陳 磊，詹躍東，田慶生

(1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南昆明 650500；2.云南電力試驗研究院(集團)有限公司，云南昆明 650217；3.昆明理工大學云南電網(wǎng)公司研究生工作站，云南昆明 650217)

0 引言

輸電線路上的溫度檢測一般采用非接觸紅外線技術和溫度計直接測量的方式,而受力監(jiān)測一般采用應變傳感器測量或在電力傳輸線表面粘貼應變片的方式[1-2]。高壓傳輸線路的溫度和應變測量均是基于電學點式的測量，會受到線路的強電磁干擾，長時間處于惡劣環(huán)境下，這些電子設備的測量精度也都會劣化，此外電學點式傳感設備的在線取能也是一個非常大的問題[3-6]。因此需要研制出一種穩(wěn)定可靠無取能障礙的實時分布式溫度應變在線監(jiān)測技術。

基于布里淵光時域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，相比之前的電學式傳感系統(tǒng)，具有穩(wěn)定可靠無取能障礙等優(yōu)點，并且系統(tǒng)結構也簡單易實現(xiàn)，現(xiàn)已發(fā)展成為光纖傳感領域的主要技術。采用分布式光纖傳感技術能夠對輸電線路幾十km范圍內沿線各點的溫度分布以及沿線各處的應變分布進行實時的監(jiān)控，結合實時測量的微氣候數(shù)據(jù)，進而得到輸電線路的實際溫度分布，捕捉極端天氣條件或其他破壞電纜情況下的受力分布，及時提供準確的預警[7-8]。本文基于光時域反射計(BOTDR)技術的分布式光纖傳感技術，采用相干探測的BOTDR技術,利用窄線寬激光器作為種子光源，并在采樣布里淵增益譜的過程中提出了一種非均勻采樣方式，有效地解決了BOTDR技術方案中存在的微弱信號檢測和寬帶移頻問題。最后實驗結果表明，該系統(tǒng)的傳感范圍可以達到30 km，具有很好的穩(wěn)定性。

1 BOTDR分布式傳感系統(tǒng)的工作原理

BOTDR傳感技術原理如圖1所示，探測光脈沖注入到傳感光纖中，脈沖光在光纖中傳播時產(chǎn)生后向散射光，根據(jù)后向散射光回來的時間，確定光散射發(fā)生的位置，也即光時域反射計OTDR的原理[9-10]。根據(jù)入射光在光纖中的散射光回來的時間進行定位，其公式為

L=cΔt/(2n)

(1)

式中：c為光速，取3×108m/s；n為光纖折射率；Δt為時間間隔。

圖1 BOTDR技術原理圖

當光纖的某一段受到應變擾動時，此段光纖后向布里淵散射信號頻譜的中心頻率會偏移，幅度會變化，如果受到的是溫度擾動，后向布里淵散射信號頻譜的中心頻率也會偏移，幅度也會發(fā)生變化，但是由于溫度和應變使得中心頻率和幅度改變的系數(shù)不一樣，因此，通過測量后向布里淵信號的頻譜特性，即可同時測量出受到的溫度和應變擾動量。因此如何定位和如何解調溫度和應變信息的2個基本原理，即為BOTDR技術的基本原理[11]?；贐OTDR的分布式光纖傳感技術利用應力和溫度可以改變布里淵散射光相對于入射光的頻移這個特性，實現(xiàn)應變和溫度的傳感檢測[12]。此傳感技術具有可測量多個物理參量(如溫度、應變和線路損耗等)、空間分辨率高、傳感距離長、測量精度高等優(yōu)點。

2 基于BOTDR的分布式傳感系統(tǒng)的設計

2.1 傳感系統(tǒng)的總體結構設計

為解決BOTDR技術方案中存在的微弱信號檢測和寬帶移頻的問題，本系統(tǒng)采用基于相干探測的BOTDR技術，其結構圖如圖2所示。圖2(a)為系統(tǒng)框圖，采用2根各30 km的單模光纖分別作為溫度和應變的傳感光纖，傳感系統(tǒng)圖如圖 2(b)所示。種子光源采用的是窄線寬激光器，其線寬小于2 kHz，功率為10 mW，波長為1 550 nm。種子光源經(jīng)耦合器分成2路，下面一路光作為泵浦光注入到布里淵光纖激光器中，經(jīng)過布里淵環(huán)形腔的非線性效應，輸出頻率相對光纖激光器有一個約為10 GHz頻率下移的激光。上面一路光經(jīng)電光調制器調制成10 ns的脈沖光，光放大和濾波后，經(jīng)環(huán)行器進入到傳感光纖中。當脈沖光在傳輸時，會有瑞利散射光和布里淵散射光反射回來，反射散射光經(jīng)環(huán)行器進入到光學相干探測系統(tǒng)中，與下路的布里淵激光器輸出光進行光學相干拍頻。由于布里淵散射光與下路布里淵激光器的頻差較小，在1 GHz量級，而瑞利散射光與布里淵激光器的拍頻頻差在11 GHz附近，使用2 GHz帶寬探測器進行探測，瑞利散射光則因拍頻頻差過高無法探測而被過濾掉。通過頻譜分析之后可以解調出溫度和應變的分布。

(b)BOTDR傳感系統(tǒng)圖圖2 基于相干探測的BOTDR結構圖

(a)基于相干探測的BOTDR技術框圖

2.2 激光器和光源的選擇與設計

本系統(tǒng)采用的單模光纖對應的溫度和應變引起頻移和幅度的變化系數(shù)如表1所示。

表1 溫度和應變擾動線性系數(shù)

最終解調出的溫度和應變如式(2)和式(3)所示：

(2)

(3)

由于布里淵頻移量與應變和溫度成線性關系，針對1 550 nm的單模光纖，與應變的線性系數(shù)為Cv，ε:+0.05 MHz/με，與溫度的線性系數(shù)為Cv，T:+1.1 MHz/K，因此為了準確地測量溫度和應變，需要準確地提取出布里淵頻移量，從而要求入射種子激光光源的線寬很窄，使得頻移前后的光沒有頻譜覆蓋。考慮溫度，如果要使得測量溫度的精度達到1 ℃，那么種子光源的線寬至少要小于1 MHz。在實驗中，將采用窄線寬激光器，3 dB線寬約為2 kHz。

2.3 系統(tǒng)信號分析處理總流程

針對60 km傳感范圍，5 m空間分辨率的BOTDR系統(tǒng)，本系統(tǒng)信號分析處理流程如下：使用聲光調制器對種子光源進行強度調制得到脈沖序列，其脈寬為100 ns，重復頻率為4 kHz。之后將其脈沖序列注入到光纖中，進去之后將觸發(fā)采集卡工作，采集卡對BOTDR系統(tǒng)的光相干拍頻探測的信號進行采集，將光信號采集下來，之后將信號讀取到PC機上，按時間窗口將其信號對應起來。之后提取出其中的中心頻率和幅度，將采集到的多脈沖散射信號依次分幀進行時頻FFT分析，提取頻譜信息，累加平均處理后得到沿光纖傳感長度上頻移和幅度的分布，再根據(jù)線性關系，解調出其溫度和應變分布[11]。

3 實驗分析

3.1 分布式溫度傳感測量

如圖3所示為溫度測試實驗示意圖，在傳感光纖3 km處，拉出100 m光纖放在一個加熱器里，調節(jié)其溫度，對此處100 m的光纖施加不同的溫度擾動；在傳感光纖20 km處，拉出100 m光纖放在高溫箱中，調節(jié)其溫度，對此處100 m的光纖施加不同的溫度擾動，在傳感光纖的末端處接入隔離器，防止光纖末端的端面反射光進入到傳感信號中造成干擾誤差。

圖3 溫度測試實驗示意圖

在不施加溫度擾動的情況下，對BOTDR系統(tǒng)進行測量，得到的沿傳感光纖的頻移分布如圖4所示，圖中某些局部有較大的頻率差別，主要原因是接入的傳感光纖由多種不同批次和種類的單模光纖熔接而成，由于摻雜和結構等細微的不同，導致布里淵頻移有一些區(qū)別。對室溫下(28 ℃)的布里淵頻移作為頻移標定量，在不施加溫度擾動的情況下，進行多次測量，減去標定量作為頻移相對變化量，從而進行溫度擾動的傳感。其頻差分布圖如圖4所示，為縱坐標縮小的頻差分布圖，從圖中可以看出，在25 km的傳感范圍內，頻率重復測量的誤差約為±2 MHz。

圖4 無擾動下布里淵頻移相對標定量的頻差分布圖

對2段光纖進行溫度擾動傳感實驗，空間分辨率設置為15 m，傳感范圍為25 km，相對室溫下測得的不同溫度擾動下的頻差分布。圖5為加熱器64 ℃，高溫箱70 ℃時頻差分布，從圖中可以準確定位出此實驗受擾動的2個區(qū)域為2.950～3.950 km、22.750～22.850 km。經(jīng)實驗表明，在不同溫度擾動情況下，受擾動局部的布里淵頻移頻差會有變化，其變化的趨勢隨溫度上升呈線性變化。

記錄某一段光纖在不同溫度擾動下的布里淵頻移，得到如圖6所示的實驗結果圖，對實驗結果進行線性擬合，得到線性擬合系數(shù)為1.009 MHz/ ℃，與其他研究小組測得的線性系數(shù)基本完全一致。利用此線性系數(shù)，對溫度引起布里淵頻差分布圖進行解調，得到分布式溫度傳感結果如圖7所示，其中受到溫度擾動的2個區(qū)域如圖7所示。

(a)整體頻差分布圖

(b)局部頻差分布圖圖5 加熱器64 ℃，高溫箱70 ℃時頻差分布圖

圖6 溫度引起布里淵頻移變化的實驗結果圖

圖7 BOTDR分布式溫度測量結果圖

3.2 分布式應變傳感測量

圖8為應變測試實驗示意圖，將距離傳感光纖起始點1.8 km處的一段23 m長的光纖夾持在移動平臺上，后面還有一段20 km長的傳感光纖，將布置好的傳感光纖接入到設計的BOTDR系統(tǒng)中，進行布里淵散射頻移測量。設置總傳感范圍為3 km，空間分辨率為10 m，在室溫為17 ℃情況下進行測試，固定緊施加應變區(qū)域的一段傳感光纖，調節(jié)移動平臺一端，記錄在不同拉伸長度情況下，BOTDR系統(tǒng)布里淵頻移的分布圖如圖9所示。

圖8 應變測試實驗示意圖

記錄這一段光纖在不同應變擾動下的布里淵頻移，得到如圖10所示的實驗結果圖，對實驗結果進行線性擬合，得到線性擬合系數(shù)為0.047 MHz/με，與其他研究小組測得的線性系數(shù)基本一致。

4 結論

本文通過對光時域反射計技術的研究，采用光學相干拍頻技術，設計出一套分布式傳感系統(tǒng)，并搭建溫度和應變測試平臺，對整個傳感系統(tǒng)進行分布式溫度和應變傳感測試，在對采集的數(shù)據(jù)進行處理的過程中采用一種非均勻采樣法。最終實驗結果表明，該系統(tǒng)的傳感范圍可以達到30 km以上，空間分辨率可達到5 m以下，溫度分辨精度為±1 ℃，應變分辨精度為±20 με。本系統(tǒng)采用研制的布里淵激光器作為相干拍頻本地光，解決了BOTDR技術方案中存在的微弱信號檢測和寬帶移頻問題。該傳感系統(tǒng)無論從技術復雜程度、傳感距離、測量精度、定位性能和環(huán)境干擾等諸多方面都比現(xiàn)有傳感系統(tǒng)有提高。

(a)拉伸9 mm(應變9 mm/23 m=385 με)

(b)拉伸27 mm(應變27 mm/23 m=1 168 με)圖9 拉伸之后布里淵頻移分布圖

圖10 應變引起布里淵頻移變化的實驗結果圖