陳　曦，周　，孫　超，杜　林，楊　濤

(1．重慶市電力公司南岸供電局，重慶　400060；2．重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400030)

0　引言

電力電纜在輸電線路中廣泛運(yùn)用，但由于電纜在工作時(shí)會(huì)因過(guò)載等原因而發(fā)熱升溫，使其絕緣性能劣化，進(jìn)而發(fā)展成為絕緣擊穿乃至火災(zāi)，因此對(duì)其溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)具有重要意義。光纖與其他傳感器相比，具有抗電磁，耐高溫，對(duì)溫度、應(yīng)變等外界變化敏感，且價(jià)格便宜等一系列優(yōu)勢(shì)，因此基于光纖傳感器技術(shù)的分布式光纖溫度測(cè)量技術(shù)得到廣泛關(guān)注，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展完善已成為最具前途的溫度測(cè)量技術(shù)之一[1-2]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)分布式光纖溫度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了大量研究實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)分布式光纖測(cè)量技術(shù)在電力系統(tǒng)故障的在線監(jiān)測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景[3-6]。

文中設(shè)計(jì)了基于拉曼散射的分布式光纖電纜測(cè)溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以LabVIEW虛擬儀器軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)拉曼散射信號(hào)的采集與處理并采用軟件算法改善系統(tǒng)信噪比，然后解調(diào)顯示出光纖沿線的溫度分布。最后自行搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)溫度測(cè)量系統(tǒng)的功能及精度進(jìn)行驗(yàn)證，使系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)到預(yù)定要求。

圖1　基于拉曼散射分布式光纖傳感器的測(cè)量原理圖

1　拉曼散射分布式光纖測(cè)溫原理

如圖1所示，能量為E0、持續(xù)時(shí)間為δt的泵浦脈沖光注入長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖后，以速度v在光纖中傳播，假設(shè)光纖是均勻的，且光纖在泵浦光波長(zhǎng)和散射光波長(zhǎng)下?lián)p耗系數(shù)相等，可得到光探測(cè)器接收到的光功率隨時(shí)間變化的函數(shù)[7]：

(1)

式中：Г為單位長(zhǎng)度上的光后向散射系數(shù)；p為后向散射因子；α為入射光單位長(zhǎng)度上的損耗系數(shù)。

根據(jù)光功率測(cè)量值在不同時(shí)間與光纖位置對(duì)應(yīng)關(guān)系，能得到光功率為光纖位置的函數(shù)。

由于Stokes拉曼散射光受溫度影響很小，而Anti-stokes拉曼散射光受溫度影響很大，因此實(shí)際溫度信號(hào)由Anti-stokes光攜帶。在溫度T=t時(shí)，若整個(gè)光纖處于T=T0，測(cè)量點(diǎn)溫度Tm分布曲線[7]為

(2)

式中：pS、pAS分別為Stokes光、Anti-stokes光的后向散射因子；h、k為普朗克常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)。

利用光纖中產(chǎn)生散射的位置和該點(diǎn)散射光的返回時(shí)間之間關(guān)系能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫點(diǎn)的定位并實(shí)現(xiàn)沿光纖溫度場(chǎng)的異常溫度點(diǎn)、光纖斷裂點(diǎn)的距離定位。

2　分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：首先由激光器發(fā)出脈沖光信號(hào)，同時(shí)通過(guò)外觸發(fā)端口發(fā)出電信號(hào)驅(qū)動(dòng)A/D采集卡開(kāi)始工作；脈沖光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器耦合到傳感光纖中，傳感光纖則置于待測(cè)溫度場(chǎng)中；光脈沖在傳感光纖中傳播的過(guò)程中，各點(diǎn)位置上引發(fā)的散射光中后向散射部分經(jīng)過(guò)光纖傳輸通道進(jìn)入波分復(fù)用器耦合到接收通道；通過(guò)光學(xué)濾波后，分離出載有溫度信息的Anti-stokes光和參考用的Stokes光，然后經(jīng)光電接收器APD實(shí)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)前置放大和主放大后，利用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將采集到的數(shù)據(jù)送往軟件部分處理；經(jīng)N次數(shù)字平均運(yùn)算以提高信噪比，通過(guò)溫度解調(diào)運(yùn)算，完成對(duì)待測(cè)溫度場(chǎng)的分布式溫度測(cè)量并顯示。

圖2　分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)采用海吉科技的INSULAD2053 12位數(shù)據(jù)采集卡，長(zhǎng)度2 km的標(biāo)準(zhǔn)多模梯度光纖。系統(tǒng)單脈沖方式工作時(shí)，激光脈沖的重復(fù)頻率應(yīng)滿足f≤v/(2L)，故系統(tǒng)激光頻率為10 kHz．在基于背向拉曼散射的分布式傳感系統(tǒng)中，其后向散射光的強(qiáng)度為nW級(jí)，需要采用高增益的雪崩光電管(APD)作為傳感系統(tǒng)探測(cè)器。

2．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、累加平均及溫度解調(diào)與顯示。文章采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)各個(gè)模塊分別描述，最后將其整合。

2．2．1數(shù)據(jù)采集模塊

為了在LabVIEW中驅(qū)動(dòng)非NI采集卡，系統(tǒng)利用WinIo庫(kù)編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集卡動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)完成數(shù)據(jù)的采集，由于系統(tǒng)一次最多只能采64周期數(shù)據(jù)，不能達(dá)到數(shù)據(jù)累加平均次數(shù)的要求，因此需要多次調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)連續(xù)調(diào)用CLF節(jié)點(diǎn)，將采集到的數(shù)據(jù)存入局部變量數(shù)組中，達(dá)到一定次數(shù)后輸出，其實(shí)質(zhì)為一個(gè)軟件虛擬的二級(jí)緩存。從而使得數(shù)據(jù)采集與后續(xù)累加平均處理能并行運(yùn)行，提高了數(shù)據(jù)吞吐量，避免了由于較高的數(shù)據(jù)采集速度和較慢的數(shù)據(jù)處理過(guò)程帶來(lái)的數(shù)據(jù)丟失和溢出。得到輸出數(shù)組后，連接至波形顯示控件上即可顯示采集到的波形。其數(shù)據(jù)采集程序流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及濾波軟件流程圖

2．2．2基于改進(jìn)小波變換閾值的軟件去噪

(3)

式中：sgn(．)為符號(hào)函數(shù)；δj為閾值；βj=max(|wj，k|)/max((|wj，k|)-δj)為折中系數(shù)。

新函數(shù)在保持良好連續(xù)性的前提下，大大減小了軟閾值發(fā)估計(jì)產(chǎn)生的偏差。

閾值過(guò)小，去噪后仍留有噪聲，而閾值過(guò)大時(shí)重要的有用信號(hào)特征會(huì)被濾掉，從而引起偏差。但Donoho方法所得的閾值并不隨小波尺度而變[12]，這顯然不夠合理，為克服上述缺點(diǎn)，文中采用新的閾值選取公式能隨小波尺度增加而逐步減小，即：

(4)

式中：Nj為小波尺度j的小波系數(shù)長(zhǎng)度；σj為小波尺度j層噪聲的標(biāo)準(zhǔn)方差。

噪聲成分最多的數(shù)據(jù)區(qū)間其特征信息與小波尺度j層噪聲相近，因此以該數(shù)據(jù)區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)方差作為σj的取值較為合適。

該去噪方法適用于信號(hào)中混有白噪聲的情況，估計(jì)信號(hào)至少和原始信號(hào)同樣光滑而不會(huì)產(chǎn)生附加振蕩，計(jì)算速度很快，且使有效信號(hào)得以保存。

2．2．3溫度解調(diào)及信號(hào)校正模塊

溫度解調(diào)算法基于Anti-stokes光功率曲線解調(diào)Stokes光功率曲線方案[10,12]，令pAS(T)/pS(T)=RT，pAS(T0)/pS(T0)=RT0，并在式(2)中代入h=6.63×10-34J·s，Δv=1.32×1013Hz，再轉(zhuǎn)換為攝氏溫度有：

(5)

程序中基于解調(diào)式(5)對(duì)采集的Anti-stokes和Stokes強(qiáng)度進(jìn)行逐點(diǎn)相比，得出溫度解調(diào)曲線。另外，T0和RT0的確定是由具體溫度定標(biāo)和采集到的波形分析而定。采集系統(tǒng)存在時(shí)延，大約第30個(gè)點(diǎn)才是衰減曲線的起始點(diǎn)；而受拉曼散射前端反射和后端反射的影響，斯托克斯曲線及反斯托克斯曲線從衰減起始點(diǎn)開(kāi)始的80個(gè)點(diǎn)(即前200 m)與末端部分解調(diào)的溫度也不能反映實(shí)際溫度。

3　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3．1溫度解調(diào)與顯示

按照國(guó)際上通用的分布式溫度傳感器定標(biāo)方法，定標(biāo)區(qū)設(shè)置在光纖的200 m處[10]，把前200 m放入恒溫箱作為參考光纖。在220 m光纖處取5 m長(zhǎng)光纖盤(pán)成圈置于熱水杯中，運(yùn)行程序測(cè)量得溫度分布如圖4所示。可知光纖前200 m由于前端反射不穩(wěn)定，無(wú)法反映實(shí)際溫度，波形末端由于后端反射存在也無(wú)法反映實(shí)際溫度。光纖中間部分在室溫下，溫度都在25 ℃左右，220 m附近則出現(xiàn)了明顯的突起，其峰值點(diǎn)反應(yīng)熱水的溫度，符合實(shí)際情況。

圖4　溫度測(cè)量系統(tǒng)中溫度-距離的關(guān)系

3．2系統(tǒng)精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要有空間分辨率和溫度分辨率等指標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用中主要考核其溫度精度和空間定位精度。

測(cè)試時(shí)將220 m點(diǎn)處的5 m光纖置于熱水杯中，并用溫度計(jì)測(cè)出其溫度，運(yùn)行前述程序，在溫度-距離圖上讀出測(cè)量溫度值。改變熱水溫度，重復(fù)上述過(guò)程，得出幾組溫度數(shù)據(jù)如表1所示。可以看出LabVIEW測(cè)量值和溫度計(jì)測(cè)量有一定偏差，其在定標(biāo)溫度附近偏差較小，隨著溫度的升高，絕對(duì)偏差有增大的趨勢(shì)。但由于將系統(tǒng)溫度測(cè)量過(guò)程中的噪聲經(jīng)過(guò)軟件濾噪，相對(duì)偏差控制在2%以內(nèi)，精度在實(shí)際應(yīng)用中可以接受。

表1　溫度測(cè)量精度測(cè)試數(shù)據(jù)　℃

空間定位精度可通過(guò)對(duì)比實(shí)際光纖上的兩點(diǎn)距離和LabVIEW測(cè)量的兩點(diǎn)距離得到。進(jìn)行空間定位精度測(cè)試時(shí)，分別把相距為S、長(zhǎng)度分別為d1和d2(為了保證空間分辨率，大于2.5 m)的光纖A圈和B圈放入兩個(gè)熱水杯中，如圖5所示。A圈中心和B圈中心的距離為D=S+(d1+d2)/2。

圖5　定位精度實(shí)驗(yàn)示意圖

運(yùn)行LabVIEW，輸出結(jié)果如圖6所示。圖中兩個(gè)峰值之間的距離D1，即為L(zhǎng)abVIEW測(cè)量出的A、B兩點(diǎn)之間的距離。系統(tǒng)的定位誤差為|ΔD|=|D-D1|。

圖6　LabVIEW測(cè)得的峰值距離(S=160 m)

通過(guò)改變S(系統(tǒng)空間分辨率2.5 m的整數(shù)倍)的大小，測(cè)得幾組數(shù)據(jù)如表2。由表2中數(shù)據(jù)可知：系統(tǒng)測(cè)得的定位偏差小于10 m；對(duì)于2 km的光纖長(zhǎng)度其相對(duì)誤差率小于0.5%；S越小，越容易造成LabVIEW讀數(shù)誤差(兩峰值點(diǎn)較近)；LabVIEW的最小讀數(shù)由空間分辨率決定。

表2　不同S長(zhǎng)度下定位偏差測(cè)試數(shù)據(jù)　m

4　結(jié)論

基于拉曼散射分布式光纖測(cè)溫原理，搭建了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與處理部分的硬件和軟件程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖沿線溫度的分布式測(cè)量及定位。

該系統(tǒng)的光纖長(zhǎng)度2 km，激光脈沖頻率為10 kHz，脈沖寬度20 ns，空間分辨率為2.5 m．精度測(cè)試表明，系統(tǒng)的定位偏差小于±10 m，溫度偏差±2 ℃。文中設(shè)計(jì)的基于分布式光纖光柵傳感的溫度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于應(yīng)用于電纜溫度的在線監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在電纜的溫度在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用具有重要的參考意義。

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