人體測溫的分布式光纖溫度傳感器的系統(tǒng)性能分析

肖彬?黃焰

摘 要：分析了基于拉曼散射溫度傳感系統(tǒng)的三種溫度解調(diào)方式，選擇了利于研究體表溫度場變化特點(diǎn)，利用拉曼散射比值來解調(diào)溫度信息的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于分布式光纖傳感器的人體測溫系統(tǒng)，并針對系統(tǒng)的多項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：分布式光纖；拉曼散射；溫度傳感器；人體測溫

基金項(xiàng)目：2011年武漢市市屬高校科研課題 光電子技術(shù)專業(yè)核心課程“光電探測與處理技術(shù)”的項(xiàng)目化課程改革（2011102）

1 前言

分布式光纖溫度傳感器用于人體測溫領(lǐng)域，有著不可比擬的優(yōu)勢。醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，麻醉用藥后20分鐘硬膜外麻醉下拇指尖，前臂等非阻滯區(qū)的皮溫較用藥前分別下降1.08℃和0.98℃，而臍部，腳趾處等阻滯區(qū)的皮溫上升0.57 ～4.33℃不等[1]。使用分布式光纖傳感器應(yīng)用于人體測溫，在具有高的溫度靈敏度的同時(shí)，還能有效傳輸攜帶溫度信息的光信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)一次測定整個(gè)被測光纖區(qū)域的一維溫度分布場，對空間溫度場實(shí)時(shí)監(jiān)測。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)能有效地對人體溫度場分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可為局部麻醉深度的判斷開創(chuàng)了一種全新的方法。

2 分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式光纖溫度傳感器通常是將光纖沿溫度場排布，將光纖傳輸時(shí)所產(chǎn)生的散射光運(yùn)用光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)，對光纖傳輸路徑的空間分布和隨實(shí)踐變化的信息進(jìn)行測量和監(jiān)控。分布式光纖傳感器中拉曼散射對溫度敏感。拉曼散射包含上升頻率的散射光——反斯托克斯光及下降頻率的散射光。在分布式光纖溫度傳感器中，利用反斯托克斯光和斯托克斯光強(qiáng)比值來解調(diào)，利用其與溫度呈指數(shù)關(guān)系的特點(diǎn)可以較好的進(jìn)行高精度溫度測量。

我們設(shè)計(jì)的一套分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。由半導(dǎo)體激光器發(fā)射窄脈寬高峰值功率的激光脈沖，光脈沖被光纖耦合器耦合入傳感光纖，一邊向前傳輸一邊與光纖介質(zhì)相互作用發(fā)生自發(fā)喇曼散射，攜帶了溫度信息的后向喇曼散射光沿光纖返回，反斯托克斯和斯托克斯光通過光學(xué)濾波片分離出來，由APD探測將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后經(jīng)過信號(hào)處理的反斯托克斯光和斯托克斯光的比值還原出溫度場信息。

圖2 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)框圖

在測量人體體表溫度場的傳感器的研究中，選擇了810nm光纖輸出模塊，G081PU1600m半導(dǎo)體激光器。使用20ns的脈沖寬度，100kHz的重復(fù)頻率的電流脈沖調(diào)制半導(dǎo)體激光器，光脈沖的脈寬較窄，周期較短，采用PIN探測器（AsGa材料）和MAX3963低噪前置放大電路構(gòu)成的接收機(jī)模塊來檢測激光器發(fā)射的光脈沖波形，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

注入光脈沖與傳感光纖作用發(fā)生散射，由于瑞利散射光和布里淵散射光的波長與喇曼散射光的波長不同，可以運(yùn)用光學(xué)帶通濾波器將喇曼散射光濾出來。又因?yàn)榉此雇锌怂构夂退雇锌怂构庑枰謩e探測，所以使用兩個(gè)中心波長分別為反斯托克斯光λas=780nm和斯托克斯光λs=838nm的濾波器。為了充分利用光源能量，將濾波器的半高全寬取為15nm。當(dāng)溫度在0～100℃之間變化時(shí)，反斯托克斯信號(hào)的幅度變化與溫度呈線性關(guān)系，溫度分辨率要求0.2℃時(shí)，AD的采樣位數(shù)應(yīng)該大于10位。

3 系統(tǒng)工作性能分析

針對該系統(tǒng)的相對溫度靈敏度、溫度分辨率以及空間分辨率進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

3.1 相對溫度靈敏度分析

根據(jù)系統(tǒng)測量結(jié)果分析，計(jì)算得到在T=300K～315K時(shí)，靈敏度曲線逐漸下降。當(dāng)T=310K時(shí)，=6.6‰。由于系統(tǒng)的相對靈敏度并不高，當(dāng)測量的溫度變化時(shí)對后續(xù)信號(hào)檢測不利。為提高系統(tǒng)的相對溫度靈敏度采用了摻入氧化鍺材料的光纖進(jìn)行了替代。但該光纖引入后對于微弱信號(hào)檢測時(shí)，信噪比反而增加了。后續(xù)采用的反斯托克斯光和斯托克斯光強(qiáng)比值解調(diào)的方法將靈敏度進(jìn)一步增加了。當(dāng)T=310K時(shí)，=7.581‰，提高了15%。這樣即使是高摻鍺的傳感光纖，靈敏度也會(huì)比用兩路喇曼光調(diào)制的方法要高。

3.2 系統(tǒng)溫度分辨率的分析

在實(shí)際測量系統(tǒng)中，斯托克斯光功率約為反斯托克斯光功率的6倍，測量溫度越高，溫度分辨率越大。當(dāng)測量溫度一定時(shí)，溫度分辨率與信噪比成反比，要提高系統(tǒng)溫度分辨率，則需提高信號(hào)的信噪比。實(shí)際應(yīng)用中可以采用了增加激光器輸出、采用高摻鍺光纖、選擇合適APD探測器最佳增益系數(shù)的方法提高其溫度分辨率。但這三種方法會(huì)增加溫度傳感器的成本，因此我們在信號(hào)處理過程中采用多次測量取平均值的方法濾除噪聲的影響。信噪比的提高與測量平均次數(shù)的平方根成正比，要達(dá)到0.5℃的溫度分辨率，累加次數(shù)要在216以上。可在累加之前進(jìn)行小波分析，平均處理之后進(jìn)行最小二乘法平滑處理，可以在保證信噪比改善同時(shí)，減小累加次數(shù)。

3.3 系統(tǒng)空間分辨率分析

由于激光發(fā)射的是一列近似方波信號(hào)，其脈寬的存在使傳感光纖這一小段距離的散射信號(hào)同時(shí)返回注入光功率一端的接收

機(jī)，而無法分辯，這一小段距離就是空間分辨率。假設(shè)后續(xù)接收機(jī)或信號(hào)采集電路的帶寬能滿足要求，則脈沖寬度越窄，空間分辨率越小，在同樣長度的傳感光纖上能夠測量到更多的溫度點(diǎn)信息，使溫度場分布曲線更加細(xì)致，系統(tǒng)性能就越好。當(dāng)然脈寬太窄，會(huì)使脈沖能量減小，不利于溫度分辨率的提高，所以需要綜合考慮各種因素而選取最佳脈寬值。

4 結(jié)論

根據(jù)分布式光纖測溫原理，選取了用反斯托克斯光和斯托克斯光強(qiáng)比值來解調(diào)的方法設(shè)計(jì)了一套分布式光纖溫度傳感器，并對該系統(tǒng)的多項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行了分析。該分布式光纖溫度傳感器用于人體溫度測量需采用大量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并測試系統(tǒng)的空間分辨率及溫度分辨率。后續(xù)目標(biāo)是設(shè)計(jì)出能夠滿足空間分辨率為2m和溫度分辨率為0.2℃的系統(tǒng)。針對改善系統(tǒng)精度方面并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

肖彬（1982-），男，湖北武漢人，本科碩士，講師，主要研究方向：光電子技術(shù)、光有源無源器件。

黃焰（1982-），女，湖北武漢人，本科碩士，講師，主要研究方向：光電子技術(shù)、電子與通信。