《中国激光》2017年第3期Highlight——

光纤传感成就世界上最聪明的大坝

一提起大坝,人们的直观反应是钢筋混凝土的笨重的庞然大物,但是,云南省的溪洛渡大坝(如图1)却凭着智能化建设协同平台这一“大脑”,指挥着埋藏在坝身内约8000个监测原件、2.4万米测温光纤和2万根水管,被称为“世界上最聪明的大坝”,其测温光纤好似大坝的“温度计”,有什么“头疼脑热”能够自动感知,创下了浇筑混凝土680万立方米未出现温度裂缝的世界纪录。


图1  溪洛渡大坝(图片来自网络)

光纤测温技术是利用光纤的温敏特性,当光纤周围任何一处地点的温度发生变化时,光纤都能很快地感应到这种变化。光纤既能对釆空区内的温度进行采集,又能将采集的信息通过自身进行传输。由于光纤传感器是以光纤作为测量温度元件的,所以只要光纤能铺设到的地方,光纤行径上的所有温度情况都能被监测,这也就实现了分布式测量,且光纤的长度可以根据实际需要进行扩展。光纤的质量比较轻,铺设容易,温度测量误差一般不大于1℃,比传统的温度传感器的性价比更高。

分布式光纤火灾预警系统利用光纤的光时域效应,可以对发生火灾发生位置进行准确定位,这是现有的釆空区火灾监测技术所不具备的。因此测温光纤也常常被用在电力电缆(如图2)、煤矿地下气化系统等领域来预防火灾的发生。


图2 测温光纤在电力电缆上的应用

分布式光纤拉曼测温技术利用光纤中的自发拉曼散射效应结合光时域反射技术实现温度测量,具有抗电磁干扰、耐高压、灵敏度高等优点。但光纤损耗及色散对测温准确度有较大的影响,现有的解调方法存在测量速度较低和使用灵活性较弱的问题。

近日,太原理工大学张明江博士课题组提出并实验证明了一种用于分布式光纤拉曼测温系统的自补偿光纤损耗及色散的温度解调方法,降低了系统运行时间,提高了系统测温准确度,且其使用灵活性较强。实验结果显示,在5.8 km的光纤传感距离上,温度波动范围从9.01 ℃下降到0.57 ℃,测温准确度从5.5 ℃优化至0.87 ℃。相关研究成果发表在《中国激光》2017年第3期上。

研究方案如图3所示,利用双段光纤散射信号强度差分法对光纤中自发产生的斯托克斯与反斯托克斯后向散射光进行损耗修正后,系统可以直接利用修正后的光强比值曲线解调温度信息,无需在测温前进行定标处理,降低了系统运行时间。然后,采用色散补偿平移算法对斯托克斯后向散射光的位置点进行修正,获得与反斯托克斯后向散射信号位置相同处的斯托克斯后向散射信号强度,降低了光纤色散的影响,进而提高了系统的测温准确度。


图3 分布式光纤拉曼测温系统

研究人员表示后续将着重放在瑞利噪声、系统相干噪声的抑制,及模极大值小波去噪的工作上,实现长距离、高精度的分布式光纤拉曼传感。

论文信息:张明江,李健,刘毅,张建忠,李云亭,黄琦,刘瑞霞,杨帅军,面向分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法,DOI: 10.3788/cjl201744.0306002。

作者课题组合影:图左三为张明江副教授。