分布式光纤温度传感器.doc

1研究背景（执笔人：）温度是度量物体冷热程度的物理量，许多物理现象和化学过程都是在一定温度下进行，人们的日常生活也和温度密切相关。随着科学技术的迅猛发展，对温度的测量也提出了更多更高的要求。以电信号为工作基础的传统的温度传感器，如热电偶、热敏电阻、热释电探测器等温度传感器的发展已经非常成熟，但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量的传统温度传感器便受到很大的限制。光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有体积小、重量轻、可挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点，对传统的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，完成前者很难完成甚至不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。在科研和工程技术中，有许多场合需要确定温度的分布, 例如长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布等。传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃、易爆环境或腐蚀性环境中工作，对于采用点式温度传感器实现温度的分布测量还存在难于安装、难于布线、难于维护的问题。分布式光纤温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高、误差小，与单点、多点准分布测量相比具有较高的性格比。 与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多优点：集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控；一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被设区域的二维和三维分布情况；能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息，因此单位信息成本显著降低；测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度；在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其他传感器无法接近的恶劣环境下，分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点。因此，自20世纪80年代以来，人们对实现分布式光纤温度传感器的各种技术展开了广泛研究。分布式光纤温度传感器系统的信号通道和传感器全部用光纤实现，因而具有光纤传感器的所有特点。它最显著的特点还在于网络化传感方向，即把传感光纤或光纤传感器回路沿作用场压力、温度、应变等分布排列，并采用独特的探测技术，对回路场上的空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控，因而可以实现长距离、大范围、高密度的监测，系统具有无法比拟的性价比。20世纪70年代提出的基于OTDR的瑞利散射系统的分布式光纤温度传感器经历了基于OTDR的喇曼散射和基于OTDR的布里渊散射系统，使得测温精度和范围大幅提高。已经显示出很大的优越性，但它们离工业实用化还有很长的一段距离。另外，OFDR是20世纪90年代以来的一个新技术，以及随着喇曼散射和布里渊散射强散射研究的深入，OFDR与其集成日益显示出其在测量精度、测量范围和测量速度方面的优越性。除了基于OTDR的喇曼散射型温度传感器外，其他几种分布式温度光纤传感器离工业实用化还有很长的一段距离，所以基于OTDR和OFDR的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点，尤其是基于OFDR的新型分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。对该技术发展重点关注一下几个方面：（1）现实单根光纤上多个物理参数（温度和应变）或化学参数的同时测量；（2）提高信号接收和处理系统的检测能力，提高系统的空间分辨率和测量不确定度；（3）提高测量系统的测量范围，减少测量时间；（4）基于二维或多维的分布式光纤传感网络将成为光纤传感器的研究方向。分布式光纤温度传感系统可以解决一些常规温度传感器难以解决的问题，主要应用于以下几个方面：煤矿、隧道的灾害防治以及其报警系统；高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等灾害性在线、动态检测、防护及报警；地下河架空高压电力电缆的热点检测和监控；各种大、中型变压器、发电机组的温度分布测量、热保护和故障诊断；火力发电所的配管温度、供热系统的管道输油管道的热点检测和故障诊断；油库、油罐、危险品仓库、大型仓库和大型轮船的货仓火灾及报警系统；化工生产过程的在线、动态检测；特别值得提出的是，把分布式光纤温度传感器埋入材料结构中，组成智能材料结构可以实现材料本身的实时自检测和自诊断，用于航空、航天飞行器的在线、动态检测和机器人的神经网络系统。这种西欧年的学术思想将会使材料与工程科学产生革命性的变化，尤其是在航空航天的现代化工程领域具有特别重要的意义和广阔的前景。自1988年开始国际光学工程协会将光纤智能结构的研究列入专题讨论会，这种智能结构系统已被美国联合研究开发中心用于计划中的空间站，以实现对空间站结构整体温度的分布式控制。因此，通过改善分布式光纤温度传感器信号处理方式来提高整个系统的测温精度具有十分重要的意义。它能使分布式光纤温度传感器实现真正的分布式测量，完成高精度实时测量。分布式光纤温度传感器的工作机理是基于光纤内部光散射的温度特性，利用光时域反射测试技术（OTDR），将较高功率窄带光脉冲送入光纤，将返回的散射光强随时间的变化探测下来。分布式光纤温度传感器基于背向散射或前向散射机理，其中背向散射具有温度测量的实际意义。分布式光纤温度传感器利用光纤为温度信息的传感和传输介质，敷设在温度场中，可以测量光纤沿线的温度分布情况，随着光纤的增长，测量点的数增加，单位信息的获取成本大大降低你，这是分布式光纤温度传感器相对其他光纤温度传感器的显著优点。2传感器设计与可行性论证（执笔人：）分布式光纤传感器从系统结构上可以分为两大类，即准分布式光纤传感器和全分布式光纤传感器。由于准分布式光纤传感器结构复杂、成本高，并且只能测量预知离散空间位置上的传感信息，本次设计选用全分布式光纤传感器。光频域反射技术（OFDR）的提出很早，但近几年，伴随着喇曼散射和布里渊散射以及强散射的研究的深入，使得基于OTDR 和OFDR 的分布式光纤温度传感器显示出很大的优越性，但它们离工业实用化还有很长的一段距离。基于OTDR 和OFDR 的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点，尤其是基于OFDR 的新型分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。伴随着分布式光纤温度传感器的发展，温度测试范围和精度不断提高，对信号处理算法和技术提出了更高的要求。全分布式光纤传感器是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上任意一点既是敏感单元又是其它敏感单元的信息传输通道，可获得被测量沿光纤分布的空间和时间变化的信息，突破了传统的单点测量的模式。全分布式光纤传感器可分为光时域反射技术（OTDROptical Time DomainReflectometry）的后向散射型传感器和以光纤中两个相向传播的光波之间的非线性作用的前向散射型传感器两大类型。本次设计的是光频域喇曼反射光纤温度传感器，它属于基于后向散射型。喇曼型分布式光纤温度传感器集诸多优点于一身，是分布式光纤温度传感系统中理论较为成熟且正逐步商品化的传感器类型。但喇曼型分布式光纤温度传感器存在一个弱点，即后向喇曼散射光较弱，此信息比瑞利后向散射信号还要弱20dB30dB，因此需要较复杂的信号处理电路及较高脉冲功率的LD 光源系统。而前向散射非线性效应分布式光纤传感器由于被测信号是连续的前向波，信号强度增加，对检测系统的要求相对降低，但对光纤则有特殊的要求，而且理论上也不够成熟，属于刚刚兴起的一种技术，是较为有前途的发展方向之一。光频域反射技术的原理于1986年由Ghafoori-Shiraz等人提出，用于光纤网络的故障定位；1997年DGarus等人提出用光频域布里渊反射技术实现温度和应变的同时测量 ，该项研究使用复杂的双端方法，测量从光纤一端输入的调probe光引起从光纤另一端输入的pump光的布里渊损耗，在实验中没有测量布里渊频移随温度和应变的变化，因此并未能实现温度和应变的定量测量；采用功率调制激光的光频域喇曼反射技术于1999年由Farahani等人提出l1，他们在理论上阐明了这种技术的原理，但是理论模拟计算并没有给出频率采样间隔对测量距离和空间分辨率的影响、数据采样间隔对测量准确度的影响。本次设计的是光频域喇曼反射光纤温度传感器的结构如图1所示，可以分为主机、信号采集和信号处理以及传感光纤三个部分。主机部分由光源、光纤波分复用系统以及光电接收和放大模块主成。（1） 光源由DDS直接合成数字芯片AD9859产生调制信号。（2） 光纤波分复用系统由双向耦合器和滤波器组成。（3） 光电接收放大模块由带尾纤的前置放大器和光电雪崩二极管（APD）以及宽带高增益、低噪声的放大器组成。信号采集和处理部分由数据采集器和计算机及相关软件构成。图1 光频域喇曼反射光纤温度传感器结构图光频域喇曼反射光纤温度传感器的工作过程为：单片机接收数据采集卡（DSP）的信号，确认需要输出的载波信号频率，然后向直接数字合成器（DDS）发送指令，直接数字合成器接收该指令后，输出对应频率的正弦波信号，信号经过LD激光器后得到调制激光，该激光信号分为两路，一路直接输入雪崩二极管（APD2），另一路经耦合器后进入传感光纤，即为激光沿测温光纤向前传播的通道。同时耦合器还有一路回波，即反斯托克斯喇曼背向散射光回波通道。背向散射光经过滤波器分离出带有温度信息的反斯托克斯喇曼背向散射光，再将分离出的信号送到光电雪崩二极管（APD1），这是喇曼通道。而系统的另一路信号是由LD激光源送出，不经过滤波器，直接进入光电雪崩二极管（APD2）。这两个通道的背向散射光经各自的APD进行光电转换后，再由各自放大器对信号进行放大；信号采集卡（DSP）采集由两个放大器传送过来的放大后的电信号，从测量到的激光功率波形和反斯托克斯喇曼反射信号波形分别计算其振幅和相位，并构造相应于反斯托克斯喇曼反射信号的频域响应函数，进行相应计算。然后生成两路信号，一路送给单片机，确定下一次应该传送的信号频率，另一路送到计算机，计算机对采集到的数据进行处理。最后得到温度的空间分布并以图形或表格形式显示出来。LD半导体激光器输出调制频率为的调制激光功率，其平均功率为， （1）该信号的一部分被APD2接收。其余激光通过双向耦合器后注入长度为L的单模感温光纤，经过双向耦合器的回波通道，反斯托克斯喇曼反射信号，被滤波器提取后进入APD2 （2）其中n是光纤的折射率，c是光速，是一个常数因子，是光纤的反斯托克斯喇曼强度的空间分布因子，与温度空间和光纤损耗的空间分布有关的因子。在频域反射技术中，直接测量的是不同频率下的激光功率波形和反斯托克斯喇曼反射信号波形。3传感器解调系统设计（执笔人：）目前利用喇曼散射对温度信号进行解调的传统方法是：利用斯托克斯和反斯托克斯的强度比解调温度，而本系统提出：通过采用大小等于频率采样间隔一半的起始调制频率，以有限大小的频率采样空间准确还原实际的反斯托克斯喇曼反射空间分布，从而研制了实现高空间分辨率、长距离的功率调制型光频喇曼反射光纤温度传感器。图1中由两雪崩二极管输出的两路信号经过放大后进人数字信号处理(Digital Signal Processing)模块进行处理 （3）式中是与距离有关的温度分布，是光纤的喇曼频移，和分别是光纤对激光和反斯托克斯喇曼反射信号的衰减系数，h和k分别为普郎克常量和波尔兹曼常量。无论时域反射或频域反射技术，测量的量正是，通过测量，并扣除光纤损耗的影响，可以计算温度随距离的分布。在频域反射技术中，直接测量是不同调制频率下的激光功率波形和反斯托克斯喇曼反射信号波形，后者可以进一步表示为 （4）式中 （5）可见反斯托克斯喇曼反射信号波形具有与激光功率相同的波形，只是发生了相位和振幅的变化，其中与调制频率有关的相移包含了温度分布的信息。空间分布因子的计算：图1中的数字信号处理模块的作用之一就是从测量到的激光功率波形和反斯托克斯喇曼反射信号波形分别计算其振幅和相位，并构造相应于反斯托克斯喇曼反射信号的频域响应函数 （6）根据式（4）、（5）中的定义可以得到 （7）如果求)的傅里叶反变换的实部 （8）则 （9）由此可见，如果频域响应函数是在负无穷到正无穷的调制频率范围内连续测量的，其傅里叶反变换的实部能够准确还原空间分布因子。但是，实际上测量只能在有限的调制频率范围内，以有限的采样间隔 进行，正是这种有限调制频率范围和有限采样间隔限制了频域反射技术的测量距离和空间分辨率当调制频率范围和采样间隔有限时，频域响应函数的傅里叶反变换的实部为 （10）式中式(10)中大括号中的函数称为空间采样函数，频域反射技术测量的空间分布因子是光纤的反斯托克斯喇曼强度的空间分布因子与空间采样函数的卷积，空间采样函数的特征决定了频域反射技术的测量距离和空间分辨率。决定分布式光纤温度传感器性能的三个主要技术指标是温度分辨率、测量时间、空间分辨率17、测量精度、动态范围、测量距离和定位精度。下面就逐一对这些指标进行分析。温度分辨率：温度分辨率是指为产生大小与总噪声电流的均方根值相同的信号光电流变化而需要的温度变化量。换句话说也就是:温度分辨率是信噪比为1 时对应的温度变化量。它是描述传感器系统实现准确测量的程度。在实际系统中一般有： （11） 式中 k、h 分别为玻尔兹曼常数和普朗克常数，T 为温度，为数字平均给系统带来的信噪比提高的倍数，为喇曼频移量；/表示系统的信噪比。由式(1l)可知，喇曼分布式光纤温度传感器的温度分辨率 和系统的信噪比/成反比，因而提高系统温度分辨率的关键在于提高信号的信噪比。测量时间：测量时间是指传感器系统对待测温度场完成指定温度分辨率测量所需要的时间。它体现了传感器系统实时温度监测的程度。 可表示为： （12）式中 N 表示数字平均次数，f 表示泵浦光脉冲的重复频率。可见数字平均次数不可能因为能提高系统信噪比而无限增大，还要受到系统响应时间的限制。另外为了保证单脉冲方式工作(分布式光纤传感检测的基本要求)，泵浦光脉冲的重复频率应当满足条件： （13）式中， 为光在光纤中的传输速度，L 为传感光纤的总长度。例如，假定传感光纤总长度为 5km，并要求系统响应时间不大于5s，则由式（12）和（13）可计算得信号处理时的数字平均次数最高只能到。空间分辨率：空间分辨率定义为分布式光纤温度传感器系统对沿光纤长度分布的温度场进行测量所能分辨的最小空间单元，即达到的分布式程度。测量精度：测量精度包含两方面的含义：一是指系统测量终端依据探测光脉冲所确定的空间某点位置的定位精度；二是指测量终端对传感光纤上某一点表征待测场特性的背向喇曼散射信号大小的测量准确精度。传感光纤空间定位是靠光探测脉冲在光纤中往返传输所需时间间隔确定的即： （14）式中 z是传感光纤在待测场所处的空间位置；t是探测光脉冲从测量终端出发到传感光纤z 点产生喇曼散射，喇曼散射信号又返回测量终端的时间；是光在光纤中的速度。在计时 t 期间，测量终端的系统定时误差将影响定位精度，进一步分析表明：系统定时精度取决于探测光脉冲的上升时间，定量近似为：。为系统测量终端光电探测器的信噪比。大多数情况下，所说的测量精度是指第二点，即表征探测系统对于十分微弱的背向喇曼散射信号的检测能力。它可定量描述为：产生大小与系统总噪声电流均方根值相同的信号光电流变化所需待测量温度的变化值，或表达为测量系统输出信号的信噪比为1 时，对应的待测场内待测量即温度的变化量。为了提高此项技术指标，测量终端需精心设计，广泛采用提高信噪比的技术，在满足系统空间分辨率前提下，尽量压窄大器频带宽度以减小噪声。4参数与系统误差分析、结论与心得（执笔人：）4.1 误差分析图2给出空间采样函数的数值计算结果，计算条件是，。图2 空间采样函数的模拟计算从图2(a)可见，在06 000 m 的光纤长度内，空间采样函数出现三次峰值，出现的周期为。这意味着在对空间分布因子进行采样时，由于不同距离的贡献的互相重叠，采样不可能还原实际的空间分布因子因此要求在所测量的光纤长度范围内，空间采样函数的峰值只能出现一次，即要求其出现的周期大于6 000m因而就规定了采样间隔取值范围，即 （15）图2(b)是空间采样函数在其峰值附近的局部展开，可见决定空间分辨率的峰宽反比于最大调制频率 ，即 （16） 如果要求空间分辨率达到1m，最大调制频率必须大于100 MHz式(15)和(16)给出了频域反射技术要达到一定测量距离和空间分辨率所要求基本测量条件，为了得到最佳的测量方案，需要研究在不同调制频率范围和采样间隔下还原的空间分布因子与实际的差别。 通过数值计算来模拟频域反射技术的测量过程，在数值计算中假设激光的波长为1310nm，感温光纤为62.5/125多模光纤，其对1310nm光波的衰减系数为0.7Db/km，假设温度分布在2000m、3000m、4000m、5000m处有比室温300K高出20K的热点，热点的半宽分别为1.9m、1.0m、0.7m、0.5m，根据式(3)算出实际的空间分布因子；频域反射技术测量的空间分布因子由式(10)算出；通过比较模拟测量的空间分布因子对实际空间分布因子的再现程度，获得最佳的频域测量参量。频率采样间隔和起始调制频率对测量的影响 图3 对不同的频率采样间隔和起始调制频率，空间分布因子的模拟计算结果图3给出在相同的最大调制频率下，不同的频率采样间隔和起始调制频率的空间分布因子的模拟计算结果从曲线(a)、(b)、(c)和(f)可见，对于相同调制频率范围0150MHz，频率采样间隔越小，模拟的空间分布因子越接近实际的空间分布因子；但是，即使采用5kHz的采样间隔(对应30000个频率测量点)，模拟的空间分布因子(曲线(c)仍然明显偏离实际的空间分布因子(曲线(f)，因此这样测量的温度空间分布将与实际的温度分布有明显的偏差，估计在光纤2000m处要偏高20K；在5000m处要偏高50K；减小频率采样间隔可以减小这种偏差，但是如果要把偏差减小到可以接受的范围(如1 K)，频率采样间隔需要很小，使得频率测量点太多而没有实际可行的意义。因此，频域反射技术能否实际可行的关键在于能否找到一种方法，使得在有限的频率采样间隔下，模拟的空间分布因子能够再现实际空间分布因子的轮廓。模拟计算表明，当起始调制频率为频率采样间隔的二分之一时，模拟的空间分布因子能够准确再现实际空间分布因子的轮廓图3的曲线(d)、(e)分别给出频率采样间隔为15kHz和10kHz的模拟计算结果，它们与实际空间分布因子(曲线(f)是重合的这表明在实际测量中并不需要采用尽可能小的频率采样间隔，而只需要采用满足公式(15)的频率采样间隔，并把调制频率范围往后移动半个频率采样间隔，就能够准确测量空间分布因子的轮廓。最大调制频率对测量的影响： 图4 对不同的最大调制频率，空间分布因子的模拟计算结果图4给出在相同的频率采样间隔(15kHz)、不同最大调制频率下，空间分布因子的模拟计算结果图中曲线(1)为实际空间分布因子；(2)为对 =000752000075MHz， =15kHz的模拟计算结果；(3)为对 =00075 1500075 MHz， =15 kHz的模拟计算结果为了清楚表明空间分布因子在热点附近的情况，图中把距离坐标展开，只画出在4个热点附近的空间分布因子当最大调制频率为150MHz以上时，模拟的空间分布因子能够再现10m 以上宽度的热点的温度分布(图4(a)、gb)，当热点的宽度为07m和05m时，模拟的空间分布因子的幅度变低、宽度增加(图4(c)、(d)，这是空间分辨率下降的表现，150MHz的情况明显比200MHz的差可见如果要求频域反射技术达到1 m的空间分辨率，最大调制频率选为150MHz是比较合适的。4.2 结论 在功率调制型光频域喇曼反射光纤温度传感技术中，从直接测量的频域响应函数还原的反斯托克斯喇曼反射空间分布可以简单地表示为空间采样函数与实际空间分布的卷积；通过分析空间采样函数的特征，导出了频率采样间隔与测量距离的关系以及最大调制频率与和空间分辨率的关系；通过进一步的理论模拟计算，首次提出通过采用大小等于频率采样间隔一半的起始调制频率，可以以有限大小的频率采样间隔准确还原实际的反斯托克斯喇曼反射空间分布，从而使高空间分辨率、长距离的功率调制型光频域喇曼反射光纤温度传感技术具有技术可行性4.3设计优化与下一步工作设想4.3.1提高系统温度分辨率的硬件方法在系统硬件上可以通过以下措施提高信噪比：（1）在发光部分，提高入纤光脉冲的能量E0。（2）提高光纤的喇曼散射系数。（3）分段给APD 施加不同的偏压。（4）利用数据采集电路的程控放大功能进行分段放大。（5）降低系统噪声。（6）增加信号的累加次数。4.3.2 提高系统温度分辨率的软件方法在分布式光纤温度传感系统中，所测得的斯托克斯和反斯托克斯信号，十分微弱，并淹没在噪声中，为了减少噪声和提高信噪比，在所测得的原始数据的基础上，采用计算机数据处理技术，使结果尽量趋于被测物理量的真值，这是数据处理的主要目的。 提高系统温度分辨率的软件方法主要有滑动平均法、多项式最小二乘法、累加平均与最小乘方联合的方法等。4.3.3系统空间分辨率的优化（1）压缩泵浦光脉冲宽度T 真正在系统设计中，实际可行的压缩泵浦光脉冲宽度的方法只有进一步提高光探测器的探测灵敏度或是采用光子计数技术，以牺牲探测器灵敏度的方法来弥补由于泵浦光脉冲宽度变小而使泵浦光脉冲能量减小(从而使信号光功率减小)的损失。有关光子计数技术在喇曼分布式光纤温度传感器系统中的应用，目前只有少数报道提出该方案，但由于光子计数技术实现起来困难较大，目前仍未见有实验报道。（2）采用更高速率的A/D 采集卡A/D 采集卡的采样速度与其A/D 转换时间成反比，因此要想减小A/D 转换时间