分布式光纖測溫DTS以及ADI相關(guān)應用

作者：駿龍科技現(xiàn)場應用工程師

光纖測溫是伴隨著光纖以及光纖通信技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的應用傳感技術(shù)。目前市面上的光纖測溫主要分為兩種：

• 以光纖本體直接作為傳感器
• 在光纖上刻光柵，以光柵尺為基礎(chǔ)的傳感器，最常見的是布拉格光柵FBG

本文主要介紹分布式光纖測溫DTS以及ADI的相關(guān)應用。

分布式光纖測溫VS傳統(tǒng)測溫方式

光纖傳感器用光作為信息的載體，用光纖作為傳遞信息的媒質(zhì)。相比傳統(tǒng)測溫方式，分布式光纖測溫具有以下優(yōu)點：

• 不受電磁干擾，耐腐蝕
• 無源實時監(jiān)測，絕緣性好，防爆性好
• 體積小，重量輕，可彎曲
• 靈敏度高，使用壽命長
• 測量距離遠，維護方便

分布式光纖測溫的應用場景

電力電纜的實時在線溫度監(jiān)測

• 運行狀態(tài)監(jiān)測，有效檢測電纜在不同負載下的發(fā)熱情況，積累歷史數(shù)據(jù)
• 老化監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電纜局部過熱點

高壓架空線的增容

• 對關(guān)鍵地點架空導線的溫度監(jiān)測，提高架空線路的輸送容量

交通運輸領(lǐng)域的火情監(jiān)測預警（如隧道、地鐵、鐵路、機場）

• 當產(chǎn)生報警輸出時，強制啟動通風設(shè)備，開啟應急通道，通知醫(yī)療救援和指揮中心

堤壩等特殊場合的滲漏監(jiān)測

• 此應用中需要特質(zhì)光纖并且添加有源激勵。當?shù)虊伟l(fā)生滲漏時，水分帶走熱量，光纖周圍產(chǎn)生溫度差異，從而可以定位到滲漏的具體地點

氣體運輸管道的漏氣監(jiān)測

• Joule-Thomson效應：當氣體由高壓區(qū)向低壓區(qū)自由擴散的時候，氣體的溫度會發(fā)生一個瞬間跌降。通過絕熱氣體方程，可以大致計算該溫度的跌降數(shù)值。該溫度變化可以通過光纖測溫得到測量。

行業(yè)標準及市場情況

國家關(guān)于光纖測溫出臺的行業(yè)標準是：GB/T 21197-2007《線性光纖感溫火災探測器》，而各個行業(yè)關(guān)于分布式光纖測溫也出臺了對應的標準。

下表（表1）是電力行業(yè)標準：DL/T1573-2016《電力電纜分布式光纖測溫系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》。

表1 分布式光纖測溫的電力行業(yè)標準

市面上不同行業(yè)出臺的標準是略微差別，終端設(shè)備廠家目前設(shè)計的產(chǎn)品大多數(shù)可以涵蓋到不同的行業(yè)標準。

分布式光纖測溫的原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)DTS是基于光纖拉曼散射現(xiàn)象。激光器光源發(fā)出的光脈沖與光纖分子相互作用從而發(fā)生散射。散射光有多種類型：

• 瑞利（Rayleigh）散射
• 布里淵（Brillouin）散射
• 拉曼（Raman）散射

其中拉曼散射是與光纖分子的熱振動相關(guān)聯(lián)的，因而對溫度敏感，可以用來進行溫度測量。在拉曼散射中，頻率小于入射光頻率的光稱為斯托克光（stokes），頻率大于入射光頻率的光稱為反斯托克光（anti-stokes）；斯托克光以及反斯托克光在頻譜上的分布是對稱的，反斯托克光對溫度敏感，其強度受溫度調(diào)制，溫度越高，散射光強越高；斯托克光與溫度無關(guān)，兩者光強的比值只與散射區(qū)的溫度有關(guān)。

通常反斯托克光用作信號通道，斯托克光用作參考通道，檢測兩者的光強比值，就可以解調(diào)出溫度；同時還可以有效地消除光源的不穩(wěn)定，以及光纖傳輸過程中的耦合損耗、光纖接頭損耗、光纖彎曲損耗和光纖傳輸損耗等影響。

圖1 光纖中光的反射光譜

溫度位置的確定是基于光時域反射的OTDR技術(shù)，測量散射信號的回波時間，即可確定散射信號在光纖中的具體位置。激光脈沖在光纖中傳輸時，入射光經(jīng)過散射返回光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走的時間為2L，得出以下公式：

2L=V*t V=C/n

V為光在光纖中的速度；C為真空中光速；n為光纖折射率。

圖2 利用OTDR技術(shù)進行測溫定位

了解以上原理之后，對于分布式光纖測溫，我們會有大概的整體框架認知，如下圖（圖3）所示：

圖3 分布式光纖測溫整體框架

分布式光纖測溫終端常見技術(shù)要求

下表（表2）是分布式光纖測溫終端常見技術(shù)參數(shù)以及具體技術(shù)要求。

表2 分布式光纖測溫終端常見技術(shù)要求

分布式光纖測溫設(shè)計的常見問題解答

光纖脈沖激光器脈寬多大合適？

工程師經(jīng)常使用的光纖激光器，脈寬有的是3ns，有的是5ns，還有的是10ns甚至更大，這個值究竟是和什么有關(guān)呢？它會對信號鏈路的測量帶來哪些影響？

我們首先要明白：脈寬大，發(fā)射的功率就比較大；脈寬小，發(fā)射的功率就比較小。發(fā)射的功率大，所能測量的距離就更遠，但是發(fā)射功率不能無節(jié)制地增大，到達一定程度時會出現(xiàn)光功率的飽和（光纖放大器），無法正確測量。

脈寬小，定位精度高，信號強度變?nèi)?，溫度變化帶來的信號變化也不明顯，反應會比較遲鈍，對ADC的要求更高。所以需要從測量距離，定位精度，ADC選擇方面綜合考慮來選擇脈寬，常見的是5ns-10ns。

選擇什么樣的ADC才能滿足系統(tǒng)要求？

假如要求系統(tǒng)長度分辨率達到1m，已知光在光纖中的傳播速度200, 000, 000 m/s的情況下，根據(jù)以下公式進行計算：

Fs=V/2L（L=Vt/2）

ADC的轉(zhuǎn)換速率至少需要達到100Msps（從理論上講，如果采集信號的頻率足夠高，對時間t 的分辨足夠小，則可以測出光纖上每一點的溫度，即實現(xiàn)溫度的分布式測量）。

ADC的位數(shù)影響最終獲得的溫度和測量精度，位數(shù)大的話測量更精確，誤差更小，設(shè)備更靈敏；但同時也會帶來處理數(shù)據(jù)量的增加，成本的提高。大多數(shù)情況下，工程師會選擇ADC12位，少數(shù)會參考ADC14位。一般采集到的拉曼散射光非常微弱，為了提取有效信號，需要進行消噪處理，累加平均法是光纖測溫中常用的消噪手段，這部分可通過軟件完成。

累加法提高信噪比

在沿光纖反饋回來的信號中，除了光源的自身信號瑞利散射外，還有斯托克斯和反斯托克斯信號，二者分布在中心波長的兩側(cè)。正是這兩個拉曼分量構(gòu)成了解度溫度信息的要素。

幅度方面，瑞利信號比斯托克斯要高 2-3 個數(shù)量級，反斯托克斯信號比斯托克斯低 1 個數(shù)量級。幅度上的巨大差異，加大了從強的瑞利背景中提取喇曼分量的工作難度。

常規(guī)的提取方法是采用干涉濾光片，由于單片的濾光比參數(shù)不可能達到要求，只能是采用多片疊加的辦法，來盡量減弱瑞利信號，從而達到初步提高信噪比的目的。取樣積分累加是提高信噪比的另外一種方法，如下圖（圖4）所示：

圖4 隨著累加次數(shù)提高的噪聲效果圖

分布式光纖測溫中ADI硬件電路介紹

激光驅(qū)動部分電路以及部分ADI推薦型號

圖5 激光驅(qū)動部分電路

圖6 半導體激光器的電流-功率曲線

分布式光纖溫度測量系統(tǒng)采用半導體激光器作為其光源，其輸出光功率受驅(qū)動電流控制。半導體激光器的輸出是其驅(qū)動電流的單調(diào)函數(shù)，只要電流超過其閾值，激光器就開始處于受激輻射狀態(tài)發(fā)出激光，從上圖（圖6）可見，穩(wěn)定驅(qū)動電流即可穩(wěn)定出光功率。

APD接收部分電路以及部分ADI推薦型號

圖7 APD接收部分電路

圖8 LT3571 APD偏置

APD偏置電壓通常為45V左右，因為APD的溫度敏感性比較高，部分工程師會根據(jù)溫度的不同選擇，不同的偏置電壓作為補償。環(huán)溫檢測方面，大多數(shù)工程師采用的是NTC方案，推薦參考數(shù)字溫度芯片；不同偏置電壓可以通過數(shù)字電位計進行設(shè)置，如圖8中紅色框內(nèi)電阻位置。

信號調(diào)理部分電路以及部分ADI推薦型號

圖9 信號調(diào)理部分電路

圖10 高速信號鏈中時鐘抖動Tj對SNR的影響

ADC一般情況下內(nèi)置了高精度的基準電壓源，如果要達到更高的精度，也可以外部單獨配基準；高速ADC對時鐘輸入信號的質(zhì)量比較敏感，在輸入信號頻率為Fin情況下，時鐘抖動Tj會影響到最終的SNR：

SNR=-20log (2Π*Fin*Tj)

低抖動的時鐘源則推薦AD9510(40fs) LTC6950。

電源部分電路以及部分ADI推薦型號

電源部分主要包括以下幾個方面：APD偏置部分電源；模擬信號鏈電源；FPGA以及主控電源。

圖11 電源部分電路

總結(jié)

分布式光纖測溫相比傳統(tǒng)的測溫方式有其獨特的優(yōu)點，深入理解其原理才能在進行產(chǎn)品設(shè)計時得心應手。ADI作為模擬芯片方面的領(lǐng)導者，在DTS設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，均可為您提供一系列相關(guān)的解決方案。欲了解更多技術(shù)細節(jié)和 ADI 相關(guān)方案，請與駿龍科技當?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細的技術(shù)解答。

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