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1、分布式光纤拉曼散射测温技术的进展 张在宣 刘红林 王剑锋 金永洙 张在宣先生，中国计量学院光电子技术研究所所长、教授；刘红林先生，上海理 工大学信息学院博士研究生；王剑锋先生，中国计量学院讲师；金永洙先生，韩 国电气技术研究院光技术研究中心研究员。 关键词：光纤光学 光时域反射技术 分布式光纤测温技术 拉曼散射 分布式光纤拉曼散射温度传感器系统(Distributed Optical Fiber Raman Temperature Sensor, DOFRTS)，是一种实时、在线、多点光纤温度测量系统，一 种用于实时测量空间温度场的高新技术，已成为工业过程控制中的一种新的检测 方法与技术。在系
2、统中光纤既是传输媒体又是传感媒体，利用光纤背向拉曼散射 的温度效应， 光纤所处空间各点温度场调制了光纤中背向拉曼散射的强度(反斯托 克斯背向拉曼散射光的强度)， 经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背 向拉曼散射光电信号，再经信号处理、解调后将温度信息实时地从噪声中提取出 来并进行显示，从这一方面看，它是种典型的光纤温度通信网络；在时域里， 利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔，利用光纤的光时域反射 (Optical Time Domain Reflection, OTDR)技术对所测温度点定位，从这一方面看， 它是一种典型的光纤激光温度雷达系统。 一一 分布光纤拉曼散射测温技
3、术的原理与系统构成分布光纤拉曼散射测温技术的原理与系统构成 1. 光纤光时域反射(OTDR)原理 当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产 生瑞利散射，在时域里，入射光经背向散射返回到光纤入射端所需时间为 t，激 光脉冲在光纤中所走过的路程为 2L， 2L=V t， V 为光在光纤中传播速度， V=nC， C 为真空中的光速，n 为光纤折射率。在 t 时刻测量到的是离光纤入射端距离为 L 处局域的背向瑞利散射光。用光时域反射技术，可确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置，对温度测量点进行定位，因此也可称为光纤激光雷达。 2. 分布光纤拉曼散射测温原理 激光脉冲在光纤
4、中传输时，由于激光和光纤分子的相互作用，会产生 3 种散 射光：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，如图 1 所示。其中瑞利散射对温度不 敏感，而拉曼散射和布里渊散射都对温度敏感，因此拉曼散射和布里渊散射都可 用来测量温度。 由于布里渊散射和瑞利散射在频谱上靠得非常近， 比较难以分开， 同时布里渊散射受应力等其他因素的影响也比较大，所以用来测温难度比较大。 目前技术上比较成熟的还是分布光纤拉曼散射温度传感器。 本文只讨论基于拉曼散射的分布光纤传感器。 拉曼散射包括两种：斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。它们在频谱 图上的分布大致是对称的。这两者对温度都敏感。只不过反斯托克斯拉曼散射对 温度的敏
5、感系数比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散 射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。而斯托克斯拉曼散射通常被用作参 考通道，用来消除应力等其他因素的影响。瑞利散射对温度不敏感，因此也有将 瑞利散射作为参考通道的。 3. 分布光纤拉曼散射测温系统的构成 以 30km 分布光纤传感器系统为例，如图 2 所示：可分为主机、信号采集和 处理部分以及传感光纤 3 部分。主机部分由光源、光纤波分复用系统以及光电接 收和放大模块构成。 (1)光源模块采用脉冲激光器。 (2)光纤波分复用系统：由 13 双向光纤耦合器(BDC)和滤波器(多光束干涉 型高隔离度光学滤光片)组成。 (3)光电接
6、收、放大模块：由带尾纤和前置放大器的光雪崩二极管(APD)以及 高增益、宽带、低噪声的放大器组成。 信号采集和处理部分可以分为硬件和软件两部分，其中硬件由数据采集累加 卡和计算机构成；软件由数据采集累加卡控制和数据采集程序、保存和管理数据 的数据库管理系统、数据处理和显示软件共 3 部分构成。 分布光纤温度传感器的工作过程可简单表述为：脉冲激光器发出一定宽度的激光脉冲；激光脉冲被耦合进带有 13 双向耦合器的光纤，13 双向耦合器的 一路为激光脉冲沿测温光纤向前传播的通道，另外两路分别为反斯托克斯拉曼信 号通道和参考信号通道的的回波通道；背向散射光的经滤波器分离出带有温度信 息的反斯托克斯拉曼
7、背向散射光和参考信号背向散射光，这两个通道的背向散射 光经各自的 APD 进行光电转换后再由各自通道的放大器对信号放大；信号采集 累加卡采集放大后的电信号并进行累加平均，然后传送到计算机中存储在数据库 中。数据处理和显示软件则对采集到的数据进行处理，最后得到温度的空间分布 并以图形或表格形式显示出来。 二二 分布光纤拉曼散射测温技术的进展分布光纤拉曼散射测温技术的进展 1. 国内外 DOFRTS 系统的研究现状 对于采用光纤反斯托克斯拉曼背向散射温度效应和 OTDR 原理的 DOFRTS 系统，从测量光纤长度来分有短程、中程、远程 3 种类型，技术特性如表 1，2， 3。 2. 国内外几种主要
8、机型 图 3、图 4 给出了国内外几种主要机型的外形图。 三三 应用应用 分布光纤温度传感系统中的检测光纤不带电、抗射频和电磁干优，防燃、防 爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射，能在有害环境中安全运行是实 用的“本安”型传感器。分布式光纤传感器系统在 20 世纪 80 年代中期出现，十 多年来，技术日趋成熟，国内外研制了产品并开始应用于煤矿、隧道的温度报警、 火灾防治；油库、油轮、危险品仓库、冷库、大型货轮、军火库等温度报警；各 种大、中型变压器、发电机组的温度分布测量，热保护和故障诊断；地下和架空 高压电力电缆的热检测与监控；火力发电所的配管温度、供热系统的管道、输油 管道的热点检测
9、；化工原料、照相材料及油料生产过程在线动态检测；高层建筑、 智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测；航空、航天飞行器的在线动态检测，已成为光纤传感技术和检测技术的发展趋势，因其独有的特点已成为工业过程控 制中的一种新的检测方法与技术。分布式光纤测温系统的应用如图 5 所示。 分布光纤温度传感器系统可显示温度的传播方向、速度和受热面积，可将报 警区域的平面结构图和光缆布线图预先输入计算机，可自动或手动显示温度报警 区域或故障区域并实时显示。 四四 展望展望 (1)分布式光纤测温系统新原理的探索分布式光纤测温系统新原理的探索 目前分布光纤测温系统主要工作原理是采用光纤的拉曼散射和布里渊散射， 分布
10、式光纤拉曼测温系统和分布式光纤布里渊散射测温系统已有产品，但从电力 工业应用、消防安全检测角度来看，空间分辨力远远满足不了应用需要，近年来 随着光纤光栅技术日趋成熟，采用光纤光栅器件作为温度传感器组成准分布式的 光纤测温系统，但受到光源等技术的限制，一次嵌入的测温用的光纤光栅数不能 太多。 因此探索新的分布光纤测温原理引人关注。 (2)根据应用需要，大力开展现有分布光纤测温系统性能提高的工作根据应用需要，大力开展现有分布光纤测温系统性能提高的工作 特别是近年来半导体激光器技术、 光纤激光器技术、 短脉冲激光与检测技术、 光纤波分复用技术和计算机及信号处理技木均有明显进步，将有助于提高现有分 布光纤测温系统的空间分辨力、测温精确度和缩短测量时间。 （全文完） 来源： 世界仪表与自动化 出版日期：2005 年 1 月
