矿用光纤测温系统设计及应用技术研究

张宝鹏 丁江明 贺清渊 申 会

（1.陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林 719300；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

随着半导体激光器及光电探测器产品飞速发展，分布式光纤测温技术成熟度越来越高，已经具备了实现长期稳定温度检测的能力。通过大量的应用案例可以看出，分布式光纤测温技术在复杂环境下具备检测能力，为其在煤矿安全领域的应用奠定了良好基础。中煤科工集团重庆研究院有限公司在胶带输送机火灾监控方面进行了研究[1]。山东省科学院激光所、安徽理工大学在采空区火灾监控方面应用进行了研究[2]。中国矿大、辽宁工程技术大学在矿用电缆火灾监测方面进行了研究，牛静[2]采用仿真手段对矿用光纤复合电缆的温度场进行了系统研究。大量的研究成果表明，分布式光纤测温技术在温度监测煤矿安全领域有良好的应用前景。

该文设计了基于拉曼散射原理的光纤测温系统，重点阐述了系统多项软、硬件设计方法，研究了矿用光纤测温系统涉及的多项应用技术，相关研究成果将为光纤测温技术在煤矿应用的系统设计提供指导。

1 光纤测温基本原理

拉曼于1928 年3 月提出了Roman 散射现象，这一发现为光纤测温技术奠定了理论基础[3]。光纤中的拉曼散射由光纤中二氧化硅分子产生。根据拉曼散射原理，当外部射入的与跃迁能级匹配的光子作用在二氧化硅分子上时，分子将发生能级跃迁，大部分的二氧化硅分子处于基态，吸收光子能量跃迁至激发态，导致出射光子波长变长的称为斯托克斯散射光，斯托克斯光对温度不敏感，可以作为参考通道使用。少量的二氧化硅分子处于激发态，释放部分能量至光子，导致出射光子波长变短称为反斯托克斯散射光，反斯托克斯光对温度敏感，可以作为测量通道对光纤温度进行实时检测。

根据拉曼散射原理可知，光纤中二氧化硅分子的温度的F（T）如公式（1）所示。

式中：Ks、Kas为斯托克斯光、反斯托克斯光的散射系数，与光纤孔径有统计学意义；vs、vas为斯托克斯光、反斯托克斯光的散射光频率，与跃迁能级有统计学意义；∆γ为拉曼频移波数；h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；T为待测位置处的温度；αs、αas为斯托克斯光、反斯托克斯光的光纤传输损耗系数；L为温度检测点与光源的距离。

光时域反射（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）的测量定位技术最先由Barnoski 等人发现并于20 世纪70年代得到应用。温度检测点的距离信息L通过光时域反射原理计算，光在光纤中的传输如公式（2）所示。

式中：C为真空光速；n为光纤的折射率；t为光传输时间。

由于光电接收单元与光源处于光纤同侧，接收后向散射光信号，因此光在光纤中的传输距离是温度检测点与光源距离的2 倍。

2 光纤测温系统的组成和硬件模块参数设计

该文设计的基于拉曼散射的光纤测温系统主要硬件功能模块包括激光器、波分复用器、光电转换器以及信号采集器等，系统基本构成如图1 所示。

图1 光纤测温系统构成示意图

该文设计的系统使用纳秒脉冲激光器作为激光光源，以产生激光脉冲，从而激发光纤拉曼散射现象。中心工作波长、脉冲宽度以及脉冲峰值功率是纳秒脉冲激光器的关键参数。

从公式（1）可以看出，温度分辨率与反斯托克斯光和斯托克斯光频率比值的四次方成正比，当中心工作波长增加时，温度分辨率随之提高。该文设计的系统中选择波长较长的1 550 nm波段作为纳秒脉冲激光器的中心工作波长，有助于提高系统温度分辨率、降低光纤损耗以及提高系统的测温性能。

空间分辨率描述了在光纤中实现准确温度测量需要的最短光纤长度。脉冲宽度越窄，同一时间点返回光电探测器的信号光纤段越短，空间分辨率越高，煤矿火灾监控对光纤测温空间分辨率需求较高，空间分辨率对脉冲宽度δ的要求如公式（3）所示。

式中：δ为脉冲宽度；n为激光脉冲宽度；c为光纤中的光速。

该文设计的系统的脉冲宽度为4 ns，对应的空间分辨率极限为0.6 m。

脉冲峰值功率影响拉曼散射斯托克斯光及反斯托克斯光的功率，提高脉冲峰值功率有助于提高反斯托克斯光信噪比，从而提高温度监测的准确性。该文设计的系统中选择峰值功率为30 W。

WDM 波分复用器在系统中主要实现瑞利散射光、斯托克斯光及反斯托克斯光的分离。该文设计的系统选择1 550 nm 中心工作波长，其对应的光纤中的斯托克斯光及反斯托克斯光的波长分辨为1 660 nm 和1 451 nm，因此采用的WDM 工作波长分别为1 451 nm、1 550 nm 和1 660 nm，且插入损耗小于0.5 dB。

APD 雪崩光电二极管是微弱光电信号转换的核心器件，与雪崩效应有统计学意义的参数主要有偏置电压和放大倍数，选择较低的偏置电压下具有较大放大倍数的APD也是提高光电检测灵敏度的有效手段。该文设计的系统使用的APD 光电转换效率达（1.25×107） V/W。

高速数据采集卡的作用是采集经过APD 放大后的电信号，系统的空间采样间隔应小于或等于空间分辨率，这样光缆任意位置的温度变化都将被系统监测。该文设计的系统使用高速数据采集卡，采样率为500 MHz。

3 温度解析方法

在该文设计的系统中，F（T）由拉曼后向散射的光强值I（T）表征，其与温度T的定量关系采用参比的方法获得，具体的方法如下：1） 在光纤测温系统中设置已知温度的检测点，其温度设为T0。2） 已知温度T0光信号检测点的拉曼后向散射光强I（T0）。3） 光纤中待测位置处的温度为T，其拉曼后向散射光强为I（T）。4） 光纤中待测位置处的温度T如公式（4）所示。

式中：K为玻尔兹曼常数；∆γ为拉曼频移波数；h为普朗克常数。

在常温状态下，使用该文设计的系统对实验室裸纤进行温度测试，测试数据如图2 所示。数据表明，该系统常温下的温度测量噪声小于±1 ℃。

图2 常温下温度噪声的测试

4 温度标定方法

该文设计的系统将对现场测温光缆的温度进行整体标定并转换为对特定测点的参数标定，再通过插值获得区间的标定参数，上述标定方法具体实施过程包括以下4 个步骤：1） 在光缆起始端及末端各选定一段标定光缆，分别设为S1和S2，标定光缆的长度应大于空间分辨率的2 倍。2） 在常温情况下，使用温度计对2 段标定光缆进行现场温度测量，测量温度分别设为X1和X2，读取光纤测温系统温度读数，读取温度分别设为X′1和X′2。3） 在高温情况下（通常为报警点温度），使用温度计对2 段标定光缆进行现场温度测量，测量温度分别设为X3和X4，读取光纤测温系统温度读数，读取温度分别设为X′3和X′4。4） 分别计算起始端及末端标定光缆的零点，分别设为a1和a2（求解方程如公式（5）所示），线性参数分别设为b1和b2（求解方程如公式（6）所示）。5） 以始端及末端标定光缆的零点及线性参数为已知点，对测温光缆其他测点进行线性差值，获得整段光缆的标定参数（求解方程如公式（7）所示）。

式中：an为任意点的零点；Sn为任意点的距离；bn为任意点的线性参数。

该文设计的系统连接实验室裸纤，测试光纤在起始端34 m 和末端9 451 m 处进行温度标定，再选择测试光缆中部2 041 m 和6566 m 进行温度测试（如图3 所示），数据表明该系统的温度测量误差小于±2 ℃。

图3 80 ℃条件下温度误差的测试

5 温度预警算法

温度预警的目的是在温度到达报警阈值之前感知现场温度异常事件。该文设计的系统综合应用上述3 种报警方式，以一定的权重进行加权处理，当多种温度特征同时出现时，实现危险程度的累加，在单一报警阈值未触发的情况下，提前发出预警信息。

设绝对温度报警的阈值为W1，相对温度报警的阈值为W2，温度变化报警的阈值为W3。

当前温度对应的3 种报警方式的解析值分别为M1、M2和M3，3 种报警方式的权重分别为c1、c2和c3，那么预警解析值M如公式（8）所示。

当预警解析值大于100%时，达到预警条件。

6 结语

该文从光纤测温基本原理入手，阐述了主要硬件功能模块的设计原则，研究了温度解析方法、测温光缆的温度标定方法以及温度预警方法等内容，有助于提高系统信噪比和现场使用的数据可靠性，推动光纤测温技术煤矿应用的发展。

随着煤矿自动化程度提高，智慧矿山、无人矿山建设工作不断推进，胶带运输机等机电火灾事故、采空区火灾以及高压电缆火灾监测亟需全面覆盖检测准确的技术手段。利用光纤测温技术对火灾事故进行监测预警，施工简便，检测精度高，长期运行可靠性高，是较理想的事故监控数据来源。