用于火災預警的分布式光纖溫度傳感器

劉溫彥

（鄭州大學 河南省鄭州市 450001）

1 引言

分布式光纖溫度傳感（DTS））技術是二十世紀八十年代提出的一種新型測溫技術。它的溫度測量機理是光纖的瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。其中，基于瑞利散射的測量精度低、響應范圍小、傳感距離短，應用范圍非常受限[1]。布里淵散射可同時進行應力和溫度的傳感測量，但是測量所用激光光源、溫度解調(diào)算法昂貴、復雜，要想普及非常困難。相比之下，拉曼散射DTS 系統(tǒng)構成簡單，成本中等，因而研究的種類最多、更容易實現(xiàn)商業(yè)化，逐漸成為溫度傳感領域的研究熱點。

上世紀八十年代初，英國的J.P. Dakin 課題組首先利用后向拉曼散射光的溫敏效應提出了分布式測溫的理論模型[2]，并以此理論為基礎研制出光纖長度100m、測溫范圍77K-800K 的DTS 系統(tǒng)[3]。同時，英國南安普頓大學改變泵浦光源，利用物美價廉的半導體激光器實現(xiàn)了1000m 光纖的測溫傳感器實用系統(tǒng)[4]。此后，很多公司都相繼推出了DTS 系統(tǒng)，并且不斷改善溫度測量范圍、空間分辨率、溫度分辨率以及測量時間。與此同時，科研人員也在為系統(tǒng)性能的提高及系統(tǒng)對各種不同應用場合的適用性進行更深入的研究[5-8]。

中國對于DTS 的研究始于上世紀 90年代初，一經(jīng)開始，科學研究和實用性的發(fā)展都非常迅速。DTS 測溫樣機首先由重慶大學研制成功[9]，此后，中國計量學院[10]、浙江大學[11]、華中理工大學[12]、北京理工大學[13]、北京航空航天大學[14]等高校都在相關領域相繼開展了多項研究。

由于拉曼散射的DTS 是基于反斯托克斯散射光的溫敏特性，利用斯托克斯和反斯托克斯的光強比值進行溫度解調(diào)的，隨著光纖長度的增加，因為二者波長不同損耗有所差別對溫度測量帶來的影響不能忽略甚至很大[15]。有研究人員采用光纖雙端入射法[16-17]來修正兩種散射衰減不同產(chǎn)生的誤差，這種方法的不好之處是傳感距離縮短至單端入射法的一半。雙光源法，可以有效地解決因為二者損耗不同產(chǎn)生的溫度解調(diào)曲線扭曲問題[18]，并且溫度測量精度更高，但是需要兩種高穩(wěn)定性的激光光源，極大地提高了系統(tǒng)的成本。文獻[19]利用光纖末端增加反射鏡的傳感系統(tǒng)解決了同樣的問題，但是增加了信號測量（依賴反射鏡的反射率）和后期信號處理（反射光中成分復雜）的難度。

針對Raman 散射分布式光纖溫度傳感器中存在的問題，鄭州大學課題組提出了一種基于拉曼散射的折疊光纖結(jié)構溫度測量裝置[20]，并提出利用單一的反斯托克斯散射光進行溫度解調(diào)的算法[21]。不但大大簡化了實驗裝置的結(jié)構復雜性，而且消除了由斯托克斯、反斯托克斯散射光波長差別引起的損耗偏差。

圖1：散射光分布

圖2：系統(tǒng)原理圖，APD 雪崩光電二極管

2 最新研究成果

光波在光纖中傳輸，與光纖分子或者光學聲子發(fā)生彈性或非彈性碰撞，會產(chǎn)生多種類型的散射，根據(jù)散射原理分為三種類型：Rayleigh 散射（與入射激光波長相同）、Brillouin 散射（與入射激光有小的頻移）和Raman 散射，如圖1 所示。Raman 散射又分為長波長的斯托克斯散射和短波長的反斯托克斯散射，其中反斯托克斯散射光強與光纖所在環(huán)境溫度場有關，本系統(tǒng)通過探測反斯托克斯光強給出溫度場分布。

系統(tǒng)如圖2 所示。脈沖激光光源經(jīng)過光環(huán)形器進入折疊結(jié)構傳感光纖（光纖總長度為2L），光纖后向散射光經(jīng)Raman 濾波器之后，反斯托克斯光被APD（雪崩光電二極管）接收及放大器放大后，進行數(shù)據(jù)采集與信號處理，從而得到光纖所在環(huán)境溫度場分布。

在此系統(tǒng)中，光纖l 位置和2L-l 位置處于相同的溫度場中，光纖l 處和2L-l 處的反斯托克斯光強分別為：

二式相乘可得光強及解調(diào)溫度場為：

3 結(jié)論

本文對光纖DTS 的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了概括，并給出了最新研究成果的系統(tǒng)構成、溫度解調(diào)模型及算法。該傳感器具有智能化、小型化、高精度、實時性等優(yōu)點，可以針對不同的需求及場合進行功能擴展，可廣泛用于煤礦業(yè)、電力系統(tǒng)行業(yè)、建筑業(yè)、航天航空業(yè)等領域，有極大的發(fā)展空間和應用前景。該傳感器通過溫度監(jiān)測、預警有效的消除安全隱患、減少火災的發(fā)生、發(fā)展，極大地保護了人民生命財產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定，將帶來巨大的社會經(jīng)濟效益。