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作者：駿龍科技現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師
光纖測(cè)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(yīng)用傳感技術(shù)。目前市面上的光纖測(cè)溫主要分為兩種：
本文主要介紹分布式光纖測(cè)溫DTS以及ADI的相關(guān)應(yīng)用。
分布式光纖測(cè)溫VS傳統(tǒng)測(cè)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(cè)溫方式，分布式光纖測(cè)溫具有以下優(yōu)點(diǎn)：
- 不受電磁干擾，耐腐蝕
- 無源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(cè)量距離遠(yuǎn)，維護(hù)方便
分布式光纖測(cè)溫的應(yīng)用場(chǎng)景
電力電纜的實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測(cè)
- 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有效檢測(cè)電纜在不同負(fù)載下的發(fā)熱情況，積累歷史數(shù)據(jù)
- 老化監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)電纜局部過熱點(diǎn)
高壓架空線的增容
- 對(duì)關(guān)鍵地點(diǎn)架空導(dǎo)線的溫度監(jiān)測(cè)，提高架空線路的輸送容量
交通運(yùn)輸領(lǐng)域的火情監(jiān)測(cè)預(yù)警（如隧道、地鐵、鐵路、機(jī)場(chǎng)）
- 當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警輸出時(shí)，強(qiáng)制啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備，開啟應(yīng)急通道，通知醫(yī)療救援和指揮中心
堤壩等特殊場(chǎng)合的滲漏監(jiān)測(cè)
- 此應(yīng)用中需要特質(zhì)光纖并且添加有源激勵(lì)。當(dāng)?shù)虊伟l(fā)生滲漏時(shí)，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(diǎn)
氣體運(yùn)輸管道的漏氣監(jiān)測(cè)
- Joule-Thomson效應(yīng)：當(dāng)氣體由高壓區(qū)向低壓區(qū)自由擴(kuò)散的時(shí)候，氣體的溫度會(huì)發(fā)生一個(gè)瞬間跌降。通過絕熱氣體方程，可以大致計(jì)算該溫度的跌降數(shù)值。該溫度變化可以通過光纖測(cè)溫得到測(cè)量。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及市場(chǎng)情況
國家關(guān)于光纖測(cè)溫出臺(tái)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是：GB/T 21197-2007《線性光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器》，而各個(gè)行業(yè)關(guān)于分布式光纖測(cè)溫也出臺(tái)了對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
下表（表1）是電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：DL/T1573-2016《電力電纜分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》。
表1 分布式光纖測(cè)溫的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
市面上不同行業(yè)出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)是略微差別，終端設(shè)備廠家目前設(shè)計(jì)的產(chǎn)品大多數(shù)可以涵蓋到不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
分布式光纖測(cè)溫的原理
分布式光纖測(cè)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(dòng)相關(guān)聯(lián)的，因而對(duì)溫度敏感，可以用來進(jìn)行溫度測(cè)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(duì)稱的，反斯托克光對(duì)溫度敏感，其強(qiáng)度受溫度調(diào)制，溫度越高，散射光強(qiáng)越高；斯托克光與溫度無關(guān)，兩者光強(qiáng)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(hào)通道，斯托克光用作參考通道，檢測(cè)兩者的光強(qiáng)比值，就可以解調(diào)出溫度；同時(shí)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(shí)域反射的OTDR技術(shù)，測(cè)量散射信號(hào)的回波時(shí)間，即可確定散射信號(hào)在光纖中的具體位置。激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，入射光經(jīng)過散射返回光纖入射端所需時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走的時(shí)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(jìn)行測(cè)溫定位
了解以上原理之后，對(duì)于分布式光纖測(cè)溫，我們會(huì)有大概的整體框架認(rèn)知，如下圖（圖3）所示：
圖3 分布式光纖測(cè)溫整體框架
分布式光纖測(cè)溫終端常見技術(shù)要求
下表（表2）是分布式光纖測(cè)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(cè)溫終端常見技術(shù)要求
分布式光纖測(cè)溫設(shè)計(jì)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(gè)值究竟是和什么有關(guān)呢？它會(huì)對(duì)信號(hào)鏈路的測(cè)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(cè)量的距離就更遠(yuǎn)，但是發(fā)射功率不能無節(jié)制地增大，到達(dá)一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)光功率的飽和（光纖放大器），無法正確測(cè)量。
脈寬小，定位精度高，信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)酰瑴囟茸兓瘞淼男盘?hào)變化也不明顯，反應(yīng)會(huì)比較遲鈍，對(duì)ADC的要求更高。所以需要從測(cè)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(dá)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(jìn)行計(jì)算：
Fs=V/2L（L=Vt/2）
ADC的轉(zhuǎn)換速率至少需要達(dá)到100Msps（從理論上講，如果采集信號(hào)的頻率足夠高，對(duì)時(shí)間t 的分辨足夠小，則可以測(cè)出光纖上每一點(diǎn)的溫度，即實(shí)現(xiàn)溫度的分布式測(cè)量）。
ADC的位數(shù)影響最終獲得的溫度和測(cè)量精度，位數(shù)大的話測(cè)量更精確，誤差更小，設(shè)備更靈敏；但同時(shí)也會(huì)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(huì)選擇ADC12位，少數(shù)會(huì)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(hào)，需要進(jìn)行消噪處理，累加平均法是光纖測(cè)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(hào)中，除了光源的自身信號(hào)瑞利散射外，還有斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)，二者分布在中心波長的兩側(cè)。正是這兩個(gè)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(hào)比斯托克斯要高 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)，反斯托克斯信號(hào)比斯托克斯低 1 個(gè)數(shù)量級(jí)。幅度上的巨大差異，加大了從強(qiáng)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(dá)到要求，只能是采用多片疊加的辦法，來盡量減弱瑞利信號(hào)，從而達(dá)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
激光驅(qū)動(dòng)部分電路以及部分ADI推薦型號(hào)
圖5 激光驅(qū)動(dòng)部分電路
圖6 半導(dǎo)體激光器的電流-功率曲線
分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器作為其光源，其輸出光功率受驅(qū)動(dòng)電流控制。半導(dǎo)體激光器的輸出是其驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)
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?yàn)锳PD的溫度敏感性比較高，部分工程師會(huì)根據(jù)溫度的不同選擇，不同的偏置電壓作為補(bǔ)償。環(huán)溫檢測(cè)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(jì)進(jìn)行設(shè)置，如圖8中紅色框內(nèi)電阻位置。
信號(hào)調(diào)理部分電路以及部分ADI推薦型號(hào)
圖9 信號(hào)調(diào)理部分電路
圖10 高速信號(hào)鏈中時(shí)鐘抖動(dòng)Tj對(duì)SNR的影響
ADC一般情況下內(nèi)置了高精度的基準(zhǔn)電壓源，如果要達(dá)到更高的精度，也可以外部單獨(dú)配基準(zhǔn)；高速ADC對(duì)時(shí)鐘輸入信號(hào)的質(zhì)量比較敏感，在輸入信號(hào)頻率為Fin情況下，時(shí)鐘抖動(dòng)Tj會(huì)影響到最終的SNR：
SNR=-20log (2Π*Fin*Tj)
低抖動(dòng)的時(shí)鐘源則推薦AD9510(40fs) LTC6950。
電源部分電路以及部分ADI推薦型號(hào)
電源部分主要包括以下幾個(gè)方面：APD偏置部分電源；模擬信號(hào)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(cè)溫相比傳統(tǒng)的測(cè)溫方式有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，深入理解其原理才能在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)得心應(yīng)手。ADI作為模擬芯片方面的領(lǐng)導(dǎo)者，在DTS設(shè)計(jì)的每一個(gè)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(xì)節(jié)和 ADI 相關(guān)方案，請(qǐng)與駿龍科技當(dāng)?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(xì)的技術(shù)解答。
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