摘要：為了實時監(jiān)測高壓電力電纜溫度狀態(tài)，針對其高壓、強磁場工作環(huán)境提出基于分布式光纖傳感器的高壓電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計方案。該方案采用DSP的快速累加，并利用Stokes信號解調Anti-Stokes信號，極大提高信噪比。此外，還介紹該系統(tǒng)在電力電纜中的實例應用，闡述其在電力系統(tǒng)中的實用價值。
關鍵詞：分布式光纖；OTDR；后向拉曼散射；溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

    隨著光纖傳感技術的不斷發(fā)展，單晶光纖是目前高溫環(huán)境下最適用的光波導材料之一，其測量溫度最高2 000℃，溫度分辨率0．1℃，因而利用光纖傳感技術設計高壓電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)具有精度高、堅硬而且彎曲靈活、體積小和抗電磁干擾強等特點。高壓電力電纜網(wǎng)是呈一定空間分布的場，為了獲得被測對象較完整的信息，采用基于拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)在空間狹小、強電磁場、易燃及易爆等惡劣環(huán)境中具有良好的應用價值。

1 系統(tǒng)構成原理
    光纖的光時域反射技術(OTDR)是實現(xiàn)分布測量的基本依據(jù)。當窄帶光脈沖被注入光纖中時，通過測后向散射光強隨時間變化關系檢查光纖的連續(xù)性并測量其衰減。
    激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，產生拉曼散射。拉曼散射是由光纖中非傳播的局域密度不均勻和成分不均勻所致，這種不均勻性是在拉纖階段，二氧化硅由熔融態(tài)轉變?yōu)槟虘B(tài)的過程中形成的。激光脈沖在光纖中所走過的路程為：2L=vt。其中，t為入射光經后向散射返回到光纖入射端所需時間；v為光在光纖中的傳播速度，v=c／n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率；L為光纖某處到光纖入射端的距離。
    在t時刻測量距光纖入射端距離為L處局域的后向拉曼散射光，OTDR為分布式測量提供可靠的理論依據(jù)。
    本系統(tǒng)采用基于Raman后向散射的分布式光纖溫度傳感原理，采用雙通道雙波長比較方法，即分別采集Anti-Stokes光和Stokes光，利用兩者強度的比值解調溫度信號。由于Anti-Stokes光對溫度更靈敏，因此Anti-Stokes光作為信號通道，Stokes光作為比較通道，則兩者之間的強度比為

式中，λs，λas分別為Stokes和Anti-Stokes光波長；h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速；k是玻耳茲曼常量；△γ為偏移波數(shù)：T為絕對溫度。
可見，在測溫系統(tǒng)中通過測定R(T)就可以確定沿光纖各測量點的溫度值。

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2 系統(tǒng)構成
    分布式光纖測溫系統(tǒng)在整個測量光纖長度上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式表示被測點的溫度隨光纖長度的變化。電力電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的核心——基于拉曼分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，如圖l所示。該系統(tǒng)分為光纖溫度場信息采集、光電探測和電路信號后處理3個子系統(tǒng)。

2．1 光纖溫度場信息采集
    光纖溫度場信息采集子系統(tǒng)包括半導體激光器及其脈沖驅動電路、光功率放大器(EDFA)、光纖分束器、傳感光纖及窄帶光濾波器。激光技術中激光高速調制與大功率輸出是一對矛盾，大功率激光器窄脈沖調制困難；同時其驅動電流大，而大電流、窄脈沖的激光器驅動源設計和實現(xiàn)困難。光通信采用950 nm的高速調制半導體激光器則易于實現(xiàn)10 ns的脈沖輸出。使用光功率放大器提升光功率可獲得瓦數(shù)量級光功率輸出。采用30 dB以上功率放大倍數(shù)的低噪聲EDFA摻鉺光纖放大器。選用插入損耗小，分束比高的光纖分束器以保證最小光能量損失。為了能夠最大幅度提高整個系統(tǒng)的信噪比SNR，實現(xiàn)系統(tǒng)高技術指標要求。光發(fā)射端采用EDFA提升發(fā)射光功率和信號光功率。圖2為光源和光電轉換部分框圖。

2．2 光電探測
    采用波長為150 nm的InGaAs高量子效率的APD及噪聲的前放單元，實現(xiàn)微弱光信號的接收轉換和低噪聲預放大。主放大電路主要完成信號光經光探測器轉換為光電流形式，再經其自身帶有的低噪聲前置放大后，輸出差動形式的電平信號，進入寬帶放大電路。
2．3電路后處理
    電路后處理子系統(tǒng)包括信號采集和處理2部分。2路系統(tǒng)被測信號經前置放大后，變成O～2 V的信號分別送至模擬開關，分時選通后送入差分輸入器送至A／D轉換器，當A／D轉換器被DSP信號觸發(fā)后啟動轉換，并將轉換結果存儲在外擴的RAM中。當數(shù)據(jù)存儲到一定數(shù)量后，進行統(tǒng)計分析。提取其中有效數(shù)據(jù)進行綜合處理，最后將處理結果傳給上位機最示。圖3是A／D轉換器采集和通過DSP處理的結構框圖。

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    分布式光纖拉曼后向散射溫度傳感器的傳感信號屬于淹沒在噪聲中的時間快速變化信號，而其頻帶極寬。后向散射隨時間變化的微弱信號波形的每一點幅值與時間的關系，均代表空間各點位置的溫度變化，因此快速恢復需整個傳播與接收時間內的散射光波。分布式光纖溫度傳感器中采用時域積累平均改善信噪比并恢復波形的方法，即采用多點平均的線性累加模式經多點積累平均后。輸出信噪比為：
          
    采用數(shù)字平均法可大大提高采樣信號的信噪比，有效地從噪聲中提取微弱信號。而且，這種方法對具有專門累加指令和零開銷循環(huán)指令的DSP易于實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)實例
    分布式光纖傳感器在高壓電力電纜中的安裝法通常有表貼式和內絞合式。電纜內部的內絞合光纖能對負載的變化做出快速響應，而綁縛在電纜表面的表貼光纖由于受電纜外界環(huán)境以及電纜本身絕緣屏蔽層的影響，無法真實跟蹤負載的實時變化情況，僅能反應電纜周圍環(huán)境的溫度變化情況。
    高壓電力電纜故障多數(shù)是因為著火引起的，包括內外部火源。內部火源主要是電纜絕緣老化，引起發(fā)熱著火。外部火源是指電纜隧道或電纜夾層內其他火源及隧道外各種火源。外部火源可使電纜表層著火，產生大量的熱和煙。把到達起火前的溫度點設為閩值，超過閾值系統(tǒng)發(fā)出警報。
    分布式光纖傳感系統(tǒng)除應用于高壓電力電纜測溫外。還可監(jiān)測電力系統(tǒng)光纜。電力系統(tǒng)光纜種類繁多，加之我國地域廣闊，各地環(huán)境差異很大，所以光纜的環(huán)境復雜，其中溫度和應力是影響光纜性能的主要環(huán)境因素。因此，在監(jiān)測光纖斷點的同時也應監(jiān)測光纜所處溫度和應力情況，這對光纜的故障預警及維護具有廣泛意義。

4 結束語
    基于分布式光纖傳感技術的測量系統(tǒng)已廣泛應用于多個領域。分布式光纖溫度測量系統(tǒng)能在整條光纖的長度上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式給出被測溫度隨光纖長度方向的變化信息。將其應用于電力系統(tǒng)電纜、鐵塔等設施，實時測量其溫度、壓力等參數(shù)，并及時排險，從而盡可能減少經濟損失，為電力設備安全運行提供保障。