分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)研究進(jìn)展

肖駿

摘 要：分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種快速、可靠、穩(wěn)定的實(shí)時(shí)在線溫度測(cè)量系統(tǒng)，文章介紹了分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)的原理、基本技術(shù)、應(yīng)用范圍、研究歷史與現(xiàn)狀，同時(shí)還展望了其可能的未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：分布式溫度傳感器；拉曼散射；光纖

中圖分類號(hào)：TP212.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）06-0157-03

Abstract： Distributed Raman fiber temperature measurement system is a fast， reliable and stable real-time on-line temperature measurement system. This paper introduces the principle， basic technology， application scope， research history and present situation of distributed Raman fiber temperature measurement system. At the same time， it also looks forward to its possible future development.

Keywords： distributed temperature sensor； Raman scattering； optical fiber

引言

分布式光纖傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、電子電力、土木工程、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[1]的長距離、大范圍的傳感。其中，基于非線性光學(xué)的光纖傳感器因?yàn)槠浠诳闺姶鸥蓴_、結(jié)構(gòu)簡單的光纖而吸引了國內(nèi)外諸多研究者的注意，并且已經(jīng)取得了不小的成果。而這些非線性光纖傳感器分為瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。到目前，瑞利散射的潛力已經(jīng)挖掘殆盡，布里淵散射還受制于理論暫時(shí)難以實(shí)用化，剩下的只有基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器處于研究發(fā)展的上升階段。

本文將著重介紹分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)的基本概念、工作原理、國內(nèi)外研究狀況、應(yīng)用領(lǐng)域和未來展望。

1 分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)的基本概念

1.1 分布式光纖傳感

分布式光纖傳感技術(shù)是一種基于光纖中光的瑞利散射、干涉、拉曼散射或布里淵散射等光學(xué)效應(yīng)，利用光纖作傳感器[2]，如光纖在某一區(qū)域受到應(yīng)力、溫度變化等載荷調(diào)制時(shí)，其特性如折射率、非線性光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而加載在返回光探測(cè)器的光信號(hào)中，這些信號(hào)也帶有位置信息，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)點(diǎn)的同時(shí)監(jiān)測(cè)。包含干涉型擾動(dòng)分布傳感、相干光時(shí)域反射儀（Φ-OTDR）傳感技術(shù)、光頻域反射儀（OFDR）傳感技術(shù)、光纖拉曼傳感技術(shù)、光纖布里淵傳感技術(shù)。

其中，光纖溫度傳感器只有基于瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射這三種。而瑞利散射由于制作與使用不方便，加上其測(cè)量范圍有限，因而正在逐漸被后兩者取代；而布里淵散射雖然測(cè)量精度最高，但由于其頻移很小，只有10～20GHz且其線寬很窄（約50MHz），這對(duì)于激光器的頻率穩(wěn)定性、可調(diào)線寬、光濾波器精度、偏振控制提出了極高的要求，因此，基于布里淵散射的分布式光纖傳感還需要等待技術(shù)的進(jìn)步才能離開實(shí)驗(yàn)室。所以，現(xiàn)在研究最熱的是分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)。

1.2 拉曼散射

自發(fā)拉曼散射是于1928年由印度科學(xué)家Raman發(fā)現(xiàn)的，他發(fā)現(xiàn)散射光譜除了原有輸入光頻率ω0以外，還有其他的頻率成分ωs與ωa，ωs<ω0為斯托克斯線，ωa>ω0為反斯托克斯線[3]，如圖1所示。

激發(fā)光子與光纖分子的相互作用，分為彈性和非彈性碰撞兩種。拉曼散射屬于非彈性碰撞，基態(tài)分子吸收頻率為ωp的泵浦光光子躍遷至虛能級(jí)（因量子測(cè)不準(zhǔn)原理產(chǎn)生的實(shí)際不存在的能級(jí)），后由虛能級(jí)躍遷至分子（這里為光纖分子）振轉(zhuǎn)能級(jí)（第一激發(fā)態(tài)），發(fā)射出頻率為ωs的斯托克斯光子；而處于振轉(zhuǎn)能級(jí)的分子吸收ωp光子躍遷至另一虛能級(jí)，然后由該能級(jí)馳豫到基態(tài)，發(fā)射出頻率為ωa的反斯托克斯光子。熱平衡狀態(tài)時(shí)，處于基態(tài)的分子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振轉(zhuǎn)能級(jí)的分子數(shù)，所以斯托克斯光子數(shù)遠(yuǎn)多于反斯托克斯光子數(shù)，故斯托克斯散射光遠(yuǎn)強(qiáng)于反斯托克斯散射光。分子能級(jí)上的布居數(shù)與溫度有關(guān)[4]。

在光纖中，其組成成分像二氧化硅、二氧化鍺都有其獨(dú)特的拉曼光譜，取決于這些成分的濃度和它們?cè)诠饫w中的分布。

1.3 OTDR技術(shù)

OTDR（Optical Time Domain Reflectometer，光時(shí)域反射儀）技術(shù)是光纖傳感器最成熟的技術(shù)，最早由Barnoski和Jensen提出。過程包括發(fā)射一道光脈沖進(jìn)入光纖，爾后觀察返回的信號(hào)光，這個(gè)返回的信號(hào)光由耦合器轉(zhuǎn)接到光探測(cè)器（以雪崩光電二極管為主）。而沿光纖反方向返回的信號(hào)光-包括拉曼散射光，被散射到各個(gè)方向，導(dǎo)致只有很少一部分散射光被探測(cè)器接收。也因此，從各個(gè)位置，被探測(cè)器再次捕獲的散射光強(qiáng)度與輸入脈沖光、散射系數(shù)αs和被探測(cè)器再次捕獲因子（返回光源處的散射光占總散射光的比例）有關(guān)[5]，S由光纖的數(shù)值孔徑?jīng)Q定。因?yàn)楣庠诠饫w速度已知，信號(hào)被散射的位置可由信號(hào)到達(dá)的時(shí)間推斷出。以下等式可用于描述Pb作為距離z的函數(shù)。

其中E0=P0·？子是探測(cè)器處的能量，是功率P0乘以持續(xù)時(shí)間τ，η（z）為z方向上的反向散射因子

對(duì)于階躍型光纖，S公式為3/8（NA2/n■■）；對(duì)于漸變型光纖，3/8被替換成1/4，同樣適用于單模光纖。

2 分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)工作原理

如圖2所示，系統(tǒng)由脈沖激光器、光纖、接收器（主要是通光濾波器和雪崩光電二極管）組成。因?yàn)樗雇锌怂估⑸溥h(yuǎn)大于反斯托克斯拉曼散射，所以分布式拉曼測(cè)溫系統(tǒng)主要測(cè)量斯托克斯拉曼散射強(qiáng)度比上反斯托克斯拉曼散射強(qiáng)度，斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)度與溫度的關(guān)系式如下：

反斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)度與溫度關(guān)系式：

兩者比值Ias/Is為 ，其中？駐v為拉曼

散射頻移，基本為固定值，由此可見，比值只與溫度有關(guān)，也是解調(diào)溫度的關(guān)鍵信息。

系統(tǒng)工作時(shí)，脈沖激光器產(chǎn)生脈沖在光纖內(nèi)產(chǎn)生拉曼散射，接收器接收到散射光信號(hào)后將頻率不同的斯托克斯光和反斯托克斯光區(qū)分開，并讓其進(jìn)入不同的光路進(jìn)行處理。其他散射光和干擾光則被通光濾波器濾掉，只讓攜帶有溫度信息的斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光通過。這兩束散射光分別進(jìn)入不同的雪崩光電二極管（APD） 進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將電信號(hào)進(jìn)行放大，送入數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，各個(gè)時(shí)間位置的溫度在那里進(jìn)行處理解調(diào)（如圖3所示），最后通過 OTDR原理重構(gòu)出溫度的空間分布信息，并自動(dòng)采用表格或者圖形格式顯示，并經(jīng)過多次測(cè)量消除誤差。

3 分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

3.1 國外研究現(xiàn)狀

Barnoski 等人于1977年首先研制了OTDR系統(tǒng)，用來檢測(cè)光纖的衰減和斷裂的位置.Rogers在1980年就提出了利用向后散射光強(qiáng)來檢測(cè)溫度的想法。Hartog等人于1980年研制成功第一個(gè)分布式光纖溫度傳感器，但由于采用液芯光纖且用的是瑞利散射，這個(gè)裝置不實(shí)用[7]。

后來，拉曼散射在固體光纖的研究獲得突破，使得這套系統(tǒng)于1980年代開始被商業(yè)化，DFS-1000型號(hào)的分布式光纖溫度傳感器由日本藤倉公司在90年代初制造，2km是該系統(tǒng)的測(cè)量距離，空間分辨率達(dá)到3.5m的以及溫度分辨率為3℃。

現(xiàn)在不少研究是關(guān)于如何利用新的信號(hào)解調(diào)方式盡可能增加溫度測(cè)量與定位的精確度[8]。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

重慶大學(xué)任職的黃尚廉等人于20世紀(jì)80年代就對(duì)分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了研究，于1990年完成可行性研究，并用一年左右的時(shí)間研制出系統(tǒng)。1994年在中國計(jì)量學(xué)院光電子技術(shù)研究所任職的張?jiān)谛热顺晒ρ兄瞥龇植际嚼鼫囟葌鞲衅鞯臉訖C(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其空間分辨率小于10m，溫度分辨率達(dá)到了0.1℃[9]。

中山大學(xué)蔡志崗和李偉良等人于2002年研制出商用型光纖溫度傳感系統(tǒng)，測(cè)溫長度達(dá)到2km，2.5m為其空間分辨率，溫度分辨率最小達(dá)±1℃，此后中山大學(xué)又與各個(gè)企業(yè)合作開發(fā)出更多的商用光纖溫度傳感系統(tǒng)。

2013年，王志強(qiáng)等人利用光子晶體單模光纖設(shè)計(jì)了一款低彎曲損耗的分布式拉曼光纖溫度傳感器[10]。

此外，上海交通大學(xué)、吉林大學(xué)、長春理工大學(xué)、湖南大學(xué)等院校也對(duì)分布式拉曼溫度傳感系統(tǒng)進(jìn)行過研究。

4 分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）系統(tǒng)以光纖為傳感器以及光信號(hào)的傳輸渠道，有防燃、抗腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能在傳統(tǒng)溫度傳感器無法正常工作的惡劣條件下例如大電流、易燃易爆的環(huán)境工作。（2）大量點(diǎn)型傳感器可以被一根光纖取代，并能精確測(cè)量沿光纖走向任意點(diǎn)上的溫度信息，溫度分布式測(cè)量及溫度預(yù)報(bào)低成本、可靠性強(qiáng)、可行性高。（3）光纖柔軟、質(zhì)量輕盈，便于工程安裝，而且分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)只需一個(gè)光源和一個(gè)探測(cè)系統(tǒng)，易于安裝和維護(hù)。因此，各種探測(cè)環(huán)境開始大量運(yùn)用分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)。

4.1 火災(zāi)檢測(cè)

在隧道、傳送帶和礦井的火災(zāi)檢測(cè)中，常用到溫度傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的早期溫度探測(cè)。因?yàn)槠湮恢貌环奖闳藛T進(jìn)出，一旦發(fā)生火災(zāi)，若有人員或高價(jià)值物品滯留，損失會(huì)非常嚴(yán)重。早期的溫度傳感器為化學(xué)傳感或電傳感器，這導(dǎo)致了對(duì)溫度檢測(cè)不全面、長時(shí)間可靠性低、在有易燃易爆物質(zhì)的地方不適用、復(fù)雜電磁干擾環(huán)境難以工作等等，而分布式拉曼光纖測(cè)溫系統(tǒng)均可以在以上環(huán)境下工作，且因?yàn)槠鋫鞲衅魇羌夹g(shù)已經(jīng)很成熟的光纖，價(jià)格不會(huì)比老式傳感器更高。同時(shí)基于多參數(shù)分析，包括最大溫度、平均溫度等可以最大程度預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生的位置與大致時(shí)間。因此，可以即時(shí)啟動(dòng)保護(hù)措施并減少假警報(bào)的發(fā)生。

4.2 石油天然氣生產(chǎn)

現(xiàn)在由于分布式拉曼溫度檢測(cè)系統(tǒng)的推廣，在檢測(cè)石油天然氣生產(chǎn)時(shí)也引入了溫度檢測(cè)。相對(duì)于其他檢測(cè)方法，分布式拉曼光纖溫度傳感器只需要用外套保護(hù)其免受外界壓力損傷。比如說在蒸汽輔助重力泄油技術(shù)中，開采效率可以在引入分布式拉曼光纖溫度傳感器后得到提高，因?yàn)槠淇梢詭椭ＷC蒸汽噴射是均勻的、溫度在設(shè)計(jì)的粘稠度范圍內(nèi)，同時(shí)阻止氣竄的發(fā)生[11]。

4.3 電力設(shè)備溫度檢測(cè)

電力系統(tǒng)的溫度檢測(cè)也在分布式拉曼光纖溫度傳感器的使用范圍內(nèi)，電力系統(tǒng)有大量的設(shè)備對(duì)溫度敏感，若不注意檢測(cè)溫度，輕則造成短路等故障，重則引起火災(zāi)和爆炸。而以往的基于微電子的溫度傳感器易受到高壓電力設(shè)備的電磁干擾，且只能對(duì)局部進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，無法廣泛檢測(cè)。分布式拉曼光纖溫度傳感器克服了以上缺點(diǎn)，已經(jīng)逐步安裝在一些電線電纜、變電站和發(fā)電站中，如南京揚(yáng)子石化熱電廠、秦山核電廠等。

5 前景展望

到目前為止，所有的分布式拉曼溫度傳感使用的激光器與信號(hào)解調(diào)器體積仍然偏大[12]，且不耐振動(dòng)，因而不適于安裝在移動(dòng)的體積較小物體例如飛機(jī)上，未來可以將這些設(shè)備進(jìn)一步集成化、小型化，像光纖陀螺的集成光路。

當(dāng)前的分布式拉曼溫度傳感器主要集中在一維傳感，鮮有二維的傳感出現(xiàn)，加上由于目前石英光纖的數(shù)值孔徑與光纖韌性影響光纖的彎曲半徑，導(dǎo)致即使有二維溫度傳感也因?yàn)楣饫w分布過于稀疏而影響精度，而高精確的熱力分布在一些石油勘探、航空宇航方面至關(guān)重要，因此如何設(shè)計(jì)出集成度高、精確度足夠高的二維拉曼溫度傳感器成了研究方向。

同樣，受制于數(shù)值孔徑和光纖韌性，分布式拉曼溫度傳感器很難安裝在曲率比較?。ㄐ∮?cm）的面上，這也影響到其集成到其他材料的能力。將來的突破點(diǎn)可能是新的光纖材料，有可能是有機(jī)物。

6 結(jié)束語

隨著科技的進(jìn)步，簡單但不失精度的傳感器正在成為可能，分布式光纖傳感就是代表之一，基于非線性光學(xué)的傳感器就是熱點(diǎn)。在老舊的瑞利散射式傳感器發(fā)展?jié)摿ν诰虼M和更先進(jìn)的布里淵式傳感仍處于幼年期之時(shí)，分布式拉曼光纖溫度傳感器正在其上升之勢(shì)?？梢?，在未來一段時(shí)間內(nèi)，分布式拉曼光纖溫度傳感器仍將在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著巨大的作用。

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