基于拉曼散射的分布式光纤直流电缆测温系统

葛鸿翔，单鸿涛，马 强，张艳杰

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

基于拉曼散射的分布式光纤直流电缆测温系统

葛鸿翔，单鸿涛，马 强，张艳杰

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

直流电缆通常通过绝缘电阻检测来判断线缆破损情况，一般通过定期巡查以及针对故障进行排查，效率低下。文中研制基于拉曼散射的光纤直流电缆测温系统，围绕上海地铁直流供电电缆物理特性及其环境特点展开研究，通过电缆故障的搜集分析，找到故障线缆及其温度变化特性；同时，通过长期监测，以实现线缆温度异常检测、故障定位，预警和管理。并通过实际测量得到所设计系统可测量的温度范围为3 ～10 km，温度分辨率为1℃，时间分辨率为5 s，空间分辨率为1 m。

拉曼散射；光纤；测温系统；故障定位

随着上海轨道交通的发展，地铁运行里程不断延长，越来越多的低压直流电缆投入使用。直流馈电电缆用于连接高速直流开关和接触网，但由于其应用环境差，电缆较容易发生绝缘老化、受损等故障[1-2]。一旦发生问题，轻则跳闸、重则发生安全事故，给供电安全造成重大影响。因此，实时、可靠的直流电缆温度诊断和监测技术，在保障轨道交通安全运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与反斯托克斯光的实时测温系统，实现对地铁直流电缆在运行的实时温度在线监测[1]。

1 分布式光纤测温原理

由于光子与光纤介质的互相影响，当光进入到光纤时会引起光线方向的改变，这个过程叫做光的散射。当光子与光纤中的二氧化硅分子互相作用时，就会发生有能量交换和没有能量交换两种情况。当光子与光纤介质发生弹性碰撞却没有发生能量之间的交换，这个过程就被称为瑞利(Rayleigh)散射；当光子与光纤介质发生非弹性碰撞并且有能量交换，这个过程就被称为布里渊(Brillouin)散射、拉曼(Raman)散射，利用这3种散射光可以实现光纤的分布式测量。

因此，要实现分布式光纤拉曼测温系统的功能，即在外界不可知的物理量对测量电缆的影响下，保证传输光对测量电缆进行调制，将光信号转化成电信号，利用响应时间与定位位置关系，得到定位被测量位置信息，最终得到空间分布，因此要得到散射位置信息是基于光时域反射(OTDR)技术实现的[3]。

1.1 拉曼散射的温度解调方式

由于拉曼散射属于非弹性散射，散射光频率发生了改变，证明光子的能级发生了跃迁。入射光hv0激发处于低能级E1的分子时，分子就会向上跃迁到一个相对不稳定的虚能级Ea，再向下回到一个相对稳定的高能级E2，此时发出的光子为hvs，这个过程发出的光为斯托克斯光(Stokes)。拉曼散射斯托克斯光频率了表示为

(1)

当入射光子hv0激发处于高能级E2的分子，分子就会向上跃迁到一个相对不稳定的虚能级Eb，然后再向下回到一个稳定的低能级E1并且发出散射光子hvas，这个过程发出的光为反斯托克斯光(Anti -Stokes) 。拉曼散射反斯托克斯光频率可表示为

(2)

分布式测温的原理就是通过检测入射时间和反射时间的时间差，根据光在光纤中的传播速度来计算出入射光与反射光之间的距离。光纤的材料决定了这两种光在光纤中的波长偏移量，斯托克斯光和反斯托克斯光强度与温度有关，关系如下

式中，λs为斯托克斯波长；λas为反斯托克斯波长；T为绝对温度；c为真空中的光速；h为普朗克常量；k为波尔茨曼常量。

Ias/Is的比值经过光电转换之后可以测得，通过这些参数就可求出温度T。

在分布式光纤拉曼散射测温系统中根据拉曼散射光对温度的敏感性来进行测验。假设设置一台激光器以一定的频率向光纤芯折射率不均匀的光纤中发射脉冲光，这就会产生不同形式的散射光，在多种散射光中，取其中的后向拉曼散射光为所需要的极端量，可以借助光电探测器测出光功率的值，从而推导出光功率与温度的关系。在实际系统中，光纤弯曲弯折、光脉冲源的功率不同等情况都会影响到反斯托克斯光强度。为了有效的提高测量准确性，把斯托克斯光作为系统的参考通道，用反斯托克斯光与斯托克斯光强度的散射比作为温度因子[3]。其中Anti-Stokes与Stokes散射比为

(3)

其中，绝对温度T可以表示为

(4)

一个已知定标温度T0，可表示为

(5)

1.2 拉曼散射的温度定标

设定好温度定标后，将光纤上测得的各区域的斯托克斯光强度以及反斯托克斯光强度比(温度因子)与定标温度处的两种光强比进行比较，即可求出光纤上各点的温度值。

拉曼散射光强度分为3个区域：前端反射区、测温区和尾端反射区。这3个区域中，测温区的信号较为稳定，并且能真实反映光纤上的温度情况。前端反射区和尾端反射区信号相对不稳定，故定标区域选在测温区内。分布式光纤测温系统的初始点从定标区开始，本系统选择光纤200 m处。为了获取定标区标准温度，将光纤前150 m处放入恒温槽内，该方法是定标区温度恒定，稳定性和准确性都提高。

OTDR(Optical Time Domain Reflection)技术是光时域反射技术的简称，其不仅可以对接头损耗进行检测，还可以对光纤中的故障点进行无损耗检测定位[5]。激光器发出的脉冲光经耦合器进入光纤中，其中大部分脉冲会一直传输到光纤的尾端，但是因为光纤介质的不同，所以其折射率也会有差别，当脉冲光遇到折射率不同的介质时，脉冲光便会发生散射，其中有一部分会向后散射并沿着光纤传输到发射端。以光纤中各点的背向散射光强度与时间的关系为依据进行实时定位，如图1所示。

图1 光时域反射原理图

图1中d是光纤发生散射的位置；t是光纤的折射率；n是光在真空中的速率；c是时间间隔，记录光脉冲从进入光纤到其散射关返回原点所经历的时间；τ是光源的脉冲宽度。

由激光发生器发射的光脉冲射入光纤，发生散射点的距离可由下式得

(6)

从上式可以看出，只要测量出时间t，就能算出散射点的位置，再根据拉曼散射的温度解调方式，可算出散射点的温度。对光纤上多个散射点进行温度测量和定位，就能分布式的展现光纤上的温度场情况。为了防止光纤中反射光的混淆，系统必须接受完一个脉冲的拉曼散射光之后才能发射另一个脉冲[6]。

2 分布式光纤温度传感系统性能指标

评估光纤温度传感系统的性能的指标有很多，其中关键的是：系统温度分辨率、系统的空间分辨率、系统的时间分辨率。在系统设计时，3项指标是相互影响的，并不能只突出某一项指标而应该综合考虑，从而实现系统性能的最优化。

2.1 温度分辨率

温度分辨率从是光纤温度测温系统的重要指标，描述了系统测量温度的准确度。分析温度分辨率有助于了解分布式管线温度传感测温系统的精度。Anti-Stokes与Stokes散射比为

(7)

将式两边微分，则有

(8)

两边同时除以R(T)，可得

(9)

由于Stokes散射光对温度不灵敏，通常认为dIas≈0，将dIas视为噪声，则有

(10)

其中，SNRas为Anti-Stokes散射光检测通道的信噪比。

将Anti-Stokes与Stokes散射比对温度T微分，然后两边等式除以R(T)得

(11)

由以上两式可得温度分辨率dT为

(12)

由上式可知系统温度分辨率与反斯托克斯散射光检测通道的信噪比SNRas成反比，为使光纤测温系统精度更高，可通过提高信噪比SNRas从而减小系统温度分辨率dT[7-10]。

2.2 空间分辨率

光纤测温系统是以点的形式测量光纤上分布的信息，而每个点代表光纤上的范围，也就是空间分辨率。假设一条3 km的光纤上测量3 000个点的温度，那么系统的空间分辨率就是3 km/3 000=1 m。在保证放大电路宽度足够大，信号不失真的情况下，空间分辨率主要由以下因素决定：

(1)光源脉冲宽度。由于激光器发出的光脉冲有一定的脉冲宽度Δt，光检测器在某时刻检测到光的并不是光纤上某一点L的后向拉曼散射光能量。由于L～L+Δt/2之间光纤的后向拉曼散射光达到光检测器时是叠加的，故检测出的能量实际是L～L+Δt/2这段光纤上后向拉曼散射光能量的总和。

假设光脉冲为矩形，忽略传输过程中光纤的色散的等因素，则受脉冲宽度影响的空间分布率R1

(13)

式中，v=2×108m/s为光脉冲在光纤中的传输速度，Δτ为脉冲宽度。

(2)光检测器响应时间。光检测器存在一定的响应时间，并不是瞬时打开的，受光检测器的响应时间影响的空间分辨率R2

(14)

式中，v=2×108m/s为光脉冲在光纤中的传输速度，Δτ为光检测器响应时间；

(3)A/D转换时间。在采集数据时，由于A/D装换过程需要一段时间，受A/D转换时间影响的空间分辨率R3为

(15)

式中，v=2×108m/s为光脉冲在光纤中的传输速度，Δδ为A/D转换时间[11]。

2.3 时间分辨率

在一定的空间分辨率以及温度分辨率下，光纤测温系统测量温度的最短时间就是时间分辨率，其中包括后向拉曼散射信号的获取时间、信号处理时间等。时间分辨率体现了系统的测量时间，测量时间越小更能体现系统的实时性。

设激光的射出频率为f，采集次数为N，那么时间分辨率就是N/f。可以通过提高激光射出频率来减小时间分辨率，如果射出频率太高，可能会对激光器造成损害[12]。另外，由于多次采样后散射光会出现混乱，所以相邻两次脉冲信号的采集时间要>2L/v。其中，L是光纤的总长度；v是光脉冲的传输速度[13]。

设计的系统性能指标如下：时间分辨率5 s；温度分辨率1 ℃；温度传感距离≥3 km；空间分辨率1 m。

3 拉曼散射测温系统的工作过程

根据上述原理，设计光纤测温系统，如图2所示。

图2 基于拉曼散射的光纤测温系统

首先，将传感光纤放置在待测温度场中，由DSP处理器发出控制脉冲。高速数据采集卡获取同步的时钟脉冲后进入数据采集状态，光脉冲经过波分复用器对温度进行标定，波分复用器接收到后向散射光后通过其中的干涉滤光片过滤出反斯托克斯光与斯托克斯光。接着，光电检测器分别对Anti-Stokes与Stokes光中进行光电转换，图3和图4分别为光电转换前和光电转换后的信号图。最后，主放大器将信号放大到高速数据采集卡能够识别的范围内。放大过后，高速数据采集卡AD9228采集数据，同时TMS320F2812控制串口传输给计算机[14-15]。

图3 光电转换前电压信号

图4 光电转换后电压信号

为验证本文所述光纤测温系统的拉曼光时域反射和温度空间分布特征，利用3 km长的光纤，选择200～2 500 m短光纤作为参考光纤，所处的参考温度室温T0=25 ℃，光纤在300 m和1 500 m处分别加热。光纤在300 m和1 500 m的温度为50 ℃，297 m和1 498 m的温度为43 ℃。根据式(12)可得温度的精度误差在1 ℃。图5为本文设计的光纤测温系统实验图，所测得的相应温度分布曲线如图6所示，在300 m和1 500 m两点处出现明显的升温，与设置的热源位置基本符合。

图5 3 km长测温光纤实验图

图6 实验光纤的温度分布曲线

最终通过实际测量可得本文所设计系统可测量的温度范围为3～10 km，温度分辨率 ，时间分辨率为5 s，空间分辨率1 m。该系统可检测到范围内的电缆局部升温，并对局部升温等潜藏故障做判断，告知地铁运营公司及时检修避，以免造成更大的损失，同时该系统还可对故障点做出准确判断，给维修带来便利。

4 结束语

本文根据拉曼散射原理，分析温度对反斯托克斯光的调制，且利用斯托克斯光作为参考光减小系统噪声；依据光时域反射基本理论给出了距离定位解析表达式。最终设计的系统可实现3～10 km长度范围的温度测量，温度分辨率1 ℃，空间分辨率为1 m，时间分辨率为5 s的光纤温度传感器系统。通过搭建3 km长的实验系统，在系统中设置热源，验证了本文所设计的测温系统可实现光纤上各点温度的实施检测。本系统技术参数适合于地铁电缆的实时温度检测，可对地铁线缆温度变化预警。同时，也可对故障点进行准确定位。

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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

上海市大学生创新训练基金(cs1502013)

葛鸿翔(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：电缆测温等。单鸿涛(1971-)，女，副教授。研究方向：电缆测温等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.027

TP212.9

A

1007-7820(2017)12-102-05