周畅
汉口学院机电工程学院 湖北省 武汉市 430212
摘要：近些年来光纤以它独特的优良性质在许多领域绽放光彩，其中在光分析领域以及传感系统中发挥着重要的作用，分布式光纤传感系统是一种利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质的传感系统。本文研究分布式光纤的测量在交通隧道中对温度反应、对温度异常点的定位、以及对待异常情况的及时报警应用。
关键词：分布式光纤；测温技术；火灾；安全应用
1.分布式光纤国内外研究现状
在国内目前市场上的光纤测温的方式主要有两种：基于Raman散射的光纤测温和基于光纤光栅的光纤测温。基于Raman散射的光纤测温系统与基于光纤光栅的测温系统相比有很大的区别，其一是测量距离方面前者可测量最大距离为30KM，但是后者则适用于短距离的测量，在系统设计方面前者硬件系统大，系统造价较高、软件处理算法复杂，但是后者硬件系统则可大可小，既可点式测量也可分布式测量，成本亦是可高可低，应用也比较灵活。
目前我国的分布式光纤测温技术已达到世界领先水平，从最初的短距离固定点的精准测量到如今在长距离、高精度、快反应的方向发展；伴随着保偏光纤制作水平的发展以及测温测量理论的深入研究，基于偏振模耦合原理的分布式光纤测温技术在未来将是一个大的发展方向。
在国外许多隧道交通技术先进的国家，比如德国、日本等关于分布式光纤测温技术与国内相比来说要早许多年，随着时间的推移，科学技术的进步，拉曼散射及布里渊散射也逐渐进入深入的研究，在2000年10月，通过采用自发布里渊散射和锁模布里渊环形光纤激光器等技术，英国科学家V.Lecceuche实现了测量距离20km、空间分辨率为7m的测量成功。在2017年，凭借光速光接收机及集成相干接收机出名的美国Luna Innovations公司通过OFDR技术做到了空间分辨率可达到毫米级、测量距离在2km左右的研究成果，用于进行故障的测量，对温度、压力的相关分布式的测量。
2.分布式光纤测温系统发展趋势
随着科学技术及各行各业的迅速发展，分布式光纤测温系统已经变得越来越成熟，在测量的空间范围以及随时监测性都上升到新的高度。独特的探测技术被迅速的运用到相对应的行业，它可以将传感光纤沿场排布，在交通隧道方面温度的测量、火灾的报警；大型变压器、发电机的温度的测量与故障的诊断；供热系统管道、输油管道的温度测量；煤矿的开采等等。其具有的优越性在领域中绽放光彩，带来的经济效益也很可观，因此在各个方面的都受重视度。
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3.分布式光纤测温技术原理
3.1光纤的传输原理
1880年，威廉•惠勒(WilliamWheeler)提出“管道照明”的设想，并获得美国专利，这是有案可查的最早的“遥控照明”装置，其基本原理是：用内壁涂有反射层的管子把中心光源的光像自来水一样引至若干个需要照明的地点,这实际上是光纤光纤照明系统，在这个系统中，所传输的介质是光，而用以传输光的“管道”就是光纤，光纤可以把光线从光源处传输至需要照明的特定区域。
3.2分布式光纤温度系统工作原理
分布式光纤温度系统可长时间的对隧道中光纤的每个点进行测量。当一束较强的激光信号进入光纤后，光纤分子会对激光信号产生相互作用，改变其直线轨迹，产生散射。形式的散射可分为瑞利、拉曼、和布里渊散射。其中反斯托克斯（Anti-Stokes）是由于光纤分子的热振动，产生比光源波长短的光；斯托克斯（Stokes）拉曼散射则是产生比光源波长长的光。光纤受到外部温度的改变时，光纤中的反斯托克斯散射对温度的敏感程度大于斯托克斯拉曼散射，可以利用这一原理比较Anti-Stokes与Stokes的提供的温度的绝对指示，从而实现对沿光纤温度场的分布式测量。将采集到的具有高品质脉冲光源与高速信号相结合，利用图像处理器就能得到在光纤上所有点的温度的准确值，因此达到温度监控的目的。
3.3分布式光纤定位系统工作原理
在定位的过程中需要用到的技术为光时域反射技术（OTDR），此项技术主要是用于检查光缆总长度、熔接损耗、光纤的故障点定位以及损耗的程度。
3.4分布式光纤温度系统结构
经过中心的同步控制模板的触发，激光器发射出光，经过光脉冲调至器的调制，形成了具有一定宽度以及重复频率的脉冲光，然后经过光耦合器，光耦合器的另一端连接传感光纤和恒温槽。经过激光器发射的光一部分在光纤中向前传播另一部分自发产生拉曼散射光波。拉曼散射光波经过分光器，受所在光纤散射点的温度影响而产生不同的光波，然后经过光电放大器，可以测出光纤散射点温度的不同。然后，由传输速度与时间的物理关系，以及光纤传播的性质，能够得出某个具体点的温度信息（OTDR）。
在采集信号和处理数据时，由于信号强度不明显，需要将高频信号采集技术与微弱信号处理技术相结合，经过光学滤波、光电转换、放大、模数转换后，将放大的信号送入处理器，解调出光纤各测温点的温度值；之后利用计算机的分析系统对收集的数据进行处理，可以得到各个测量的温度点的动态值及其变化趋势，当出现温度超过系统预设的报警临界值时，触发系统报警装置发出警报信息从而通知监控人员。另外，通过计算机网络可以实现远程数据共享。
4.交通隧道火灾的主要原因分析
4.1隧道火灾的原因
纵观国内外近几年隧道的事故，我们不难总结出火灾的原因主要是以下4方面：
（1）车辆因自身故障，比如漏油、电路短路等引发的火灾；
（2）车与车，以及车与隧道相撞发生交通事故，从而导致火灾；
（3）车辆上的载有易燃、易爆的货物引起火灾的发生；
（4）隧道内自身设备的故障引起火灾的发生。
4.2隧道采用分布式光纤技术的案例展示
辽宁达能电气股份有限公司的分布式光纤测温产品成功的在沈阳东窑220KV隧道应用，实时检测电缆的运行温度，能分别针对不同环境下的温度进行监测，能尽早发现事故隐患，将损失减至最低，同时提供大量在线监测数据，为运维人员全面了解电电缆的使用情况提供可靠依据。
5.分布式光纤测温系统应用成果
将分布式光纤测温技术应用到交通隧道上，可以做到利用更少的隧道管理人员，但是对隧道全程温度更全面的监控。分布式光纤测温系统为了和交通隧道中的报警系统实现联合工作，可以根据要求进行分区监测，将各个区域内的信息传给火灾报警系统，同时分布式光纤测温系统还可以根据对应情况设定报警对应温度，一旦监测温度超过报警温度,就可以马上报警。
参考文献
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[5]陈海涛.光纤通信技术及应用.电子工业出版社.2012.
论文作者:周畅
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/15
标签：光纤论文; 测温论文; 分布式论文; 温度论文; 系统论文; 测量论文; 隧道论文; 《防护工程》2018年第30期论文;