CN106257249A - 适用于隧道测温的分布式光纤测温系统以及测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于隧道测温的分布式光纤测温系统以及测温方法，系统包括：分布式光纤测温系统、传感光纤和上位机；分布式光纤测温系统包括：控制板、脉冲半导体激光器PLD、波分复用组件、定标光纤、光电检测器APD、信号放大器和采集板；传感光纤包括光纤跳线(1)和铠装多模光纤(2)。优点为：在工程中将分布式光纤温度测量系统引入隧道检测，克服了传统测量不连续、不精确、不可靠等缺点。它所进行的测量是沿光纤路径的连续测量，可获得隧道的连续监测数据，这一技术将完善隧道检测的手段，提供大量新的病害有关的参数，为隧道长期安全提供有力的保证。

Description

适用于隧道测温的分布式光纤测温系统以及测温方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种适用于隧道测温的分布式光纤测温系统以及测温方法。

背景技术

火灾是公路隧道所面临的高度危险之一。1999年，法国勃朗峰隧道、2000年奥地利萨尔茨堡州基茨施坦霍恩山隧道和2009年西安地铁隧道突发的火灾事故造成的大量人员伤亡，都给我国隧道的消防安全敲响了警钟。

发生在隧道中的火灾，多数是开放性火灾，带有浓烟，其热辐射率为数兆瓦级，在数分钟内便可形成火灾。“隧道火灾”实例的测试显示，在大约5分钟之后，车辆火灾的温度升至大约200℃。已有研究结果表明：当隧道中发生一起严重的火灾时，在最初的4分钟内，可以探测到，在火灾点上方的热空气层，温度每分钟上升大于50℃。此外，隧道通风将产生特定的影响。一般的测试都显示，在大于2m/s的纵向风时，一辆汽车或列车火焰向上飘动，顶部的温度仅达到60℃。并且，在距火灾发生地20米远的地点，顶部温度将降到50℃以下。因此，寻找适合隧道应用环境、开发能及时准确探测火灾发生并报警的系统，对隧道的安全运行十分重要。

目前所采用的隧道测温方法有如下几种：

(1)单点温度光纤传感器：这种传感器只是单点测量，只能测试一小部分区域内的温度状态，而某些特定场合，迫切需要对温度场的空间分布状态进行准确测量和实时监控。另外，对于单点测量，虽然可以采用多个点式温度传感器的阵列进行测试，但其测试过程复杂，且不经济、不准确、不可靠。

(2)复用温度光纤传感器以及温度光纤传感器阵列：此种方法主要是在传统传感器网络的基础上，结合光纤的特性而构成的准分布式温度光纤传感器系统，一般都是基于频率调制连续波FMCW(frequency modulated continuous wave)的方法，采用点传感器阵列构成传感器网络。这种传感器组成的网络和传统的传感器网络类似，往往由于分辨率、带宽或空间的原因而使传感器的数目或网络结构受到限制，所以，测量温度的精度、速度和范围也受到限制。

由此可见，现有技术中，迫切需要寻找到适合隧道应用环境、能及时准确监控到隧道内整体温度场的空间分布状态，从而保证隧道的安全运行。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种适用于隧道测温的分布式光纤测温系统以及测温方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种适用于隧道测温的分布式光纤测温系统，包括：分布式光纤测温系统、传感光纤和上位机；

所述分布式光纤测温系统包括：控制板、脉冲半导体激光器PLD、波分复用组件、定标光纤、光电检测器APD、信号放大器和采集板；所述传感光纤包括光纤跳线(1)和铠装多模光纤(2)；

其中，所述控制板的输出端连接到所述脉冲半导体激光器PLD的输入端；所述脉冲半导体激光器PLD的输出端连接到所述波分复用组件的输入端；所述波分复用组件配置有三个输出端口，分别为光脉冲输出端口、斯托克斯光输出端口和反斯托克斯光输出端口；所述光脉冲输出端口通过所述定标光纤连接到所述光纤跳线(1)的一端，所述光纤跳线(1)的另一端与布置于隧道(5)内的铠装多模光纤(2)的一端连接；所述斯托克斯光输出端口的输出光路和所述反斯托克斯光输出端口的输出光路布置所述光电检测器APD，所述光电检测器APD为双通道光电检测器，配置有斯托克斯光光电检测通道和反斯托克斯光光电检测通道；所述斯托克斯光光电检测通道的输出端和所述反斯托克斯光光电检测通道的输出端分别连接到所述信号放大器的对应输入端口，所述信号放大器的输出端连接到所述采集板的输入端，所述采集板的输出端连接到所述上位机；

其中，所述铠装多模光纤(2)在隧道(5)内的布置方式为：在所述隧道(5)的顶壁固定设置多个U型支架(3)，所述铠装多模光纤(2)依次穿过各个所述U型支架(3)布置。

优选的，还包括：开关电源；所述开关电源分别与所述控制板、所述信号放大器和所述采集板的供电接口连接；所述控制板分别与所述脉冲半导体激光器PLD、所述光电检测器APD的供电接口连接。

优选的，还包括：总控制器；所述总控制器分别与所述控制板和所述采集板连接。

优选的，所述波分复用组件为Raman 1×3波分复用组件；所述光电检测器APD为含高压驱动的光电雪崩二极管；所述光纤跳线(1)为FC-APC多模光纤跳线；所述采集板为双通道采集板；所述控制板为ATMEGA AU 1214型号单片机。

优选的，所述Raman 1×3波分复用组件由1×3双向耦合器和多光束干涉型高隔离度的光学滤光片组成。

优选的，所述采集板的输出端通过通信接口连接到所述上位机。

优选的，所述通信接口为USB通信接口、RS-232通信接口和/或网口。

本发明还提供一种的适用于隧道测温的分布式光纤测温方法，包括以下步骤：

步骤1，总控制器控制控制板和采集板同步工作，一方面，控制板控制脉冲半导体激光器PLD产生具有一定重复频率的脉冲并对所产生的脉冲进行调制，产生一系列大功率光脉冲；另一方面，总控制器向采集板提供同步脉冲，使其进入数据采集状态。

步骤2，对于脉冲半导体激光器PLD产生的光脉冲，传输到波分复用组件，光脉冲经过波分复用器的一个输出端口输出后，依次经过定标光纤、光纤跳线的传输后，最后传输到布置在隧道的铠装多模光纤，并在铠装多模光纤各点产生后向散射光，后向散射光传输到波分复用组件，通过波分复用组件的薄膜干涉滤光片，对后向散射光进行滤光，分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光；

步骤3，然后，斯托克斯光从波分复用组件的斯托克斯光输出端口输出，进入到光电检测器APD的斯托克斯光光电检测通道；反斯托克斯光从波分复用组件的反斯托克斯光输出端口输出，进入到光电检测器APD的反斯托克斯光光电检测通道；

斯托克斯光光电检测通道和反斯托克斯光光电检测通道分别将检测到的光信号进行光电转换后，得到对应的电信号，并将电信号传输到信号放大器进行放大处理，将信号放大到采集板有效的采集范围；

步骤4，此时，采集板接收来自信号放大器的电信号，并对接收到的电信号进行分析处理，得到光纤温度曲线，并等待后续光脉冲产生的散射光电信号进行累加和平均处理，最终由上位机通过编译软件进行温度解调和显示。

本发明提供的适用于隧道测温的分布式光纤测温系统以及测温方法具有以下优点：

提出了用分布式光纤温度传感器监测隧道安全状况，在工程中将分布式光纤温度测量系统引入隧道检测，克服了传统测量不连续、不精确、不可靠等缺点。它所进行的测量是沿光纤路径的连续测量，可获得隧道的连续监测数据，这一技术将完善隧道检测的手段，提供大量新的病害有关的参数，为隧道长期安全提供有力的保证。

附图说明

图1为本发明提供的适用于隧道测温的分布式光纤测温系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为克服传统测量技术存在的相关缺陷，本发明将分布式光纤测温系统应用在隧道温度的监测中，提出了采用分布式光纤温度传感器实时监测隧道安全状况，在工程中将分布式光纤测温系统引入隧道温度检测，其所进行的测量是沿光纤路径的连续测量，可获得隧道的连续监测数据，这一技术完善了隧道检测的手段，提供大量新的病害有关的参数，为保证隧道的安全提供有力的保证。另外，采用光纤分布式测温，还具有隧道测温连续、精确以及可靠性高等优点。

本发明思路基础为：基于拉曼散射的分布式光纤测温技术是近十几年来迅速发展的新型测温技术，由于光纤测温具有测距、可复用、非破坏性报警、报警温度可调、传感器输出为光信号、抗电磁干扰等优点，因而可适用于隧道这种复杂环境等恶劣环境下的温度测量。分布式光纤温度传感器利用光纤作为温度信息的传感和传输介质，光纤设在整个温度场中，可以测量整条光纤沿线的温度分布情况，随着光纤的增长，测量点数的增加，单位信息的获取成本大大降低，这是分布式光纤温度传感器相对于其它温度传感器的显著优点。在数据采集和处理方面，通过改善分布式光纤温度传感器的信号处理方式来提高整个系统的测温精度和空间定位精度，在数据处理方面的改进能够使分布式光纤测温系统实现真正的分布式测量，完成准确测量、实时测量，从而真正发挥其巨大的实际运用作用。

结合图1，本发明提供一种适用于隧道测温的分布式光纤测温系统，提出了用分布式光纤温度传感器监测隧道安全状况，在工程中将分布式光纤温度测量系统引入隧道检测，其所进行的测量是沿光纤路径的连续测量，可获得隧道纵横截面的连续监测数据，这一技术将完善隧道检测的手段，提供大量新的病害有关的参数，为保证隧道长期、连续、安全运行提供有力的保证。

具体的，适用于隧道测温的分布式光纤测温系统包括：分布式光纤测温系统、传感光纤和上位机；

分布式光纤测温系统包括：控制板、脉冲半导体激光器PLD、波分复用组件、定标光纤、光电检测器APD、信号放大器和采集板；传感光纤包括光纤跳线1和铠装多模光纤2；

其中，控制板的输出端连接到脉冲半导体激光器PLD的输入端；脉冲半导体激光器PLD的输出端连接到波分复用组件的输入端；波分复用组件配置有三个输出端口，分别为光脉冲输出端口、斯托克斯光输出端口和反斯托克斯光输出端口；光脉冲输出端口通过定标光纤连接到光纤跳线1的一端，光纤跳线1的另一端与布置于隧道5内的铠装多模光纤2的一端连接；斯托克斯光输出端口的输出光路和反斯托克斯光输出端口的输出光路布置光电检测器APD，光电检测器APD为双通道光电检测器，配置有斯托克斯光光电检测通道和反斯托克斯光光电检测通道；斯托克斯光光电检测通道的输出端和反斯托克斯光光电检测通道的输出端分别连接到信号放大器的对应输入端口，信号放大器的输出端连接到采集板的输入端，采集板的输出端连接到上位机；

其中，铠装多模光纤2在隧道5内的布置方式为：在隧道5的顶壁固定设置多个U型支架3，铠装多模光纤2依次穿过各个U型支架3布置。参考图1，4代表隧道中心，铠装多模光纤布置于隧道顶部的U型支架中，可用于满足隧道中防鼠咬、防潮湿等要求，延长铠装多模光纤的使用寿命以及使用可靠性。

上述适用于隧道测温的分布式光纤测温系统的测温原理为：

步骤1，总控制器控制控制板和采集板同步工作，一方面，控制板控制脉冲半导体激光器PLD产生具有一定重复频率的脉冲并对所产生的脉冲进行调制，产生一系列大功率光脉冲；另一方面，总控制器向采集板提供同步脉冲，使其进入数据采集状态。

步骤2，对于脉冲半导体激光器PLD产生的光脉冲，传输到波分复用组件，分复用组件采用Raman 1×3波分复用组件，由1×3双向耦合器和多光束干涉型高隔离度的光学滤光片组成，因此，光脉冲经过波分复用器的一个输出端口输出后，依次经过定标光纤、光纤跳线的传输后，最后传输到布置在隧道的铠装多模光纤，并在铠装多模光纤各点产生后向散射光，后向散射光传输到波分复用组件，通过波分复用组件的薄膜干涉滤光片，对后向散射光进行滤光，分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光；

步骤3，然后，斯托克斯光从波分复用组件的斯托克斯光输出端口输出，进入到光电检测器APD的斯托克斯光光电检测通道；反斯托克斯光从波分复用组件的反斯托克斯光输出端口输出，进入到光电检测器APD的反斯托克斯光光电检测通道；

斯托克斯光光电检测通道和反斯托克斯光光电检测通道分别将检测到的光信号进行光电转换后，得到对应的电信号，并将电信号传输到信号放大器进行放大处理，将信号放大到采集板有效的采集范围；

步骤4，此时，采集板接收来自信号放大器的电信号，并对接收到的电信号进行分析处理，得到光纤温度曲线，并等待后续光脉冲产生的散射光电信号进行累加和平均处理，最终由上位机通过编译软件进行温度解调和显示。

在上述过程中，测温原理为：分布式光纤测温系统依据光纤的光时域反射(OTDR)原理以及光纤的后向拉曼散射光(ram an scattering)温度效应，当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，光脉冲会沿着光纤向前传播。因光纤内壁类似镜面，故光脉冲在传播中每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反。这种后向反射光的强度与光纤中反射点的温度有一定的关系。反射点的温度(光纤所处的环境温度)越高，反射光的强度也越大。也就是说，后向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象，若能测量出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度。分布式测温系统的温度解调公式为：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{hcv}ln\frac{R\left(T\right)}{R\left(T_0\right)}$

式中，T为绝对温度，T₀为标定温度，K为玻尔兹曼常量，h为普朗克常量。

在上述结构中，还包括：开关电源；开关电源分别与控制板、信号放大器和采集板的供电接口连接；控制板分别与脉冲半导体激光器PLD、光电检测器APD的供电接口连接。也就是说，开关电源分别向控制板、信号放大器和采集板供电；而控制板分别向脉冲半导体激光器PLD和光电检测器APD供电。

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明，但实施例不是对本发明的限定。

1、具体参数为：

1、分布式光纤测温系统的光源有稳定的单模工作模式以及纳秒及级的脉冲输出，还具有高峰值功率。

2、光纤跳线使用FC-APC多模光纤跳线。

4、采用双通道采集、采集距离为60km、累计次数最高达到3600万次的采集板。

5、选用ATMEGA AU 1214型号单片机作为控制板。

6、APD基于内光电效应工作，具有内部增益和放大功能，工作于反向偏置电压下，达到雪崩倍增状态，放大光信号。

7、测温系统与上位机之间为USB通信方式或RS-232通信方式以及网口通讯方式。

8、选用多模光纤作为测温光纤，可以传播多个模式光信号。

9、隧道布设多模光纤通过光纤跳线连接到分布式光纤测温系统，使用光纤跳线为FC-APC多模光纤跳线。

10、光电检测器APD和采用含高压驱动的光电雪崩二极管。

本发明提供的适用于隧道测温的分布式光纤测温系统以及测温方法，具有以下优点：

(1)提出了用分布式光纤温度传感器监测隧道安全状况，在工程中将分布式光纤温度测量系统引入隧道检测，克服了传统测量不连续、不精确、不可靠等缺点。它所进行的测量是沿光纤路径的连续测量，可获得隧道纵横截面的连续监测数据，这一技术将完善隧道检测的手段，提供大量新的病害有关的参数，为隧道长期安全提供有力的保证。

(2)分布式光纤温度传感器利用光纤作为温度信息的传感和传输介质，光纤设在整个温度场中，可以测量整条光纤沿线的温度分布情况，随着光纤的增长，测量点数的增加，单位信息的获取成本大大降低。

(3)隧道上光纤的铺设方法与铺设路径直接关系到检测质量，是需要仔细研究的内容，必须针对隧道工程结构的具体特点，设计与之相适应的布设方案，这一技术是提取的隧道温度状态有效性的保证。

(4)本发明是对隧道健康的一种新的评价方法，通过分布式光纤温度传感器对隧道进行温度测量后，必须根据所获得的数据隧道进行评估。本发明将遵循隧道测量的标准和要求，掌握隧道温度随时间的变化情况。依托于已运营或在建的公路隧道工程从事研发，从分布式光纤传感网络的综合检测能力出发，来完成对隧道工程结构进行检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于隧道测温的分布式光纤测温系统，其特征在于，包括：分布式光纤测温系统、传感光纤和上位机；

所述分布式光纤测温系统包括：控制板、脉冲半导体激光器PLD、波分复用组件、定标光纤、光电检测器APD、信号放大器和采集板；所述传感光纤包括光纤跳线(1)和铠装多模光纤(2)；

其中，所述控制板的输出端连接到所述脉冲半导体激光器PLD的输入端；所述脉冲半导体激光器PLD的输出端连接到所述波分复用组件的输入端；所述波分复用组件配置有三个输出端口，分别为光脉冲输出端口、斯托克斯光输出端口和反斯托克斯光输出端口；所述光脉冲输出端口通过所述定标光纤连接到所述光纤跳线(1)的一端，所述光纤跳线(1)的另一端与布置于隧道(5)内的铠装多模光纤(2)的一端连接；所述斯托克斯光输出端口的输出光路和所述反斯托克斯光输出端口的输出光路布置所述光电检测器APD，所述光电检测器APD为双通道光电检测器，配置有斯托克斯光光电检测通道和反斯托克斯光光电检测通道；所述斯托克斯光光电检测通道的输出端和所述反斯托克斯光光电检测通道的输出端分别连接到所述信号放大器的对应输入端口，所述信号放大器的输出端连接到所述采集板的输入端，所述采集板的输出端连接到所述上位机；

其中，所述铠装多模光纤(2)在隧道(5)内的布置方式为：在所述隧道(5)的顶壁固定设置多个U型支架(3)，所述铠装多模光纤(2)依次穿过各个所述U型支架(3)布置。

2.根据权利要求1所述的适用于隧道测温的分布式光纤测温系统，其特征在于，还包括：开关电源；所述开关电源分别与所述控制板、所述信号放大器和所述采集板的供电接口连接；所述控制板分别与所述脉冲半导体激光器PLD、所述光电检测器APD的供电接口连接。

3.根据权利要求1所述的适用于隧道测温的分布式光纤测温系统，其特征在于，还包括：总控制器；所述总控制器分别与所述控制板和所述采集板连接。

4.根据权利要求1所述的适用于隧道测温的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述波分复用组件为Raman 1×3波分复用组件；所述光电检测器APD为含高压驱动的光电雪崩二极管；所述光纤跳线(1)为FC-APC多模光纤跳线；所述采集板为双通道采集板；所述控制板为ATMEGA AU 1214型号单片机。

5.根据权利要求4所述的适用于隧道测温的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述Raman 1×3波分复用组件由1×3双向耦合器和多光束干涉型高隔离度的光学滤光片组成。

6.根据权利要求1所述的适用于隧道测温的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述采集板的输出端通过通信接口连接到所述上位机。

7.根据权利要求6所述的适用于隧道测温的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述通信接口为USB通信接口、RS-232通信接口和/或网口。

8.一种的适用于隧道测温的分布式光纤测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，总控制器控制控制板和采集板同步工作，一方面，控制板控制脉冲半导体激光器PLD产生具有一定重复频率的脉冲并对所产生的脉冲进行调制，产生一系列大功率光脉冲；另一方面，总控制器向采集板提供同步脉冲，使其进入数据采集状态。

步骤2，对于脉冲半导体激光器PLD产生的光脉冲，传输到波分复用组件，光脉冲经过波分复用器的一个输出端口输出后，依次经过定标光纤、光纤跳线的传输后，最后传输到布置在隧道的铠装多模光纤，并在铠装多模光纤各点产生后向散射光，后向散射光传输到波分复用组件，通过波分复用组件的薄膜干涉滤光片，对后向散射光进行滤光，分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光；

步骤3，然后，斯托克斯光从波分复用组件的斯托克斯光输出端口输出，进入到光电检测器APD的斯托克斯光光电检测通道；反斯托克斯光从波分复用组件的反斯托克斯光输出端口输出，进入到光电检测器APD的反斯托克斯光光电检测通道；

斯托克斯光光电检测通道和反斯托克斯光光电检测通道分别将检测到的光信号进行光电转换后，得到对应的电信号，并将电信号传输到信号放大器进行放大处理，将信号放大到采集板有效的采集范围；

步骤4，此时，采集板接收来自信号放大器的电信号，并对接收到的电信号进行分析处理，得到光纤温度曲线，并等待后续光脉冲产生的散射光电信号进行累加和平均处理，最终由上位机通过编译软件进行温度解调和显示。