0 引言

    目前，大電網(wǎng)、超高壓、自動化、大容量是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的方向，監(jiān)測地下電纜的溫度可進(jìn)行電網(wǎng)輸配電能力的優(yōu)化，這種需求增長迅速^[1]。地下的電網(wǎng)系統(tǒng)在正常的極限設(shè)計當(dāng)中不會出現(xiàn)負(fù)載運(yùn)行的情況，但是社會發(fā)展隨之而來的就是社會用電量增大，在相應(yīng)情況下電網(wǎng)的負(fù)載也越來越大，各種各樣的設(shè)備和系統(tǒng)相連接，使得事故發(fā)生的概率增大了，可能造成巨大經(jīng)濟(jì)損失^[2]。在線監(jiān)測系統(tǒng)下，電纜事故隱患可降低或徹底消除，在今后，溫度監(jiān)測系統(tǒng)對電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測將會普及^[3]。分布式光纖的溫度檢測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電纜在線檢測的一個好方法，在進(jìn)行常規(guī)測量時能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)測量和在線測量，有效解決電纜出現(xiàn)的燃燒、高溫、火災(zāi)、爆炸等事故，應(yīng)用前景非常廣泛^[4]。本文設(shè)計出分布式光纖測溫系統(tǒng)，并通過室內(nèi)和室外試驗(yàn)對儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 測溫系統(tǒng)的方案設(shè)計

1.1 光纖分布式測溫的實(shí)現(xiàn)過程

    圖1為分布式光纖測溫系統(tǒng)框圖。在圖1中，光纖具有傳感器和傳輸介質(zhì)兩個作用。系統(tǒng)的組成包括光學(xué)部分、信號采集部分、信號處理部分。光學(xué)部分組成包括激光發(fā)射、脈沖驅(qū)動電源、光電檢測、波分復(fù)用器（WDM）、傳感光纖；信號采集和處理部分組成包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號放大、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。在進(jìn)行傳感光纖布置時，布置方向?yàn)殡娎|長度的方向，啟動計算機(jī)控制的電路脈沖，將會使得電流源和半導(dǎo)體激光器被驅(qū)動起來從而進(jìn)行工作。通過波分復(fù)用器WDM輸出LD，光纖中被射入激光。根據(jù)現(xiàn)場的具體實(shí)際情況，其溫度信息會由拉曼散射光攜帶，散射光的采集由光電二極管（APD）進(jìn)行，完成光電間的轉(zhuǎn)換。因拉曼散射光較弱，采用放大器對拉曼散射光信號放大處理。測量結(jié)果通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字量。監(jiān)控系統(tǒng)可以借助主機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和監(jiān)測。

1.2 數(shù)據(jù)采集和處理

    散射光信號較弱是拉曼散射測溫系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)，散射光信號約為入射光的0.93%，信噪比非常小，在噪聲中，幾乎完全淹沒了測量信息，信號處理單元以DSP系統(tǒng)為核心，主要是對光電檢測器輸出信號進(jìn)行放大、采樣和處理，并將溫度解調(diào)出。在噪聲條件下，對放大微弱信號幅值進(jìn)行有效抑制是數(shù)據(jù)處理的核心。

1.2.1 拉曼散射信號的特點(diǎn)

    拉曼散射信號信噪比較低，在噪聲中，有用溫度信息會被淹沒；有用溫度信息具有較低頻率，噪聲具有較高頻率；信號噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)端大，近端小。因此，系統(tǒng)提出使用將小波分析和累加平均結(jié)合的方法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣得到的溫度信號更為準(zhǔn)確。 

1.2.2 信號預(yù)處理

    在光纖測溫系統(tǒng)中，噪聲具有零均值統(tǒng)計特性，系統(tǒng)中的低頻噪聲干擾可通過數(shù)字累加的方式將其去除，通過噪聲的統(tǒng)計特性進(jìn)行降噪。通過數(shù)字平均的方法處理信號，提高信噪比，在DSP內(nèi)存單元中，依次對一次測量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，對于下一次測量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其與內(nèi)存對應(yīng)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行相加，然后將其放回原內(nèi)存單元，這樣的循環(huán)進(jìn)行M次，然后各單元進(jìn)行求平均。通過將每次測量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)以向量形式表達(dá)，用式(1)表示第i次測量結(jié)果：

1.2.3 測溫實(shí)驗(yàn)

    在1 km長的光纖中，將兩個光纖點(diǎn)A、B加熱，進(jìn)行本研究研制的分布式光纖測溫系統(tǒng)的溫度空間分布特性、拉曼光時域反射的測溫實(shí)驗(yàn)，在1 km長的光纖100 m（A點(diǎn)）、500 m（B點(diǎn)）處，用2個55 ℃的熱源進(jìn)行點(diǎn)輻射加熱，圖2為溫度點(diǎn)布置。

    通過實(shí)驗(yàn)測得，本研究研制的系統(tǒng)溫度測量長度范圍可達(dá)到0～12 km，2 m為最小的采樣分辨率，同時也是最小的空間分辨率。系統(tǒng)能夠測量在12 km范圍內(nèi)的電纜溫升情況，同時還能夠?qū)ξ⑿厣闆r作預(yù)判，方便后續(xù)維修工作。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

    室內(nèi)試驗(yàn)在恒溫的水槽中進(jìn)行，其中放入一段多模光纖，加熱使水保持在26 ℃、32 ℃、38 ℃、44 ℃、50 ℃、56 ℃，將DTS測出的溫度值和實(shí)際的水溫進(jìn)行對比，能夠得出其測量的精度較高，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)需要。圖3為溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)圖，可看出最大測量誤差為0.25 ℃。

2.2 室外實(shí)驗(yàn)

    試驗(yàn)地點(diǎn)為沈陽市郊某大橋上游河灘上，試驗(yàn)場地尺寸為6.5 m×6.5 m×6.5 m，用于測溫的光纖是以蛇形分布被埋于地下的，分為4個層次，每一層之間的間隔以米為單位。水注射進(jìn)去之后實(shí)現(xiàn)溫度的測量保證光纖溫度的恒定。從11:20:22開始注水試驗(yàn)，試驗(yàn)水溫17.4℃～16.1℃，持續(xù)300 min，在注水過程中，全程進(jìn)行溫度監(jiān)測。從底部第四層開始鋪設(shè)光纖，由上而下，每層光纖長度分別為：105m～138m、71m～104m、35m～70m、0m～34m。在注水后，選取A（13.10.22）、B（16.10.22）、C（11.10.22）3個時間點(diǎn)的溫度進(jìn)行比較，從圖4可看出，通過傳感光纖，各層溫度變化情況能得到很好反映。在地層深度不同時，原溫度分布為規(guī)則階梯狀，在水流通道、注水點(diǎn)處，隨著注水的進(jìn)行，溫度出現(xiàn)異常，比原溫度增高明顯。在13:10:22時，曲線A整體溫度較高，有一部分地理氣候原因，同時和試驗(yàn)地較多礫石底層溫度較低也是密不可分的。第1層具有較高地溫，在注水后，周圍溫度變化較小，第2層、第4層在注水點(diǎn)的周圍溫度升高的情況比較明顯。分布式光纖的測溫技術(shù)既能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)分布式的溫度測量，在實(shí)際應(yīng)用中非常方便。

3 結(jié)論

    本文對拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光比值與溫度分布的關(guān)系進(jìn)行了分析，并給出光時域反射距離定位解析表達(dá)式，設(shè)計出分布式光纖測溫系統(tǒng)，并通過室內(nèi)和室外試驗(yàn)對儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。室內(nèi)對恒溫槽的水溫進(jìn)行測量，其最大測量誤差為0.25 ℃，室外實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在沈陽市郊某大橋上游河灘上，對埋入地下的四層光纖進(jìn)行注水并測溫，通過傳感光纖，各層溫度變化情況能得到很好反映。

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作者信息：

楊  洋1，2

（1.河北省儀器儀表產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 承德067000；2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心，河北 承德067000）