俞佳捷 喻琰 吳忠平

摘 要：?jiǎn)文９饫w主要包括布里淵散射光與入射光兩種，其中布里淵散射光的頻移量較大，受所處環(huán)境的溫度影響較大。根據(jù)這種線性溫度敏感的特性，布里淵光時(shí)域反射計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠?qū)€路中的光纜溫度狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文通過具體的實(shí)驗(yàn)研究得出，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)出線路光纜纖芯溫度的變化情況，可用于輸電線路的溫度安全監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：光纖傳感；布里淵散射；溫度監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）02-0044-03

Research on On-line Temperature Monitoring of Transmission Line Based on BOTDR Optical Fiber Sensing Technology

YU Jiajie，YU Yan，WU Zhongping

（State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Ningbo Power Supply Company，Ningbo 315010，China）

Abstract：Single mode fiber mainly includes brillouin scattering light and incident light，and brillouin scattering light has a large frequency shift，which is affected by the temperature of the environment. According to this linear temperature sensitive characteristic，brillouin optical time domain reflectometer was born，which can be used to monitor the temperature of fiber optic cables in real time. Through specific experimental research，the system can accurately reflect the temperature change of the fiber core of the line and can be used to monitor the temperature of the transmission line.

Keywords：fiber optics；Brillouin scattering；temperature detection

0 引 言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，輸電領(lǐng)域?qū)χ悄芑旊娋€路的重視程度逐漸提高，并且獲得廣泛地應(yīng)用。輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)主要通過其工作溫度來展現(xiàn)，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其的監(jiān)測(cè)和管理工作?，F(xiàn)階段，主要使用的監(jiān)測(cè)方式為在線路中的關(guān)鍵位置設(shè)置傳感器，以此來實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵位置的溫度變化情況。但是，此種方式的監(jiān)測(cè)點(diǎn)較為固定，難以對(duì)整條線路的溫度情況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。對(duì)此，本文將在布里淵光時(shí)域反射技術(shù)BOTDR的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前線路中溫度變化趨勢(shì)和分布狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

分布式光纖傳感器在實(shí)際應(yīng)用中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在它具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、較長(zhǎng)的距離、支持通信線路接入、對(duì)有光電纜通信損害小等方面?，F(xiàn)階段，已經(jīng)在以往研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，充分利用拉曼散射和布里淵散射原理，研制出適用于長(zhǎng)距離的分布式光纖傳感技術(shù)，其中拉曼散射技術(shù)與目前通信光纜的兼容性不足，檢測(cè)距離受到很大的限制，而布里淵散射系統(tǒng)的檢測(cè)較遠(yuǎn)，通常情況下會(huì)超過30km，并且能夠與當(dāng)前通信光纜相兼容。

本文通過對(duì)多種光纜的溫度波動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，獲取到眾多類型光纜溫度的變化趨勢(shì)，通過實(shí)驗(yàn)研究得出，BOTDR系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)輸電線路的溫度，對(duì)于輸電線路的溫度監(jiān)控和事故預(yù)防有一定的輔助作用。

1 工作原理

光纖材料聲速對(duì)布里淵散射光頻率和強(qiáng)度產(chǎn)生的作用較大，同時(shí)它又受自身的彈力學(xué)和聲學(xué)特性影響，當(dāng)應(yīng)力和溫度產(chǎn)生的改變對(duì)光纖造成影響時(shí)，材料中的聲波場(chǎng)速度也會(huì)隨之產(chǎn)生變化，從而對(duì)布里淵散射光的頻率和強(qiáng)度產(chǎn)生作用。

入射光與光纖折射率光柵發(fā)生作用，在多普勒效應(yīng)的影響下，布里淵散射光的頻率將會(huì)隨著入射光頻率、折射率光柵的速度發(fā)生改變。另外，還與散射角θ之間存在一定的聯(lián)系，從石英光纖方面來看，散射光主要出現(xiàn)在后向位置，即θ=π。當(dāng)入射光的頻率為VO時(shí)，布里淵散射光的頻率計(jì)算方式為VO-VB，反斯托克斯分量的頻率為VO+VB，其中VB代表的是布里淵頻移：

（1）

其中θ是散射光的散射角，VA代表的是聲波場(chǎng)速度，c代表的是光速。VA的計(jì)算方式為：

（2）

該式中，E代表的是楊氏模量，ρ代表的是光纖密度，k代表的是泊松比。由于上述三種變量和光纖折射率均與溫度T、應(yīng)變?chǔ)胖g存在一定的曲線聯(lián)系，因此可以用E（T，ε）、k（T，ε）、ρ（T，ε）、n（T，ε）代表，將其代入到公式（1）中，則νB為：

（3）

要想得出溫度與布里淵頻移之間的關(guān)系，假設(shè)應(yīng)變?chǔ)诺臄?shù)值為0，并代入到（3）中，得出二者之間的變化關(guān)系為：

（4）

假設(shè)溫度變化值不發(fā)生改變，根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)的方式，將參量E（T，ε）、k（T，ε）、ρ（T，ε）、n（T，ε）代入后得出：

（5）

該式中，T0代表的是參考溫度，數(shù)值為293K，代表溫度變化值，ET代表?xiàng)钍夏Ａ?，kT代表泊松比、ρT代表纖芯密度、nT代表光纖折射率系數(shù)。

將公式（5）代入到（4）中，展開后T的一次項(xiàng)為：

（6）

該式中：，

，

，

假設(shè)T0的數(shù)值為20℃，根據(jù)公式（6）中的各參數(shù)可知，在單模光纖中，布里淵頻移與溫度之間相變化的關(guān)系可表示為：

（7）

根據(jù)公式（7）中可知，針對(duì)單模光纖，在忽視外界干擾因素的前提下，布里淵光頻移量與溫度之間將呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。在特定的范圍內(nèi)，溫度與頻移量之間存在正比例關(guān)系。對(duì)于單模光纖來說，當(dāng)入射光波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，布里淵光的頻移量將在10.8GHz左右。由公式（7）可知，在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，光纖溫度與布里淵光譜之間的變化規(guī)律為，每1K變化1.18MHz。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為了對(duì)布里淵頻移與溫度之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，所以采用實(shí)驗(yàn)研究的方式。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。在與光纖距離將近100m時(shí)，以環(huán)狀的方式對(duì)光纖盤進(jìn)行環(huán)繞，并且在恒溫槽中進(jìn)行加熱，將光纖的起始端與該系統(tǒng)相連接，然后，提升恒溫槽中的溫度，使其從-10℃以5℃的間隔上升，直至70℃為止，并且每升高一段溫度時(shí)，在該間隔上保留10min，并且對(duì)恒溫槽中的溫度進(jìn)行記錄，由此得出光纖的布里淵頻移變化。

通過上述實(shí)驗(yàn)步驟，共得出五十組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上繪制出布里淵頻移與溫度之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。對(duì)數(shù)據(jù)中的離散點(diǎn)進(jìn)行處理后的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 布里淵頻移與溫度關(guān)系圖（離散點(diǎn)形式）

圖3 布里淵頻移與溫度關(guān)系圖（置信區(qū)間形式）

圖中，X軸表示溫度，Y軸表示10m光纖的頻移均值，由上述趨勢(shì)能夠得出系統(tǒng)設(shè)備與溫度計(jì)之間的關(guān)系與擬合結(jié)果大致相同。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠看出布里淵頻移對(duì)溫度的靈敏度系數(shù)為1.1685MHz/℃，基礎(chǔ)頻移為10.584GHz（0℃的位置），該結(jié)論與理論值大致相同。此外，頻移與光纖類型之間也存在較大的聯(lián)系，由于使用的光纖類型有所區(qū)別，加之光纖的類型相同但是可能出現(xiàn)生產(chǎn)批次不同的情況，在基礎(chǔ)頻移和靈敏度方面都具有一定的區(qū)別。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果還能夠得出布里淵頻移與溫度之間的線性關(guān)系較為顯著，并且可以通過頻移值對(duì)光纖受到溫度影響的整個(gè)過程進(jìn)行直接體現(xiàn)。由此可見，布里淵頻移值與溫度之間存在著十分密切的聯(lián)系。

2.2 實(shí)際線路溫度實(shí)驗(yàn)

在本次實(shí)驗(yàn)過程中，使用實(shí)際運(yùn)行輸電線路來完成。線路長(zhǎng)為47km，地線為OPGW，通信光纜為OPGW中光纖，并且與電纜線路兩端的變電站相關(guān)聯(lián)，將該設(shè)備放置到變電站的機(jī)房中，將被測(cè)的OPGW光纖連接到監(jiān)測(cè)設(shè)備當(dāng)中，具體如圖4所示。

BOTDR設(shè)備能夠?qū)旊娋€路中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并且及時(shí)傳入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)信息進(jìn)行處理之后輸出，并對(duì)全線路的溫度值進(jìn)行顯示。在本次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)樣本選擇為與端口相距10km到30km的一段光纖，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié) 論

上述實(shí)驗(yàn)研究表明，BOTDR系統(tǒng)能夠?qū)νㄐ殴饫|的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，這有利于保障輸電線路的安全。本文對(duì)線路中多條通信光纜進(jìn)行測(cè)試，從結(jié)果能夠看出，系統(tǒng)能夠?qū)饫|運(yùn)行環(huán)境的溫度變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是由于光纜受到多重保護(hù)，因此在傳導(dǎo)的過程中，將會(huì)損失纖芯溫度。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)按照溫度變化量和變化速率實(shí)施綜合溫度告警。

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