摘 要: 针对采用瑞利散射和布里渊散射强度解调的分布式光纤布里渊温度传感系统中存在的系统温漂及光纤应力等噪声因素影响,提出了采用多个已知分段温度分布曲线来解调待测温度分布曲线,取其平均值作为测量值的新方法。系统实验表明,采用该解调法的分布式光纤布里渊温度传感系统能有效提高测温精度和稳定性,降低系统成本,系统的测温精度达到±0.07 K。
0 引言
分布式光纤传感器可以测量沿光纤轴向分布的每一点的被测信息,具有良好的应用前景。其通常采用一窄光脉冲在光纤中传输,并在光纤的发送端接收瑞利、布里渊和拉曼等背向散射信号,通过对散射信号强度、频率或相位等参数进行解调以获取测量信息,属于典型的光纤智能蒙皮技术。随着分布式光纤温度传感器在电力设备、土木工程、水利设施和通信光缆等领域的温度监控和定位中的广泛应用,近些年来日本、美国、加拿大和瑞典等一些发达国家对其进行了大量的理论及实验研究[1-6]。目前,基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器技术相对成熟,而布里渊散射也具有温度敏感性(其温度灵敏度为0.3%℃-1)[7],且其强度比拉曼散射信号高一个数量级,信噪比相对较高。因此,基于布里渊散射的分布式温度传感技术越来越受到关注。对于强度解调的光纤布里渊传感系统,若直接采用布里渊散射与瑞利散射强度比值来计算温度大小的传统解调方法往往不能抑制光源和探测器的温漂、光纤应力及光路中引入的噪声[6],且长时间的测量将导致测温精度越来越低,不能准确反映传感光纤的当前状态。本文在所设计的布里渊温度传感系统中,将测量温度范围分成多个正交区域,并通过传统解调方法获取待测温度曲线后,首先确定其所处温度区域,然后采用与该区域对称的数个区域的边界标定温度解调出偶数个测量温度,取其平均值作为测量值。该方法可以有效地消除上述影响,提高测量精度,不需要恒温槽定标就可以获得良好的结果,降低系统成本。实验表明测温精度可达±0.07 K。
1 传感原理及解调方法
分布式光纤布里渊温度传感器系统中,温度信号能对布里渊散射信号的频率或强度产生调制[8],通过采用OTDR(光时域反射仪)方法获得沿光纤的温度分布,其原理图如图1所示。在信号解调时,由于基于强度的解调系统光路结构简单,因此被广泛采用。研究表明,光纤自发布里渊散射信号中斯托克斯和反斯托克斯两个分量的总强度可由式(1)表示[6]:
式中,IB(l)与IR(l)分别为光纤中的自发布里渊散射与瑞利散射强度,T(l)为光纤中某点的温度,Tf为材料构型平衡温度,βT为等温压缩系数,ρ为材料密度,va为声速。其中ρ与va均为应变的函数[9]。式(1)表明,自发布里渊散射强度为温度和应变的函数,但是应变对强度的影响远远小于温度的影响[8]。当光纤所受应变均匀或为零时,则可以采用光纤的瑞利散射OTDR曲线解调布里渊散射OTDR曲线,得到沿光纤的温度分布,即
然而,在实际测量系统中,沿光纤的应力分布往往并不完全相等或为零。因此,要减小应力对温度测量的影响,可以采用预先测得的温度曲线T0(l)来解调测量温度曲线T(l),即通过式(3)来确定光纤上的温度分布:
在光纤各点没有应力突变的情况下,式(3)可以很大程度地消除光纤应力分布的影响。经光电转换和数字平均后,式(3)左端信号电平比为:
从式(5)可以看出,当从理论上认为其右端为零时能消除用式(3)解调时光源的波动、探测器差异等系统因素引起的误差。但实际上式(5)右端并不为零,因此若一直采用同一温度曲线进行解调,则随着系统的长时间工作,使得光纤中各点所受应力将有所改变,光路和电路将产生热噪声积累及系统温漂,而使e(T)以e(T0)为中心波动,且当T偏离T0越大,误差越大。
为了降低式(3)的解调误差,我们将系统的温度测量范围分成如下几个区域:
式(9)相对于式(5)来说,其解调误差降低并趋于稳定。这表明采用式(8)计算出来的温度值将比式(3)计算出来的温度值精度更高更稳定。
2 实验系统及测量结果
本文采用的分布式温度传感系统是基于光纤自发布里渊散射,其系统结构如图2所示。光源采用中心波长1 550.42 nm,线宽10 kHz,输出功率10mW的单模半导体激光器,其发射光经声光调制器(AOM)调制成脉宽为20 ns,重复频率1 kHz的光脉冲后,采用EDFA进行功率放大和滤波器滤除ASE噪声,然后由3-dB耦合器注入到5 km长的传感光纤中。从传感光纤和3-dB耦合器返回的后向散射光再经过一个10∶90的耦合器,分别将10%的信号作为瑞利散射信号,90%的光信号进入光纤光栅Sagnac环滤波器,通过调节压电陶瓷(PZT)两极的电压实现对布里渊散射信号与瑞利散射信号的分离[10]。采用高灵敏度、低噪声的光电探测器组件与宽带放大器以及100 MHz、14 bit的A/D转换器分别用作光电转换、信号放大及模数转换电路,最后通过DSP进行数据处理,并将处理结果送入计算机进行显示。
系统实验中,为了降低热噪声积累等因素对系统的影响,我们对脉冲半导体激光器和高灵敏度、低噪声光电探测器组件等器件进行了温度控制,使其工作在恒温环境下。同时,在采用式(8)解调时,需要多个定标温度曲线,因此我们首先将5 km的光纤放在恒温箱中。开机10 min后,调节恒温箱温度让其分别稳定在273 K,283 K,293 K,…,363 K,373K,并测量与标定各温度下的瑞利散射曲线和自发布里渊散射曲线。然后将光纤中部(离入射端2.5km左右处)约10 m长的部分预留在恒温箱中,调节恒温箱温度,使其稳定在298 K,318 K,338 K并分别进行测温实验,然后采用式(3)和式(8)两种方法计算测试温度值,并进行比较。
图3给出了恒温箱温度为318 K时的系统测温曲线,其中曲线1是经多次平均后的瑞利散射曲线;曲线2是多次平均后的布里渊散射曲线;曲线3是通过式(8)解调出来的沿光纤的温度分布曲线。表1~3分别列出了采用式(3)和式(8)解调出来的在恒温箱里的温度实验数据。由此可见,式(3)解调测温精度为±1.26 K,式(8)解调测温精度达到±0.07K,符合理论分析结果:
3 结论
分布式光纤布里渊传感系统是光机电和计算机一体化的测量系统,本文在实验室条件下搭建了测试系统并利用强度测量法对恒温箱里的温度进行了传感实验研究。通过采用对称的多个分段标定温度曲线解调待测温度曲线,然后取平均值的新方法,抑制了系统温漂和热噪声积累,降低了光纤中的应力影响和系统误差,提高了系统的测温精度和稳定性,使测温精度达到±0.07 K,与理论分析一致。
参考文献:
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作者简介:欧中华(1978-),男,重庆合川人,博士研究生,主要从事光电传感与信息处理研究。
