分布式光纤测温系统的自校准与空间特性研究

冯 婷，黄 俊，赖 华，李 川，赵振刚

(昆明理工大学 信息工程及自动化学院，云南 昆明 650504)

电力电缆、地铁站、隧道、边坡曾因温度监测不力而发生的火灾，给国家带来了巨大经济损失的同时也严重威胁到人民的生命财产安全。传统的温度传感器在易燃易爆或者电磁干扰的环境下受到极大限制，需要增加电磁屏蔽措施和添加温度补偿模块[1-2]。

相比一般的温度传感器，采用分布式光纤传感器，除了具有抗电磁干扰、安全、防爆等优势之外[3]，还具有测温空间范围广、体积小、结构简单、质量轻，能够测量许多特殊区域或者狭窄空间的温度场分布[4]等优点。20世纪80年代，南安普顿大学首次提出分布式光纤测温系统。到21世纪，美国安捷伦公司推出的分布式光纤测温系统的测温距离达到3 km，温度分辨率达到1 ℃，空间分辨率达到1 m，同时还能进行多通道测量[5]。文献[6]中，中国计量学院分析了光纤中的自发拉曼散射效应以及其放大后的特性，从而提出了一种基于自发拉曼散射效应的分布式光纤测温系统，同时增加了分布式光纤测温系统的测量距离。为了提高分布式光纤测温系统的温度解调精度，研究人员对校准方面进行了研究。文献[7]提出在传感光纤上选择8个点，在每个选定的点布置一个温度传感器，然后用分布式光纤测温系统对选中的8个点进行温度解调，与温度传感器测得的温度结果进行对比，以温度传感器测得的温度值作为标准，对分布式光纤测温系统的解调温度进行校准。文献[8]采用标准温度计与DTS(Distributed Optical Fiber Temperature Sensing System)温度解调结果进行对比的方式，在光纤上选取测试点，将测试点周围的光纤盘成若干小圈，放入一个带标准温度计的恒温装置中。再设置恒温装置的温度，待光功率信号稳定后，根据温度对比的差值进行相应的温度补偿。上述校准方法都是在DTS系统的外部采用测温精度较高的测温装置，以此作为温度参考，进行分布式光纤测温系统的校准。但这种校准方法在实际工程应用中，需要大量人力对精度较高测温装置进行温度读取。

本文设计了一种带自校准结构的分布式光纤测温系统，从系统内部设计恒温槽，恒温槽内放置参考光纤，选取参考光纤所处的温度作为系统的参考温度。研究分析了长距离温度场的空间分布特性，并对系统进行了温度补偿。

1 测温系统自校准设计与温度解调

1.1 分布式光纤测温系统测温原理

传统分布式光纤测温系统主要由以下几部分构成：电源模块、脉冲光源模块、WDM波分复用器、APD光电探测器、数据采集模块、控制模块。系统硬件组成框图如图1所示。

图1 分布式光纤测温系统硬件框图

传统分布式光纤测温系统工作原理为[9]：分布式光纤测温系统通电以后，电源模块给各个模块供电，使各模块运行。控制模块首先给数据采集模块提供一个触发信号，数据采集模块开始工作，进行数据采集。与此同时，数据采集模块给脉冲光源模块一个脉冲驱动，让脉冲光源开始发送脉冲光，脉冲光源模块发出的1 550 nm脉冲光经过WDM波分复用器进入光纤，发生拉曼散射，产生1 663 nm的Stokes光及1 450 nm的Anti-Stokes光。其中反斯托克斯光信号的强度随温度变化明显，而斯托克斯光信号随温度变化不明显。Stokes光及Anti-Stokes光向后传回经过WDM波分复用和APD光电探测器，完成光信号到电信号的转换[10]。最后由采集模块采集，输出到上位机进行数据处理，根据计算光纤内任何一点的Anti-Stokes光功率与Stokes光功率的比值，得到该点的温度。

1.2 自校准结构设计

校准是指在规定条件下，为使测量仪器或测量系统准确所指示的量值，或实物量具或参考物质所代表的量值，与对应的由标准所复现量值之间关系的一组操作[11]。过去研究人员对分布式光纤测温系统的校准研究大多都采用在分布式光纤测温系统外部选用精度更高的测温传感器进行标定，把光纤传感器的温度解调值与传统温度传感器的值进行对比并补偿。然而，在这个过程中并未考虑到应力场的改变会影响斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-Stokes)光的光强的变化，从而造成对解调的误差。

因此，在分布式测温系统内设计一恒温槽，其中摆放了一段长为100 m的光纤，此段光纤被称为参考光纤，在恒温槽内部放置两个温度精确度达0.5 ℃的温度传感器，用此段光纤的温度作为参考温度。通过系统内部采集板采集外部测温光纤的同时也采集参考光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光功率值。控制板通过控制恒温槽加热片的通断来控制参考温度值，设置恒温槽内部参考温度恒定，参考光纤固定，保持参考光纤外部环境的稳定性，从而能够减小因外部环境变化引起的光强变化而导致参考温度的不正确性。带自校准的分布式光纤测温系统硬件组成如图3所示。

图2 带自校准的DST硬件组成

由图2可知，分布式光纤测温系统的自校准结构是在其内部增加一个恒温装置即恒温槽。恒温槽由外部金属屏蔽盒、可控温加热片、隔热板、参考光纤、高精度数字温度传感器组成。恒温槽选用外壳的尺寸为125 mm×80 mm×58 mm的金属密封盒，使得既能将长度为100 m的参考光纤放置在恒温槽内，又能够将恒温槽固定在大小为2U的工控机箱内部，恒温槽的结构示意图如图3所示。

图3 恒温槽结构示意图

将100 m的参考光纤绕成椭圆形放置于恒温槽内部，将两个高精度数字温度传感器放置于金属盒内部并且放置于参考光纤相对应的两侧。在恒温槽每一面都放置加热片，为了使恒温槽内部温度均匀，避免部分光纤直接接触加热片造成部分光纤段温度过高，则在加热片一侧放置隔热板，四周隔热板形成的空间即为放置光纤的空间。仅在金属密封盒的一侧开孔用以保障金属屏蔽盒的密封性，在自校准装置与DTS系统连接好之后，再用胶将所开孔密封，保持内部空间场的恒温。温度传感器和加热片的供电线分别与控制板相连，温度传感器测得的数字温度信号由上位机软件采集得到，在PC端的软件上可以得到恒温槽内部温度值，并且由采集板采集得到参考光纤的Stokes光和Anti-Stokes光的光功率信号值。

图4 恒温槽模块安装图

图5 自校准的分布式光纤测温系统整机装配图

1.3 分布式光纤测温系统的温度解调

为了改变因为某些因素的变化而造成的系统测量不准确的问题，系统引入了参考光纤。得到参考光纤处反斯托克斯(Anti-stokes)光和斯托克斯(Stokes)光强比值和参考光纤的温度值，就能得出系统的测温曲线。温度解调公式如下[9-10]

(1)

(2)

由式(2)可知，温度的解调是以参考温度T0作为基准，即参考温度的测量误差很大程度上会影响系统的温度解调。本文研制的带自校带准系统的分布式光纤是以自校准系统内部恒温槽温度值作为参考温度，所以获得准确的参考温度值T0是提高系统测量精度的核心。

2 双传感器确定参考温度的方法

从传统的分布式光纤测温系统测量标定温度的不足之处出发，在恒温槽结构设计的基础上，设计了一种双数字温度传感器取平均值获得DST参考温度的方法。将两个温度传感器放置于恒温槽内，使其分别放置于距离系统加热片最近处和最远处，通过上位机控制恒温槽内温度值，设定不同的参考温度值，实时记录下两个温度传感器的值。

本文选用数字温度传感器DS18B20作为测量参考温度的温度传感器，该数字温度传感器的主要参数如表1所示，采集电路原理如图6所示。

表1 DS18B20数字温度传感器的主要参数

图6 数字温度传感器采集电路原理图

表2 双温度传感器参考温度测量结果

从表2中可以看出，2只数字温度传感器测量的数据最小差值为0.23 ℃，最大差值为0.71 ℃，要使分布式光纤测温系统的温度解调精度在1 ℃，恒温槽内标定温度的温度精度必须达到0.5 ℃以上。以上述表格数据为例，当上位机设置恒温槽内温度为25 ℃时，两个数据温度传感器的温度差值超过0.7 ℃，如果只用一个温度传感器进行测量，无法保证恒温槽内标定温度的温度精度达到0.5 ℃以上，即不能达到分布式光纤测温系统的技术指标。当对两个温度T1、T2取平均值后，其误差最大为0.11 ℃，10组误差数取平均值后为0.035 ℃。使用两个数字温度传感器对恒温槽做温度测量，然后取它们的平均值作为参考温度，对比单独使用1只传感器得到的测量结果，误差有所降低，精度有所提高。

3 空间分布特征与系统衰减补偿

对于一个测温空间场例如隧道而言，为使DST能够尽量掌握整个温度场的温度变化，往往需要来回布设传感光纤，布设的光纤长度达到几千米，所以为了能够实现分布式光纤测温系统长距离温度场的准确测温，需要对DTS的温度空间分布特征进行分析研究[12]。选取长度为10 km的传感多模光纤，搭建带自校准的分布式光纤测温系统，10 km光纤放置于温度为20 ℃的恒温箱中，得到经过累加平均去噪算法与小波变换去噪算法处理[13-15]的光纤光功率信号的空间分布特征如图7所示。

图7 Stokes光与Anti-Stokes光的空间分布特征

由图7可知，Stokes光与Anti-Stokes光在光纤传输时存在衰减，造成stokes光与Anti-Stokes光的光功率曲线倾斜，两路光在光纤传输时的衰减系数不同，造成两路光在长距离传输时的倾斜角不同。在分布式光纤温度传感器中，由于携带光功率信号的Stokes光和Anti-Stokes光非常微弱，光功率的大小为mW级别，并且随着测温距离的增长，两路光信号在光纤中的衰减也是不同的，光信号随距离的衰减限制了DTS测温的距离[16]。

对光功率信号进行解调时，用的是Anti-Stokes光与Stokes光的比值，取图7中Anti-Stokes光与Stokes光的比值，运用分布式光纤测温系统的温度解调公式，将图的光功率信号进行解调，得到温度场的空间特征如图8所示。

图8 温度场的空间分布特征图

由图8可知，随着光纤测温长度的增加光功率逐渐衰减，分布式测温系统解调出来的温度也逐渐下降，解调精度超出了1 ℃ 的范围，系统的测温误差接近15 ℃。所以，需要对温度曲线进行衰减补偿。

根据20 ℃时温度随测温距离变化曲线图，利用MATLAB软件对其进行拟合，得到拟合函数为

F(L)=-4.379 8×10-8L2-0.001 1L+20.008 3

(3)

式中，L为测温光纤所处位置。所以，得到温度补偿函数为

f(L)=4.379 8×10-8L2+0.001 1L

(4)

将图用温度补偿函数进行处理，得到温度随测温距离变化曲线如图9所示。

图9 经过温度补偿后温度的空间分布图

从图9可以看出，对于20 ℃温度场经过温度补偿后的曲线的温度解调精确度基本保持在1℃以内。

4 结束语

在传统的DST基础上，设计了一种带自校准的分布式光纤测温系统，为提高DTS的温度解调精确度，提出了一种双数字传感器取平均值来确定系统参考温度的方法，实现了DTS的自校准系统参考温度的确定。在DTS的自校准系统的基础上研究了光功率信号的空间特性，选取了20 ℃长距离温度场的测温曲线进行空间特性研究。拟合出空间场的光功率信号随布设长度的衰减公式，根据衰减公式对温度场进行温度补偿，使DTS的测温精度能够达到1 ℃，而光功率信号的衰减变化是依据光纤具体铺设的变化而不相同，对于光功率信号的衰减以及温度补偿应做更深入的研究。