分布式拉曼光纖測溫系統研究進展

肖駿

摘 要：分布式拉曼光纖測溫系統是一種快速、可靠、穩定的實時在線溫度測量系統，文章介紹了分布式拉曼光纖測溫系統的原理、基本技術、應用范圍、研究歷史與現狀，同時還展望了其可能的未來發展方向。

關鍵詞：分布式溫度傳感器；拉曼散射；光纖

中圖分類號：TP212.14 文獻標志碼：A 文章編號：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已廣泛應用于航空航天、石油化工、電子電力、土木工程、生物醫藥等領域[1]的長距離、大范圍的傳感。其中，基于非線性光學的光纖傳感器因為其基于抗電磁干擾、結構簡單的光纖而吸引了國內外諸多研究者的注意，并且已經取得了不小的成果。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挖掘殆盡，布里淵散射還受制于理論暫時難以實用化，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展的上升階段。

本文將著重介紹分布式拉曼光纖測溫系統的基本概念、工作原理、國內外研究狀況、應用領域和未來展望。

1 分布式拉曼光纖測溫系統的基本概念

1.1 分布式光纖傳感

分布式光纖傳感技術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效應，利用光纖作傳感器[2]，如光纖在某一區域受到應力、溫度變化等載荷調制時，其特性如折射率、非線性光學性質會發生改變，進而加載在返回光探測器的光信號中，這些信號也帶有位置信息，從而可以實現對多個點的同時監測。包含干涉型擾動分布傳感、相干光時域反射儀（Φ-OTDR）傳感技術、光頻域反射儀（OFDR）傳感技術、光纖拉曼傳感技術、光纖布里淵傳感技術。

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），這對于激光器的頻率穩定性、可調線寬、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的進步才能離開實驗室。所以，現在研究最熱的是分布式拉曼光纖測溫系統。

1.2 拉曼散射

自發拉曼散射是于1928年由印度科學家Raman發現的，他發現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，基態分子吸收頻率為ωp的泵浦光光子躍遷至虛能級（因量子測不準原理產生的實際不存在的能級），后由虛能級躍遷至分子（這里為光纖分子）振轉能級（第一激發態），發射出頻率為ωs的斯托克斯光子；而處于振轉能級的分子吸收ωp光子躍遷至另一虛能級，然后由該能級馳豫到基態，發射出頻率為ωa的反斯托克斯光子。熱平衡狀態時，處于基態的分子數遠大于處于振轉能級的分子數，所以斯托克斯光子數遠多于反斯托克斯光子數，故斯托克斯散射光遠強于反斯托克斯散射光。分子能級上的布居數與溫度有關[4]。

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

1.3 OTDR技術

OTDR（Optical Time Domain Reflectometer，光時域反射儀）技術是光纖傳感器最成熟的技術，最早由Barnoski和Jensen提出。過程包括發射一道光脈沖進入光纖，爾后觀察返回的信號光，這個返回的信號光由耦合器轉接到光探測器（以雪崩光電二極管為主）。而沿光纖反方向返回的信號光-包括拉曼散射光，被散射到各個方向，導致只有很少一部分散射光被探測器接收。也因此，從各個位置，被探測器再次捕獲的散射光強度與輸入脈沖光、散射系數αs和被探測器再次捕獲因子（返回光源處的散射光占總散射光的比例）有關[5]，S由光纖的數值孔徑決定。因為光在光纖速度已知，信號被散射的位置可由信號到達的時間推斷出。以下等式可用于描述Pb作為距離z的函數。

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

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

2 分布式拉曼光纖測溫系統工作原理

如圖2所示，系統由脈沖激光器、光纖、接收器（主要是通光濾波器和雪崩光電二極管）組成。因為斯托克斯拉曼散射遠大于反斯托克斯拉曼散射，所以分布式拉曼測溫系統主要測量斯托克斯拉曼散射強度比上反斯托克斯拉曼散射強度，斯托克斯拉曼散射光強度與溫度的關系式如下：

反斯托克斯拉曼散射光強度與溫度關系式：

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，也是解調溫度的關鍵信息。

系統工作時，脈沖激光器產生脈沖在光纖內產生拉曼散射，接收器接收到散射光信號后將頻率不同的斯托克斯光和反斯托克斯光區分開，并讓其進入不同的光路進行處理。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入不同的雪崩光電二極管（APD） 進行光電轉換，并將電信號進行放大，送入數據采集和處理系統，各個時間位置的溫度在那里進行處理解調（如圖3所示），最后通過 OTDR原理重構出溫度的空間分布信息，并自動采用表格或者圖形格式顯示，并經過多次測量消除誤差。

3 分布式拉曼光纖測溫系統發展狀況

3.1 國外研究現狀

Barnoski 等人于1977年首先研制了OTDR系統，用來檢測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來檢測溫度的想法。Hartog等人于1980年研制成功第一個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，這個裝置不實用[7]。

后來，拉曼散射在固體光纖的研究獲得突破，使得這套系統于1980年代開始被商業化，DFS-1000型號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是該系統的測量距離，空間分辨率達到3.5m的以及溫度分辨率為3℃。

現在不少研究是關于如何利用新的信號解調方式盡可能增加溫度測量與定位的精確度[8]。

3.2 國內研究現狀

重慶大學任職的黃尚廉等人于20世紀80年代就對分布式拉曼光纖測溫系統進行了研究，于1990年完成可行性研究，并用一年左右的時間研制出系統。1994年在中國計量學院光電子技術研究所任職的張在宣等人成功研制出分布式拉曼溫度傳感器的樣機。實驗結果表明其空間分辨率小于10m，溫度分辨率達到了0.1℃[9]。

中山大學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，測溫長度達到2km，2.5m為其空間分辨率，溫度分辨率最小達±1℃，此后中山大學又與各個企業合作開發出更多的商用光纖溫度傳感系統。

2013年，王志強等人利用光子晶體單模光纖設計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、吉林大學、長春理工大學、湖南大學等院校也對分布式拉曼溫度傳感系統進行過研究。

4 分布式拉曼光纖測溫系統應用領域

分布式拉曼光纖測溫系統有以下優點：（1）系統以光纖為傳感器以及光信號的傳輸渠道，有防燃、抗腐蝕、抗電磁干擾能力強等優點，能在傳統溫度傳感器無法正常工作的惡劣條件下例如大電流、易燃易爆的環境工作。（2）大量點型傳感器可以被一根光纖取代，并能精確測量沿光纖走向任意點上的溫度信息，溫度分布式測量及溫度預報低成本、可靠性強、可行性高。（3）光纖柔軟、質量輕盈，便于工程安裝，而且分布式拉曼光纖測溫系統只需一個光源和一個探測系統，易于安裝和維護。因此，各種探測環境開始大量運用分布式拉曼光纖測溫系統。

4.1 火災檢測

在隧道、傳送帶和礦井的火災檢測中，常用到溫度傳感器以實現對火災的早期溫度探測。因為其位置不方便人員進出，一旦發生火災，若有人員或高價值物品滯留，損失會非常嚴重。早期的溫度傳感器為化學傳感或電傳感器，這導致了對溫度檢測不全面、長時間可靠性低、在有易燃易爆物質的地方不適用、復雜電磁干擾環境難以工作等等，而分布式拉曼光纖測溫系統均可以在以上環境下工作，且因為其傳感器是技術已經很成熟的光纖，價格不會比老式傳感器更高。同時基于多參數分析，包括最大溫度、平均溫度等可以最大程度預測火災發生的位置與大致時間。因此，可以即時啟動保護措施并減少假警報的發生。

4.2 石油天然氣生產

現在由于分布式拉曼溫度檢測系統的推廣，在檢測石油天然氣生產時也引入了溫度檢測。相對于其他檢測方法，分布式拉曼光纖溫度傳感器只需要用外套保護其免受外界壓力損傷。比如說在蒸汽輔助重力泄油技術中，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，因為其可以幫助保證蒸汽噴射是均勻的、溫度在設計的粘稠度范圍內，同時阻止氣竄的發生[11]。

4.3 電力設備溫度檢測

電力系統的溫度檢測也在分布式拉曼光纖溫度傳感器的使用范圍內，電力系統有大量的設備對溫度敏感，若不注意檢測溫度，輕則造成短路等故障，重則引起火災和爆炸。而以往的基于微電子的溫度傳感器易受到高壓電力設備的電磁干擾，且只能對局部進行重點監控，無法廣泛檢測。分布式拉曼光纖溫度傳感器克服了以上缺點，已經逐步安裝在一些電線電纜、變電站和發電站中，如南京揚子石化熱電廠、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解調器體積仍然偏大[12]，且不耐振動，因而不適于安裝在移動的體積較小物體例如飛機上，未來可以將這些設備進一步集成化、小型化，像光纖陀螺的集成光路。

當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，加上由于目前石英光纖的數值孔徑與光纖韌性影響光纖的彎曲半徑，導致即使有二維溫度傳感也因為光纖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、航空宇航方面至關重要，因此如何設計出集成度高、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小（小于5cm）的面上，這也影響到其集成到其他材料的能力。將來的突破點可能是新的光纖材料，有可能是有機物。

6 結束語

隨著科技的進步，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，基于非線性光學的傳感器就是熱點。在老舊的瑞利散射式傳感器發展潛力挖掘殆盡和更先進的布里淵式傳感仍處于幼年期之時，分布式拉曼光纖溫度傳感器正在其上升之勢。可見，在未來一段時間內，分布式拉曼光纖溫度傳感器仍將在各個領域內發揮著巨大的作用。

參考文獻：

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[11]R.M. Butler， SAGD comes of AGE！[J].Can. Pet. Technol. 37（7）（1998）：9-12.

[12]李秀琦.基于拉曼散射分布式光纖測溫系統的研究與設計[D]. 華北電力大學，2008.