水库水温监测方法主要是以间接测量为主，即通过在大坝上游坝面混凝土内部埋设的点式温度计来获得水库水温。这种测温方式在技术先进性和经济优越性方面均存在明显的不足之处：首先是这种间接测温方法所测得的温度不是真实的水温，由于温度计埋点距离坝面有一定的距离，其测量结果与真实的水库水温必然存在一定的差异；其次是点式测量所取得的温度信息量有限，不能在空间上实现连续分布，且投入大、成本高、不易维护。

为了拓展分布式光纤在水利水电工程中的应用范围，解决传统的水库水温监测方法存在的缺陷，本文将基于拉曼散射的分布式光纤测温系统应用于三峡水库水温监测中，并开展了相关研究。

2 基于拉曼散射的分布式光纤测温原理

基于拉曼散射的分布式光纤测温系统是一种能够在整根光纤上测量出沿光纤走向的连续空间温度场分布的仪器装置，其中光纤既是温度的测量传感器，也是信号的传输介质。系统的测量原理主要是利用光纤光时域反射（Optical Time Domain Reflectometry，简称OTDR）理论和后向拉曼散射（Raman Back Scattering）温度效应。利用光时域反射理论可以实现对测温点的定位，是典型的激光雷达系统；利用后向拉曼散射温度效应可以实现温度的感知和度量，是典型的光纤通信系统［1］。

2．1 光时域反射原理

1980年罗杰斯首次提出了利用光时域反射原理和偏振光源来实现分布式的温度测量［2］。光时域反射基本原理见图1。半导体脉冲激光器发出一系列脉冲光，经定向耦合器进入光纤，来自被测光纤的部分后向散射光再次经过定向耦合器传输到光电二极管组成的探测器中转换为电信号。当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，利用激光雷达原理，该系统通过后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。

图1 OTDR基本原理图Fig．1 Schematic of OTDR princip le

设注入光纤的激光功率为P0，考虑到光纤损耗引起光信号的指数衰减，同时假设光纤由能量为1J的光脉冲激发，则沿光纤传输到z处所接收到的时变后向散射光功率随距离z变化的公式为

式中：αs（z）为光纤在z处的散射分量；αf（z）和αb（z）分别为前向、后向的总衰减系数；Vg是波导的群速度，积分表示波导中至该点距离为z处的双程衰减，同时由于定向耦合器具有3dB损耗而引入了乘积因子0．5。

与传统的雷达系统一样，距离z与双程传输时间t直接相关。在光纤中，t由下式给出，

若光纤结构参数沿轴向均匀时（假定衰减系数为α，光脉冲在光纤中的折射率为n1，在真空中的传播速度为c），即αf（z）与αb（z）相同，则

将式（2）代入式（3）中可得由式（4）可知，接收到的光功率是时间的函数，由式（2）可知，时间不同对应着不同的光纤位置，即光电探测器检测到的光功率是光纤的位置的函数，光纤的不同位置的光功率都可以被光电探测器检测到。随着z的不断增大，光电探测器就实现了对沿光纤分布待测场的空间分布式测量［3］。

2．2 拉曼散射测温原理

众所周知，当光入射到光纤中时，会发生散射现象，这主要是由光纤的非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的像气泡这种不均匀所引起的。各种散射的分布情况见图2。散射可分为弹性散射和非弹性散射2种，其中弹性散射主要包括瑞利（Rayleigh）散射；非弹性散射有拉曼（Raman）散射和布里渊（Brillouin）散射［4］。拉曼散射对温度较为敏感；瑞利散射对温度不敏感；布里渊散射对温度和应力都敏感，容易受到外界环境的干扰，影响测量的准确度［5］。基于拉曼散射的分布式光纤系统在温度测量上具有较大的优势。

图2 光纤中的后向散射Fig．2 Back scattering in the optical fiber

当激光脉冲在光纤中传播时，由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生能级跃迁，产生拉曼散射。拉曼散射过程的能级跃迁如图3所示［6］。图中E1，E2分别表示分子振动的基态和激发态。假定注入光纤的激光频率为υ0，光子的能量为hυ0；当振动基态E1的分子吸收入射光子能量hυ0后被激发到虚态，然后跃迁到振动激发态E2释放出能量为h（υ0－Δυ）的散射光子，其频率为υ0－Δυ，这种散射称为斯托克斯（Stokes）散射；而处于振动基态E2的分子吸收入射光的能量激发到虚态，然后向振动基态E1跃迁，产生能量为h（υ0＋Δυ）的散射光，其频率为υ0＋υ，这种散射称为反斯托克斯（Anti-Stokes）散射。

图3 拉曼散射过程示意图Fig．3 Process of Ram an scattering

在频域里，斯托克斯拉曼散射光子频率为

反斯托克斯拉曼散射光子频率为

式中：υ0为光纤分子的振动频率；Δυ为光纤声子频率，Δυ＝1．32×1013Hz。

在光纤L处局域的Stokes拉曼散射光子通量为

在光纤L处局域的Anti-Stokes拉曼散射光子通量为

式中：Ψe为入射到光纤的激发光子通量；βs，βas为与光纤Stokes散射和Anti-Stokes散射截面有关的系数；η为光纤的后向散射因子；α0，αs和αas分别为入射光、Stokes光及Anti-Stokes光的光纤传输损耗系统；L为待测点在光纤中所处的位置；Rs（T），Ras（T）为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，与局域光纤的温度有关。

式中：h为普朗克常数；k为玻耳兹曼常数。

反斯托克斯散射光对温度敏感，其强度受温度调制；而斯托克斯散射光强度也与温度有一定的关系，但受温度影响很小。

2．3 解调原理

目前较常用的解调方法是利用Stokes散射解调Anti-Stokes散射的方法，将Anti-Stokes光作为信号通道，将Stokes光作为参考通道。利用这种方法可以消除因光源波动而产生的误差，同时由于激光功率沿光纤的损耗较小，测量距离可达数十公里。

由式（7）至式（10）可得

当T＝T0（参考温度）时，式（11）为

式（11）除以式（12），可得

由式（13）可解算得到光纤任意点处的温度T。由此可见，温度仅与测量光纤中Stokes光与Anti-Stokes光的强度比值有关，而与光源强度、光注入光纤的条件、光纤几何尺寸、光纤结构等无关。

3 工程应用

3．1 应用背景

国内外坝工建设经验表明，在河流上修建大坝形成水库，水库蓄水后带来了防洪、发电、航运、灌溉、旅游等综合效益，但同时由于水库蓄水，将改变库区及下游河段的水文情势和水环境状况，水温是水质因素的一个重要变量，在确定其他水质指标的过程中往往与水温有关［7］。基于拉曼散射的分布式光纤测温系统在混凝土温度监测中应用较多，本文将这一技术应用于库水温度监测。

三峡工程坝高185 m，总库容393亿m3，是典型的高坝大库。自2003年6月上旬开始，经历了135，156，172，175 m 4个阶段性的库水位抬升过程。水库蓄水后因水体流速变缓，将对近坝区的水环境及水域生态系统造成影响。因此，对三峡坝前水库水温进行监测是很有必要的，对今后水库的运行管理具有指导意义。

根据三峡工程高坝大库的实际特点和设计阶段水库水温垂向分布的预测情况，要想测量三峡水库的坝前水温，分布式光纤测温技术无疑具有独特的适宜性。首先是水库水深大，需要测量的信息量大；其次是目前水库水位较高，在目前条件下对水温进行测量，对测量手段的实施有很大难度；再次是便于让测温结果实时可视化和远距离传输。基于上述几点考虑，将分布式光纤测温技术应用于三峡库水温度监测。

3．2 分布式光纤布置与安装

三峡水库属于典型的高坝大库，自建库以来，经历了多个阶段的库水位抬升过程。为监测水库正常蓄水后的坝前水库水温及其变化情况，在左厂14－2＃坝段桩号48＋672．7至48＋680．5范围内坝前布设了1条分布式光纤测温垂线，测温光纤为Corning公司生产的四芯多模铠装光缆，解调仪采用美国SensorTran公司生产的机架式DTS5100－10M，具体布置见图4［8］。

为了顺利安装光缆，先在坝面顶部安装好定滑轮及不锈钢钢丝绳（钢丝绳长度通过水下机器人探查出库底高程后确定），钢丝绳底部末端悬挂铸铁沉重块（0．8 t）之后，再将测温光缆绑扎在钢丝绳上。测温光缆从库底42 m高程沿上游坝面垂直安装并延伸至坝顶185 m高程，由于目前尚无光纤传感器的相关技术规范，参照传统监测仪器的温度率定方法，对测温光缆进行了温度和长度率定。值得注意的是，为了保证测量成果质量，观测过程中须严格遵守光纤解调仪的操作规程。

图4 坝前水库测温光纤布置Fig．4 Layout of optical fiber in front of the dam

3．3 库水温度监测成果

分布式光纤测温系统于2009年9月三峡库水位首次抬升至172 m高程前完成安装，并开始首次观测，后持续观测至今。水库调度运行期间的坝前库水温度监测成果见图5。

图5 坝前水库水温分布Fig．5 W ater temperature distribution in front of the dam

监测成果表明：

（1）与常规水库水温分布存在明显分层的现象不同，三峡水库坝前库水温度分布未见明显的分层现象，沿高程方向库水温度相差较小，从库底至水面温差小于2℃，出现这种现象主要是受水库调度运行的影响；

（2）库水温度变化主要受气温影响，高温季节库水温度高，低季节库水温度低，每年8—9月温度最高，平均约27℃，每年2—3月温度最低，平均约10℃；

（3）库水温度变化比气温变化滞后约1个月，气温最高发生在7月下旬，库水温度最高发生在8月底9月初；气温最低发生在1月，库水温度最低发生在2月底3月初。

4 结 语

（1）单根光纤利用光时域反射理论可以实现对整根光纤上任意点的空间定位，因而用于温度测量时具有空间连续性，体现了分布式的特点。

（2）3种散射中，瑞利散射对温度不敏感，布里渊散射对应变和温度都很敏感且存在交叉敏感问题，唯有拉曼散射既对温度敏感，又不受外界干扰，非常适宜用于分布式光纤温度测量。

（3）三峡水库坝前库水温度分布没有明显的分层现象，库水温度随气温变化而变化，最高库水平均温度约27℃，发生在8月，最低库水平均温度约10℃，发生在2月。

（4）与点式温度监测的方法相比，基于拉曼散射的分布式光纤测温系统具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度、低成本以及可实现空间上连续分布测量等优点，可较好地应用于高坝大库的库水温度监测。

（5）基于拉曼散射的分布式光纤测温技术在三峡大坝库水温度监测中的成功应用，既拓展了分布式光纤监测技术的应用范围，又验证了三峡水库正常蓄水后的库水温度变化规律预测，为坝工设计和大坝运行管理提供了宝贵的技术资料。

［1］ 翟延忠，赵玉明，许舒荣，等．分布式光纤测温系统［J］．仪表技术与传感器，2007，（9）：36－38．（ZHAI Yan-zhong，ZHAO Yu-ming，XU Shu-rong，et al．Distributed Optical Fiber Temperature Measurement System［J］．Instrument Technique and Sensor，2007，（9）：36－38．（in Chinese））

［2］ CULSHAW B，DAKIN J．光纤传感器［M］．李少琴，宁雅农，李志高，等译．武汉：华中理工大学出版社，1997：8－9．（CULSHAW B，DAKIN J．Optical Fiber Sensors［M］．Translated by LI Shao-qin，NING Yanong，LIZhi-gao，et al．Wuhan：Huazhong University ofScience and Technology Press，1997：8－9．（in Chinese））

［3］ 孙圣和，王廷云，徐 颖．光纤测量与传感技术［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000：11－12．（SUN Sheng-he，WANG Ting-yun，XU Ying．Optical Fiber Measuring and Sensing Technique［M］．Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2000：11－12．（in Chinese））

［4］ 刘 扬，侯思祖．基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分析研究［J］．电子工程设计，2009，17（1）：23－25．（LIU Ynag，HOU Si-zu．Analysis and Study of the Distributed Fiber Temperature Detecting System Based on Raman Scattering［J］．Electronic Design Engineering，2009，17（1）：23－25．（in Chinese））

［5］ 赵玉明，李长忠，翟延忠，等．基于拉曼散射分布式光纤测温系统的理论分析［J］．计量学报，2007，28（3A）：15－18．（ZHAO Yu-ming，LI Chang-zhong，ZHAIYan-zhong，etal．Analysis of the Distributed Optical Fiber Temperature Measuring System Base on Raman Backscatter［J］．Acta Metrologica Sinica，2007，28（3A）：15－18．（in Chinese））

［6］ 张 颖，张 娟，郭玉静，等．分布式光纤温度传感器的研究现状及趋势［J］．仪表技术与传感器，2007，（8）：1－3．（ZHANG Ying，ZHANG Juan，GUO Yujing，et al．Current Status and Developing Trend of Distributed Optical Fiber Temperature Sensor［J］．Instrument Technique and Sensor，2007，（8）：1－3．（in Chinese））

［7］ 张仙娥，周孝德，臧 林．水库水温研究方法述评［J］．水资源与水工程学报，2006，17（3）：1－4．（ZHANG Xian-e，ZHOU Xiao-de，ZANG Lin．Discussion on Research Methods for the Water Temperature in Reservoir［J］．Journal of Water Resources＆Water Engineering，2006，17（3）：1－4．（in Chinese））

［8］ 黄 祥，廖勇龙．长江三峡水利枢纽坝前水库及升船机塔柱光纤测温工程——2009年度工作及资料分析报告［R］．武汉：长江科学院，2009．（HUANG Xiang，LIAO Yong-long．Report on theWork and Data Analysis of 2009 Temperature Monitoring for the Reservoir in Front of the Dam and the Ship Elevator Towers of Three Gorges Project［R］．Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2009．（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Application of Distributed Optical Fiber Tem perature M easuring System Based on Raman Scattering

HUANG Xiang1，GAN Xiao-qing1，LIQiang1，ZENG Xiang-jin2
（1．Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．School of Computer Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China）

By traditional method of monitoring reservoir water temperature，the concrete temperature on the upstream surface of dam（which ismeasured by point thermometer inside the concrete）is taken as the water temperature．Errors are caused and the gauging points are limited．On the contrary，the distributed optical fiber（DOF）temperature measuring temperature system based on Raman scattering has resistance to EMI（electromagnetic interference），resistance to corrosion，electric insulation，high sensitivity，low cost，and can implement continuous spatial distributed measurement．We have applied thismeasurement system to the Three Gorges reservoirwater temperaturemonitoring and studied its principle from perspectives of Optical Time Domain Reflectrometry（OTDR），Raman Scattering and scattering-light demodulation．Monitoring results show that the reservoir water temperature in front of the Three Gorges dam varies with atmospheric temperature with no obvious stratification along the water depth direction．The maximum average temperature is nearly 27℃in August and the minimum is 10℃in February．

Raman scattering；distributed optical fiber；OTDR；reservoir water temperature

TP212．14；TP211．9

A

1001－5485（2013）02－0092－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．020

2012－03－11；

2012－09－28

国家大坝安全工程技术研究中心课题（2011NDS005）；水利部948推广项目（201123）

黄 祥（1977－），男，湖北孝感人，高级工程师，主要从事水利水电工程安全监测及研究工作，（电话）027－82829878（电子信箱）64375＠sina．com。