趙 浩 肖 愷 李 平 黎載紅 羅巧梅

（1.平湖波匯通信科技有限公司，浙江 平湖314200；2.上海波匯通信科技有限公司，中國 上海200120）

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的第三次信息技術(shù)革命，將成為下一個(gè)萬億級美元以上的產(chǎn)業(yè)，傳感技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)中的物理感知和數(shù)據(jù)采集層，為物聯(lián)網(wǎng)提供最基礎(chǔ)的物理信息數(shù)據(jù)，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心?；诶⑸涞姆植际焦饫w測溫系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備，可以利用光纖作為溫度信號的傳導(dǎo)介質(zhì)，測量沿光纖走向的連續(xù)空間內(nèi)溫度場的分布情況。通過高速采集卡采集攜帶溫度信息的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步累積，數(shù)字累加和小波變換的處理，去除噪聲的干擾，并通過OTDR 解調(diào)準(zhǔn)確地得出光纖沿線上任一點(diǎn)被測量在時(shí)間和空間上的信息分布，具有抗電磁干擾強(qiáng)、靈敏度高、耐腐蝕、本征安全、測量距離長、定位精度高、使用壽命長等優(yōu)勢。

1 分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理

基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器是基于光纖內(nèi)部的拉曼散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時(shí)域反射測量技術(shù)（OTDR），將較高功率帶電光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強(qiáng)隨時(shí)間的變化探測下來。分布式光纖溫度傳感器基于背向散射或者前向散射機(jī)理，其中背向散射具有溫度測量的實(shí)際意義，若能測量出背向散射光的強(qiáng)度，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，這就是利用光纖測量溫度的基本原理[1-2]。

入射光子與介質(zhì)分子在光纖纖芯介質(zhì)材料密度的成分起伏和微觀變化等因素的影響下，二者相互作用，入射光中光子與分子由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)而發(fā)生非線性碰撞。光子與分子之間在非彈性過程中發(fā)生能量交換，光子不僅改變了運(yùn)動(dòng)的方向，同時(shí)光子的部分能量傳遞給分子，或者分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的部分能量傳遞給光子，從而改變了光子的頻率，這就是拉曼散射[2]。

因?yàn)楣饫w具有一定的長度，且拉曼散射是產(chǎn)生在光纖中的每一個(gè)微觀點(diǎn)的，所以如何確定我們探測到的拉曼散射在光纖中發(fā)生的位置就需要用到光時(shí)域反射技術(shù)[3-5]。

光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）最初用于評價(jià)光學(xué)通信系統(tǒng)中光纖、光連接器等的性能，是用于檢驗(yàn)光纖損耗特性、光纖故障的有效手段，同時(shí)也是分布式光纖傳感器的基礎(chǔ)[6]。光源發(fā)射出一系列的激光脈沖進(jìn)入光纖中，它們會(huì)在光纖中產(chǎn)生背向散射。在時(shí)域中，入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需的時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，2L=v*t，v=C/n，其中v 為光在光纖中的傳播速度、C 為真空中的光速、n 為光纖折射率。在測得時(shí)刻t 時(shí)，就可求的距離光源L 處的距離。

圖1 OTDR 原理框圖

圖1 中的主時(shí)鐘產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號，脈沖發(fā)生器根據(jù)這個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生符合要求的窄脈沖，并且它來調(diào)制光源；光定向耦合器將光源發(fā)出的光耦合到被測光纖，同時(shí)將散射和反射信號耦合進(jìn)行光檢測器，經(jīng)放大及信號處理后送入示波器，顯示輸出波形及在數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)輸出的有關(guān)數(shù)據(jù)。要進(jìn)行信號處理的原因是后向散射光非常微弱，淹沒在噪聲中，只有采用取樣積分器對微弱散射光進(jìn)行取樣求和，隨機(jī)噪聲抵消，才能將散射信號取出。

2 系統(tǒng)主要功能

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：能夠?qū)崟r(shí)的采集光纜沿途的溫度，形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示：顯示電纜的實(shí)時(shí)溫度[7]。

3） 升溫速率報(bào)警： 當(dāng)電纜達(dá)到用戶要求設(shè)置的升溫速率預(yù)訂值時(shí)，可以報(bào)警、指出報(bào)警電纜處位置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印[8]。

4）超溫報(bào)警：根據(jù)用戶要求設(shè)置報(bào)警和預(yù)警溫度警戒值，并且可實(shí)現(xiàn)電纜分段報(bào)警，對電纜的不同部分實(shí)施不同標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)警設(shè)置。

5）特性曲線顯示：包括某一時(shí)段電纜某點(diǎn)的溫度變化曲線、某時(shí)段電纜溫度變化曲線、某時(shí)段電纜某點(diǎn)的最高溫度變化曲線和某日電纜最高溫度分布曲線等。

6）歷史數(shù)據(jù)顯示：用戶可以通過歷史數(shù)據(jù)查詢得到電纜某時(shí)刻溫度、某日電纜某點(diǎn)的溫度、某時(shí)刻電纜某點(diǎn)的溫度、某日電纜最高溫度及某時(shí)刻電纜某點(diǎn)的最高溫度。

7）遠(yuǎn)程監(jiān)控：通過Internet 可對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和維修等。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)分為硬件與軟件兩大部分（見圖2）。硬件主要有激光器、雙向耦合器、光電雪崩二極管、放大器、信號采集處理卡、DTS 主計(jì)算機(jī)和工控機(jī)等組成。軟件由采集端程序和分析段程序組成，分別運(yùn)行在兩臺PC 機(jī)上，通過TCP/IP 協(xié)議完成通信。采集端程序運(yùn)行平臺通過與信號處理卡通信，讀取卡狀態(tài)、相關(guān)數(shù)據(jù)，通過運(yùn)算，計(jì)算得出電纜各點(diǎn)的溫度值，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到分析端，同時(shí)在界面顯示；分析端程序運(yùn)行平臺通過Internet 接收所采集的溫度數(shù)據(jù)，通過運(yùn)算，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值，產(chǎn)生報(bào)警并在圖形界面顯示，所采集的數(shù)據(jù)同時(shí)被存入相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。傳感光纜既是傳輸載體優(yōu)勢傳感媒體，可以把監(jiān)測對象的溫度的實(shí)時(shí)情況反饋到主機(jī)。

圖2 基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工作機(jī)理：當(dāng)被監(jiān)測對象發(fā)生溫度變化時(shí)，傳感電纜會(huì)感受大溫度的變化并隨之改變。光纖中背向散射光的強(qiáng)度被調(diào)制，并被波分復(fù)用器分開成斯托克斯光宇反斯托克斯光，光電雪崩二極管和放大器分別對這兩種光進(jìn)行接收放大處理，然后經(jīng)信號采集處理卡后，由DTS主計(jì)算機(jī)進(jìn)行解調(diào)和數(shù)據(jù)處理，將被測對象上各點(diǎn)的溫度信息實(shí)時(shí)地提取并存儲(chǔ)。由工控機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)分析、報(bào)警。實(shí)時(shí)顯示和查詢等功能。

4 工程應(yīng)用

本系統(tǒng)被某省電力公司安裝在220kV 玉賢至七里廟輸電線路上，實(shí)現(xiàn)對2 回路（玉墨一回、玉墨二回）中的四根電纜（每根電纜長度約5.6km）的表面溫度信息的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，從系統(tǒng)主要功能上分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集端相當(dāng)于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。監(jiān)控端相當(dāng)于終端負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化展示、監(jiān)測、查詢、分析。通過實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)，發(fā)出報(bào)警信息，避免電力事故發(fā)生，提高電纜的運(yùn)行安全性和可靠性。

待工程施工及軟件配置完成后，系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，通過觀察監(jiān)控界面（見圖3）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以時(shí)刻掌握被測電纜的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 分布式光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)控界面截圖

圖4 玉墨1 回路A 相電纜溫度實(shí)時(shí)曲線

圖5 玉墨1 回路C 相電纜溫度實(shí)時(shí)曲線

圖6 玉墨2 回路A 相電纜溫度實(shí)時(shí)曲線

圖7 玉墨2 回路C 相電纜溫度實(shí)時(shí)曲線

圖4-圖7 顯示了項(xiàng)目名稱、 工控機(jī)CPU 的使用率與內(nèi)存的使用率、DTS 分布式距離至用戶對象距離的映射圖、 玉墨1 回路A 相和C的分布式溫度信息、玉墨2 回路A 相和C 相的分布式溫度信息、通過觀察這些信息，可隨時(shí)掌握電纜的運(yùn)行溫度、溫度曲線等狀態(tài)信息。

一旦電纜的發(fā)生局部過熱，將在監(jiān)控界面上顯示出溫度異常信息，彈出報(bào)警信息框，并且觸發(fā)聲光報(bào)警器，啟動(dòng)短信模塊，發(fā)出報(bào)警信息。

通過分布式光纖測溫系統(tǒng)對電纜運(yùn)行狀態(tài)的溫度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，采用多種報(bào)警方式提醒用戶，以便盡早采取行動(dòng)，避免事故發(fā)生。

5 結(jié)論

基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供待測對象全程的表面溫度、導(dǎo)芯溫度、接頭溫度等信息，且具有抗干擾、本征安全、測量距離遠(yuǎn)、精度高、定位準(zhǔn)等優(yōu)勢，是電力電纜、橋梁、隧道等領(lǐng)域在線狀態(tài)監(jiān)測的最佳手段。通過在電纜上安裝分布式光纖測溫系統(tǒng)，能夠?yàn)橛脩籼峁╇娎|實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在異常點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警，防止和杜絕電力事故發(fā)生，保證監(jiān)控對象運(yùn)行的安全性和可靠性。

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