CN116202649A - 一种分布式光纤测温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤测温系统及方法，属于电力技术领域。该系统包括Raman散射光功率采集器、工控机、电流传感器、多模传感光缆和被测电缆；其中Raman散射光功率采集器由光路部分和信号采集处理部分组成；其中光路部分由激光器和WDM组成；所述激光器是系统的能源点，产生固定中心波长、频率和脉宽的激光脉冲，WDM有3个光路，第一路是入射光路端口，第二路是com光路端口，第三路是采集光路端口。利用反斯托克斯和斯托克斯散射光双路信号解调温度，然后通过补偿光纤损耗消除了其对测试温度的影响，从而提高了长距离光纤测温的准确性。

Description

一种分布式光纤测温系统及方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及一种分布式光纤测温系统及方法。

背景技术

目前，电缆导体温度的监测是通过监测电缆外皮温度来实现的。能实现对电缆表皮温度在线准的确测量主要有光纤测温和热电偶测温。对于传统的热电偶测温的原理是利用热电偶的阻值对温度的敏感度来进行温度信号与电信号的转换。电偶测温技术成熟，结构简单，造价低廉，但是热电偶不但易受电缆的电磁干扰、易发生爆炸，而且只能装在电缆重要部位进行点式测温，而无法实现对电缆温度的分布式测量。光纤测温，主要是利用温度对光纤中光的特征参数的影响来解调获得温度信息。由于光纤成本低，易敷设，测量精度高，不受电磁干扰，传输距离长等优点，光纤测温备受关注。基于光纤技术，光纤光栅测温和分布式光纤测温运用非常普遍，对于长达数公里的电缆线路分布式光纤测温要比单点测量的光纤光栅测温更加适合，那么对于电缆温度的在线监测，分布式光纤测温技术成为了首选。

现阶段，对电缆的安全运行监测，主要是监测电缆导体的运行温度，而对于高压下的电力电缆，目前对运行电缆导体的温度直接监测在技术上很难实现，故通过分布式光纤温度系统对电缆外皮温度的实时监测，来监测电缆的运行状态。在国内，许多学者提出了利用实时监测到的电缆外皮沿线温度，推导电缆导体实时分布温度的方法。例如基于电路与热路的对偶关系，通过节点电压法求解电缆暂态热路得出电缆外皮温度与电缆导体温度的关系模型。还有利用实验数据优化所建立的单芯电缆温度场非线性有限元模型，并通过实验验证模型。设稳态温度初始值，利用暂态热路模型对实时导体温度进行计算。利用离散化处理法求解电缆暂态热路，得出电缆导体实时温度的方法。但是，光纤的损耗较高，利用分布式光纤测温会使测温精度较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分布式光纤测温系统及方法。通过理论分析确定了拉曼散射光中的损耗分量。对常温下的测试数据进行拟合建模，分离出损耗分量并对其进行补偿，消除了损耗对测试温度的影响，提高了长距离光纤测温的准确性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种分布式光纤测温系统，该系统包括Raman散射光功率采集器、工控机、电流传感器、多模传感光缆和被测电缆；

其中Raman散射光功率采集器由光路部分和信号采集处理部分组成；

其中光路部分由激光器和波分复用器WDM组成；

所述激光器是系统的能源点，产生固定中心波长、频率和脉宽的激光脉冲，WDM有3个光路，第一路是入射光路端口，第二路是com光路端口，第三路是采集光路端口；

所述WDM的入射光路端口连接激光器，com光路端口连接传感多模光纤，测温传感光纤沿电缆线均匀敷设，采用扎丝绳将测温传感光纤绑扎固定在电缆表面，使测温光纤紧密均匀分布于电网电缆，当激光脉冲耦合进入传感光纤，传感光纤发生后向Raman散射，产生携带电缆表面温度信息的anti-stokes光和stokes光，通过WDM由com光路端口输入，采集光路端口输出，并输入信号采集处理部分，信号采集处理部分由双通道信号采集处理卡和光电探测器组成；其中光电探测器由光电雪崩二极管和放大器组成，光电探测器中光电雪崩二极管将anti-stokes光和stokes光由温度光信号转为温度电信号，并通过放大器对温度电信号进行放大；双通道信号采集处理卡和激光器会进行同步控制，即当激光源发出光脉冲的同时，双通道信号采集处理卡会进行温度电信号的采集，将采集到的信号通过传输线传到工控机中；同时，电流传感器采集电力电缆当时的负荷，并将采集的负荷信号也传到工控机中。

可选的，所述激光器的大小与自发Raman散射光强度成反比，工作波长为1550nm。

基于所述系统的分布式光纤测温方法，该方法包括以下步骤：

S1：激光器产生脉冲信号，温度功率控制电路使输出功率保持稳定，并使经过光纤放大后的光信号在不同温度下保持稳定；

S2：光学隔离模块隔离后向反射光，减少对激光器的干扰；采集模块通过光电探测电路把反斯托克斯和斯托克斯散射光转为电信号；

S3：利用采样电路对电信号进行采集，完成累加平均处理；

S4：数据送入到中央处理器，完成对温度的解调。

可选的，传感光纤发生后向拉曼反射，光子与光纤中的微观粒子发生碰撞导致光子能量发生变化，产生反斯托克斯散射光；它的功率表示为：

斯托克斯光功率表示为：

式中，P₀为入射光功率，P_as为反斯托克斯光功率，P_s为斯托克斯光功率，K_as和K_s反斯托克和斯托克斯散射系数，λ_as和λ_s为反斯托克斯和斯托克斯波长，h为普朗克常量，k为玻尔兹曼常数，Δv为拉曼偏移，T为环境温度，a₀(L)、a_as(L)和a_s(L)分别为入射光、反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤钟的损耗分量，L为光纤长度；

当L₀处参考光纤温度为T₀时，

需测量温度T_a的表达式为：

a_as(L₀)和a_s(L₀)为反斯托克斯信号和斯托克斯信号在光纤中的损耗分量；

同时取对数得：

F(L)＝ln(R_T)-[a_as(L)-a_s(L)]

设定

f(L)＝a_as(L)-a_s(L)

可选的，所述R_T与光纤长度无光，通过以下步骤求得损耗补偿：

S11：对携带损耗信息的比值曲线取对数；

S12：对取对数后的数据进行拟合，得到拟合函数F(L)；

S13：去掉拟合函数的常数项并取反，得到f(L)；

S14：求得损耗补偿后的比值数据。

本发明的有益效果在于：利用反斯托克斯和斯托克斯散射光双路信号解调温度，然后通过补偿光纤损耗消除了其对测试温度的影响，从而提高了长距离光纤测温的准确性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明原理图；

图2为光电探测器原理图；

图3为本发明系统总体结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，激光器产生脉冲信号，温度功率控制电路使输出功率保持稳定，并使经过光纤放大后的光信号在不同温度下保持稳定。

光学隔离模块隔离后向反射光，减少对激光器的干扰。

采集模块通过光电探测电路把反斯托克斯和斯托克斯散射光转为电信号。

利用采样电路对电信号进行采集，完成累加平均处理。

数据送入到中央处理器，完成对温度的解调。

分布式光纤测温系统的温度解调方法

在拉曼散射中，光子与光纤中的微观粒子发生碰撞导致光子能量发生变化，产生反斯托克斯散射光。它的功率可以表示为：

斯托克斯光功率可以表示为：

式中，P₀为入射光功率，P_as为反斯托克斯光功率，P_s为斯托克斯光功率，K_as和K_s反斯托克和斯托克斯散射系数，λ_as和λ_s为反斯托克斯和斯托克斯波长，h为普朗克常量，k为玻尔兹曼常数，Δv为拉曼偏移，T为环境温度，a₀(L)、a_as(L)和a_s(L)分别为入射光、反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤钟的损耗分量，L为光纤长度。

当L₀处参考光纤温度为T₀时，

需测量温度T_a的表达式为：

a_as(L₀)和a_s(L₀)为反斯托克斯信号和斯托克斯信号在光纤中的损耗分量。

温度与距离相关，但是关于温度的表达式中不仅包含了温度信息，还包含了损耗信息，但是在计算温度时无需损耗信息，故需要对损耗进行补偿。

同时取对数可得：

F(L)＝ln(R_T)-[a_as(L)-a_s(L)]

可得：

f(L)＝a_as(L)-a_s(L)

/>

R_T与光纤长度无光，可以通过以下步骤求得损耗补偿：

1.对携带损耗信息的比值曲线取对数

2.对取对数后的数据进行拟合，得到拟合函数F(L)

3.去掉拟合函数的常数项并取反，得到f(L)

4.求得损耗补偿后的比值数据

系统的结构设计

电缆分布式光纤测温系统主要由Raman散射光功率采集器、工控机(工控机和显示器)、电流传感器、多模传感光缆和被测电缆组成。其中Raman散射光功率采集器由光路部分和信号采集处理部分组成。其中光路部分由激光器，WDM组成,激光器是系统的能源点，产生固定中心波长、频率和脉宽的激光脉冲，WDM有3个光路，一路是入射光路端口(耦合1550nm波长的光脉冲)，一路是com光路端口(耦合1550nm，1450nm和1663nm波长的光脉冲)，另一路采集光路端口(耦合1450nm和1663nm波长的光脉冲，即是需要采集的anti-stokes光和stokes光)。WDM的入射光路端口连接激光器，com光路端口连接传感多模光纤，测温传感光纤沿电缆线均匀敷设，采用扎丝绳将测温传感光纤绑扎固定在电缆表面，使测温光纤紧密均匀分布于电网电缆，当激光脉冲耦合进入传感光纤，传感光纤发生后向Raman散射，产生携带电缆表面温度信息的anti-stokes光和stokes光，通过WDM由com光路端口输入，采集光路端口输出，并输入信号采集处理部分，其部分主要由双通道信号采集处理卡和光电探测器组成。其中光电探测器由光电雪崩二极管和放大器组成，光电探测器中光电雪崩二极管将anti-stokes光和stokes光由温度光信号转为温度电信号，并通过放大器对温度电信号进行放大。双通道信号采集处理卡和激光器会进行同步控制，即当激光源发出光脉冲的同时，双通道信号采集处理卡会进行温度电信号的采集，将采集到的信号通过传输线传到工控机中。同时，电流传感器也会采集电力电缆当时的负荷，并将采集的负荷信号也传到工控机中。

系统的主要器件参数

激光器

激光器作为光信号的源头，在系统中是至关重要。激光器大致需要选取合适的激光脉冲中心波长，中心波长作为激光器的重要参数，它的大小与自发Raman散射光强度成反比，但是并不能无限的降低激光器的中心波长，以增强的白发Raman散射光的强度，因为中心波长越小，光脉冲在光纤中的衰减越大，系统采集的光信号的信噪比越差，从而增加了后续光电探测的难度，对于中心波长为1550nm的激光，不仅在光纤的传输衰减较小，而且自发Raman散射光强度较强，故激光器的工作波长选择为1550nm。

光电探测器

如图2所示，光电探测器由光电雪崩二极管和放大器组成，anti-stokes光和stokes光进入光电探测器通过光电雪崩二极管由温度光信号转为温度电信号，并通过放大器对温度电信号进行放大。电缆分布式光纤温度传感系统中的需要检测的anti-stokes和stokes散射光比较微弱，具有高灵敏度，低噪声等特点的APD雪崩光电二极管成为了系统中光电探测器光电转化器件的首选。由于散射光信号经过APD雪崩光电二极管发生光信号与电信号的转化后，电信号仍然比较小，故要使用放大器对温度电信号进行放大。光电探测器性能的好坏与其对光信号进行光电转化后，电信号的信噪比有关，故光电探测器的电雪崩二极管和放大器，要选择低噪声、高增益等特点的器件。

多模传感光纤

在传感系统中，传感光纤起到了温度信号的传输与探测两种功能，即既传输激光脉冲，又发生Raman散射传输温度信号光，实现对温度信息的分布式测量。传感光纤有单模光纤和多模光纤两种，对于单模光纤直径较小，光纤中的模式数量单一,故光信号传输的衰减较少，适于长距离传输，但是易发生受激Raman散射，影响分布式光纤系统的温度监测。多模光纤虽然传输较多，传输衰减也大，但是不容易产生受激Raman散射等非线性效应，对系统测温影响较小，故在电缆分布式光纤测温系统中，选择多模传感光纤作为测温光纤。

图3为本发明系统总体结构图。分布式光纤测温系统王安田微光器、波分复用器光电探测器和感温光纤组成，激光器通过WDM将激光脉冲耦合注入传感光纤中，在光纤中传输的激光脉冲会发生Raman散射，产生斯托克斯(stokes)散射光和反斯托克斯(anti-stokes)散射光，其中anti-stokes光对发生Raman散射点的温度较为敏感。利用WDM和光电探测器对反射回来的温度信号光波经波分复.用、光电转换、放大后，将光信号转化成电信号，并利用温度解调方法将温度信号实时计算显示出来，其中利用散射光返回时间和光信号的传输速度来确定温度的位置信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种分布式光纤测温系统，其特征在于：该系统包括Raman散射光功率采集器、工控机、电流传感器、多模传感光缆和被测电缆；

其中Raman散射光功率采集器由光路部分和信号采集处理部分组成；

其中光路部分由激光器和波分复用器WDM组成；

所述激光器是系统的能源点，产生固定中心波长、频率和脉宽的激光脉冲，WDM有3个光路，第一路是入射光路端口，第二路是com光路端口，第三路是采集光路端口；

所述WDM的入射光路端口连接激光器，com光路端口连接传感多模光纤，测温传感光纤沿电缆线均匀敷设，采用扎丝绳将测温传感光纤绑扎固定在电缆表面，使测温光纤紧密均匀分布于电网电缆，当激光脉冲耦合进入传感光纤，传感光纤发生后向Raman散射，产生携带电缆表面温度信息的anti-stokes光和stokes光，通过WDM由com光路端口输入，采集光路端口输出，并输入信号采集处理部分，信号采集处理部分由双通道信号采集处理卡和光电探测器组成；其中光电探测器由光电雪崩二极管和放大器组成，光电探测器中光电雪崩二极管将anti-stokes光和stokes光由温度光信号转为温度电信号，并通过放大器对温度电信号进行放大；双通道信号采集处理卡和激光器会进行同步控制，即当激光源发出光脉冲的同时，双通道信号采集处理卡会进行温度电信号的采集，将采集到的信号通过传输线传到工控机中；同时，电流传感器采集电力电缆当时的负荷，并将采集的负荷信号也传到工控机中。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于：所述激光器的大小与自发Raman散射光强度成反比，工作波长为1550nm。

3.基于权利要求1或2所述系统的分布式光纤测温方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：激光器产生脉冲信号，温度功率控制电路使输出功率保持稳定，并使经过光纤放大后的光信号在不同温度下保持稳定；

S2：光学隔离模块隔离后向反射光，减少对激光器的干扰；采集模块通过光电探测电路把反斯托克斯和斯托克斯散射光转为电信号；

S3：利用采样电路对电信号进行采集，完成累加平均处理；

S4：数据送入到中央处理器，完成对温度的解调。

4.根据权利要求3所述的分布式光纤测温方法，其特征在于：传感光纤发生后向拉曼反射，光子与光纤中的微观粒子发生碰撞导致光子能量发生变化，产生反斯托克斯散射光；它的功率表示为：

斯托克斯光功率表示为：

式中，P₀为入射光功率，P_as为反斯托克斯光功率，P_s为斯托克斯光功率，K_as和K_s反斯托克和斯托克斯散射系数，λ_as和λ_s为反斯托克斯和斯托克斯波长，h为普朗克常量，k为玻尔兹曼常数，Δv为拉曼偏移，T为环境温度，a₀(L)、a_as(L)和a_s(L)分别为入射光、反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤钟的损耗分量，L为光纤长度；

当L₀处参考光纤温度为T₀时，

需测量温度T_a的表达式为：

a_as(L₀)和a_s(L₀)为反斯托克斯信号和斯托克斯信号在光纤中的损耗分量；

同时取对数得：

F(L)＝ln(R_T)-[a_as(L)-a_s(L)]

设定

f(L)＝a_as(L)-a_s(L)

5.根据权利要求4所述的分布式光纤测温方法，其特征在于：所述R_T与光纤长度无光，通过以下步骤求得损耗补偿：

S11：对携带损耗信息的比值曲线取对数；

S12：对取对数后的数据进行拟合，得到拟合函数F(L)；

S13：去掉拟合函数的常数项并取反，得到f(L)；

S14：求得损耗补偿后的比值数据。

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