【資訊】光纖傳感成就世界上聰明的大壩

　　一提起大壩，人們的直觀反應(yīng)是鋼筋混凝土的笨重的龐然大物，但是，云南省的溪洛渡大壩(如圖1)卻憑著智能化建設(shè)協(xié)同平臺(tái)這一“大腦”，指揮著埋藏在壩身內(nèi)約8000個(gè)監(jiān)測(cè)原件、2.4萬(wàn)米測(cè)溫光纖和2萬(wàn)根水管，被稱為“聰明的大壩”，其測(cè)溫光纖好似大壩的“溫度計(jì)”，有什么“頭疼腦熱”能夠自動(dòng)感知，創(chuàng)下了澆筑混凝土680萬(wàn)立方米未出現(xiàn)溫度裂縫的紀(jì)錄。

　　圖1  溪洛渡大壩(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

　　光纖測(cè)溫技術(shù)是利用光纖的溫敏特性，當(dāng)光纖周圍任何一處地點(diǎn)的溫度發(fā)生變化時(shí)，光纖都能很快地感應(yīng)到這種變化。光纖既能對(duì)釆空區(qū)內(nèi)的溫度進(jìn)行采集，又能將采集的信息通過(guò)自身進(jìn)行傳輸。由于光纖傳感器是以光纖作為測(cè)量溫度元件的，所以只要光纖能鋪設(shè)到的地方，光纖行徑上的所有溫度情況都能被監(jiān)測(cè)，這也就實(shí)現(xiàn)了分布式測(cè)量，且光纖的長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展。光纖的質(zhì)量比較輕，鋪設(shè)容易，溫度測(cè)量誤差一般不大于1℃，比傳統(tǒng)的溫度傳感器的性價(jià)比更高。

　　分布式光纖火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)利用光纖的光時(shí)域效應(yīng)，可以對(duì)發(fā)生火災(zāi)發(fā)生位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這是現(xiàn)有的釆空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)所不具備的。因此測(cè)溫光纖也常常被用在電力電纜(如圖2)、煤礦地下氣化系統(tǒng)等領(lǐng)域來(lái)預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

　　圖2 測(cè)溫光纖在電力電纜上的應(yīng)用

　　分布式光纖拉曼測(cè)溫技術(shù)利用光纖中的自發(fā)拉曼散射效應(yīng)結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，具有抗電磁干擾、耐高壓、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但光纖損耗及色散對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確度有較大的影響，現(xiàn)有的解調(diào)方法存在測(cè)量速度較低和使用靈活性較弱的問(wèn)題。

　　近日，太原理工大學(xué)張明江博士課題組提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種用于分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)的自補(bǔ)償光纖損耗及色散的溫度解調(diào)方法，降低了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，提高了系統(tǒng)測(cè)溫準(zhǔn)確度，且其使用靈活性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在5.8 km的光纖傳感距離上，溫度波動(dòng)范圍從9.01 ℃下降到0.57 ℃，測(cè)溫準(zhǔn)確度從5.5 ℃優(yōu)化至0.87 ℃。相關(guān)研究成果發(fā)表在《中國(guó)激光》2017年第3期上。

　　圖3 分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)

　　研究方案如圖3所示，利用雙段光纖散射信號(hào)強(qiáng)度差分法對(duì)光纖中自發(fā)產(chǎn)生的斯托克斯與反斯托克斯后向散射光進(jìn)行損耗修正后，系統(tǒng)可以直接利用修正后的光強(qiáng)比值曲線解調(diào)溫度信息，無(wú)需在測(cè)溫前進(jìn)行定標(biāo)處理，降低了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。然后，采用色散補(bǔ)償平移算法對(duì)斯托克斯后向散射光的位置點(diǎn)進(jìn)行修正，獲得與反斯托克斯后向散射信號(hào)位置相同處的斯托克斯后向散射信號(hào)強(qiáng)度，降低了光纖色散的影響，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確度。

　　研究人員表示后續(xù)將著重放在瑞利噪聲、系統(tǒng)相干噪聲的抑制，及模極大值小波去噪的工作上，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高精度的分布式光纖拉曼傳感。

　　參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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