分布式拉曼光纤测温系统研究进展

肖骏

摘 要：分布式拉曼光纖测温系统是一种快速、可靠、稳定的实时在线温度测量系统，文章介绍了分布式拉曼光纤测温系统的原理、基本技术、应用范围、研究历史与现状，同时还展望了其可能的未来发展方向。

关键词：分布式温度传感器；拉曼散射；光纤

中图分类号：TP212.14 文献标志码：A 文章编号：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

分布式光纤传感技术已广泛应用于航空航天、石油化工、电子电力、土木工程、生物医药等领域[1]的长距离、大范围的传感。其中，基于非线性光学的光纤传感器因为其基于抗电磁干扰、结构简单的光纤而吸引了国内外诸多研究者的注意，并且已经取得了不小的成果。而这些非线性光纤传感器分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。到目前，瑞利散射的潜力已经挖掘殆尽，布里渊散射还受制于理论暂时难以实用化，剩下的只有基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器处于研究发展的上升阶段。

本文将着重介绍分布式拉曼光纤测温系统的基本概念、工作原理、国内外研究状况、应用领域和未来展望。

1 分布式拉曼光纤测温系统的基本概念

1.1 分布式光纤传感

分布式光纤传感技术是一种基于光纤中光的瑞利散射、干涉、拉曼散射或布里渊散射等光学效应，利用光纤作传感器[2]，如光纤在某一区域受到应力、温度变化等载荷调制时，其特性如折射率、非线性光学性质会发生改变，进而加载在返回光探测器的光信号中，这些信号也带有位置信息，从而可以实现对多个点的同时监测。包含干涉型扰动分布传感、相干光时域反射仪（Φ-OTDR）传感技术、光频域反射仪（OFDR）传感技术、光纤拉曼传感技术、光纤布里渊传感技术。

其中，光纤温度传感器只有基于瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射这三种。而瑞利散射由于制作与使用不方便，加上其测量范围有限，因而正在逐渐被后两者取代；而布里渊散射虽然测量精度最高，但由于其频移很小，只有10～20GHz且其线宽很窄（约50MHz），这对于激光器的频率稳定性、可调线宽、光滤波器精度、偏振控制提出了极高的要求，因此，基于布里渊散射的分布式光纤传感还需要等待技术的进步才能离开实验室。所以，现在研究最热的是分布式拉曼光纤测温系统。

1.2 拉曼散射

自发拉曼散射是于1928年由印度科学家Raman发现的，他发现散射光谱除了原有输入光频率ω0以外，还有其他的频率成分ωs与ωa，ωs<ω0为斯托克斯线，ωa>ω0为反斯托克斯线[3]，如图1所示。

激发光子与光纤分子的相互作用，分为弹性和非弹性碰撞两种。拉曼散射属于非弹性碰撞，基态分子吸收频率为ωp的泵浦光光子跃迁至虚能级（因量子测不准原理产生的实际不存在的能级），后由虚能级跃迁至分子（这里为光纤分子）振转能级（第一激发态），发射出频率为ωs的斯托克斯光子；而处于振转能级的分子吸收ωp光子跃迁至另一虚能级，然后由该能级驰豫到基态，发射出频率为ωa的反斯托克斯光子。热平衡状态时，处于基态的分子数远大于处于振转能级的分子数，所以斯托克斯光子数远多于反斯托克斯光子数，故斯托克斯散射光远强于反斯托克斯散射光。分子能级上的布居数与温度有关[4]。

在光纤中，其组成成分像二氧化硅、二氧化锗都有其独特的拉曼光谱，取决于这些成分的浓度和它们在光纤中的分布。

1.3 OTDR技术

OTDR（Optical Time Domain Reflectometer，光时域反射仪）技术是光纤传感器最成熟的技术，最早由Barnoski和Jensen提出。过程包括发射一道光脉冲进入光纤，尔后观察返回的信号光，这个返回的信号光由耦合器转接到光探测器（以雪崩光电二极管为主）。而沿光纤反方向返回的信号光-包括拉曼散射光，被散射到各个方向，导致只有很少一部分散射光被探测器接收。也因此，从各个位置，被探测器再次捕获的散射光强度与输入脉冲光、散射系数αs和被探测器再次捕获因子（返回光源处的散射光占总散射光的比例）有关[5]，S由光纤的数值孔径决定。因为光在光纤速度已知，信号被散射的位置可由信号到达的时间推断出。以下等式可用于描述Pb作为距离z的函数。

其中E0=P0·？子是探测器处的能量，是功率P0乘以持续时间τ，η（z）为z方向上的反向散射因子

对于阶跃型光纤，S公式为3/8（NA2/n■■）；对于渐变型光纤，3/8被替换成1/4，同样适用于单模光纤。

2 分布式拉曼光纤测温系统工作原理

如图2所示，系统由脉冲激光器、光纤、接收器（主要是通光滤波器和雪崩光电二极管）组成。因为斯托克斯拉曼散射远大于反斯托克斯拉曼散射，所以分布式拉曼测温系统主要测量斯托克斯拉曼散射强度比上反斯托克斯拉曼散射强度，斯托克斯拉曼散射光强度与温度的关系式如下：

反斯托克斯拉曼散射光强度与温度关系式：

两者比值Ias/Is为 ，其中？驻v为拉曼

散射频移，基本为固定值，由此可见，比值只与温度有关，也是解调温度的关键信息。

系统工作时，脉冲激光器产生脉冲在光纤内产生拉曼散射，接收器接收到散射光信号后将频率不同的斯托克斯光和反斯托克斯光区分开，并让其进入不同的光路进行处理。其他散射光和干扰光则被通光滤波器滤掉，只让携带有温度信息的斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光通过。这两束散射光分别进入不同的雪崩光电二极管（APD） 进行光电转换，并将电信号进行放大，送入数据采集和处理系统，各个时间位置的温度在那里进行处理解调（如图3所示），最后通过 OTDR原理重构出温度的空间分布信息，并自动采用表格或者图形格式显示，并经过多次测量消除误差。

3 分布式拉曼光纤测温系统发展状况

3.1 国外研究现状

Barnoski 等人于1977年首先研制了OTDR系统，用来检测光纤的衰减和断裂的位置.Rogers在1980年就提出了利用向后散射光强来检测温度的想法。Hartog等人于1980年研制成功第一个分布式光纤温度传感器，但由于采用液芯光纤且用的是瑞利散射，这个装置不实用[7]。

后来，拉曼散射在固体光纤的研究获得突破，使得这套系统于1980年代开始被商业化，DFS-1000型号的分布式光纤温度传感器由日本藤仓公司在90年代初制造，2km是该系统的测量距离，空间分辨率达到3.5m的以及温度分辨率为3℃。

现在不少研究是关于如何利用新的信号解调方式尽可能增加温度测量与定位的精确度[8]。

3.2 国内研究现状

重庆大学任职的黄尚廉等人于20世纪80年代就对分布式拉曼光纤测温系统进行了研究，于1990年完成可行性研究，并用一年左右的时间研制出系统。1994年在中国计量学院光电子技术研究所任职的张在宣等人成功研制出分布式拉曼温度传感器的样机。实验结果表明其空间分辨率小于10m，温度分辨率达到了0.1℃[9]。

中山大學蔡志岗和李伟良等人于2002年研制出商用型光纤温度传感系统，测温长度达到2km，2.5m为其空间分辨率，温度分辨率最小达±1℃，此后中山大学又与各个企业合作开发出更多的商用光纤温度传感系统。

2013年，王志强等人利用光子晶体单模光纤设计了一款低弯曲损耗的分布式拉曼光纤温度传感器[10]。

此外，上海交通大学、吉林大学、长春理工大学、湖南大学等院校也对分布式拉曼温度传感系统进行过研究。

4 分布式拉曼光纤测温系统应用领域

分布式拉曼光纤测温系统有以下优点：（1）系统以光纤为传感器以及光信号的传输渠道，有防燃、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强等优点，能在传统温度传感器无法正常工作的恶劣条件下例如大电流、易燃易爆的环境工作。（2）大量点型传感器可以被一根光纤取代，并能精确测量沿光纤走向任意点上的温度信息，温度分布式测量及温度预报低成本、可靠性强、可行性高。（3）光纤柔软、质量轻盈，便于工程安装，而且分布式拉曼光纤测温系统只需一个光源和一个探测系统，易于安装和维护。因此，各种探测环境开始大量运用分布式拉曼光纤测温系统。

4.1 火灾检测

在隧道、传送带和矿井的火灾检测中，常用到温度传感器以实现对火灾的早期温度探测。因为其位置不方便人员进出，一旦发生火灾，若有人员或高价值物品滞留，损失会非常严重。早期的温度传感器为化学传感或电传感器，这导致了对温度检测不全面、长时间可靠性低、在有易燃易爆物质的地方不适用、复杂电磁干扰环境难以工作等等，而分布式拉曼光纤测温系统均可以在以上环境下工作，且因为其传感器是技术已经很成熟的光纤，价格不会比老式传感器更高。同时基于多参数分析，包括最大温度、平均温度等可以最大程度预测火灾发生的位置与大致时间。因此，可以即时启动保护措施并减少假警报的发生。

4.2 石油天然气生产

现在由于分布式拉曼温度检测系统的推广，在检测石油天然气生产时也引入了温度检测。相对于其他检测方法，分布式拉曼光纤温度传感器只需要用外套保护其免受外界压力损伤。比如说在蒸汽辅助重力泄油技术中，开采效率可以在引入分布式拉曼光纤温度传感器后得到提高，因为其可以帮助保证蒸汽喷射是均匀的、温度在设计的粘稠度范围内，同时阻止气窜的发生[11]。

4.3 电力设备温度检测

电力系统的温度检测也在分布式拉曼光纤温度传感器的使用范围内，电力系统有大量的设备对温度敏感，若不注意检测温度，轻则造成短路等故障，重则引起火灾和爆炸。而以往的基于微电子的温度传感器易受到高压电力设备的电磁干扰，且只能对局部进行重点监控，无法广泛检测。分布式拉曼光纤温度传感器克服了以上缺点，已经逐步安装在一些电线电缆、变电站和发电站中，如南京扬子石化热电厂、秦山核电厂等。

5 前景展望

到目前为止，所有的分布式拉曼温度传感使用的激光器与信号解调器体积仍然偏大[12]，且不耐振动，因而不适于安装在移动的体积较小物体例如飞机上，未来可以将这些设备进一步集成化、小型化，像光纤陀螺的集成光路。

当前的分布式拉曼温度传感器主要集中在一维传感，鲜有二维的传感出现，加上由于目前石英光纤的数值孔径与光纤韧性影响光纤的弯曲半径，导致即使有二维温度传感也因为光纤分布过于稀疏而影响精度，而高精确的热力分布在一些石油勘探、航空宇航方面至关重要，因此如何设计出集成度高、精确度足够高的二维拉曼温度传感器成了研究方向。

同样，受制于数值孔径和光纤韧性，分布式拉曼温度传感器很难安装在曲率比较小（小于5cm）的面上，这也影响到其集成到其他材料的能力。将来的突破点可能是新的光纤材料，有可能是有机物。

6 结束语

随着科技的进步，简单但不失精度的传感器正在成为可能，分布式光纤传感就是代表之一，基于非线性光学的传感器就是热点。在老旧的瑞利散射式传感器发展潜力挖掘殆尽和更先进的布里渊式传感仍处于幼年期之时，分布式拉曼光纤温度传感器正在其上升之势。可见，在未来一段时间内，分布式拉曼光纤温度传感器仍将在各个领域内发挥着巨大的作用。

参考文献：

[1]周正仙.分布式光纤温度传感器的设计和优化[D].上海交通大学，2009：10-28.

[2]刘铁根，于哲，等.分立式与分布式光纤传感关键技术研究进展 [D].物理学报，2017，66（7）：070705-1-70705-2.

[3]李淳飞.非线性光学[M].哈尔滨工业大学出版社，2005：97-100.

[4]徐子珩.分布式拉曼光纤温度传感系统的研究[D].华中科技大学，2009，12.

[5]Gabriele Bolognini， Arthur Hartog. Raman-based fiber sensors： Trends and applications [J].Optical Fiber Technology， 7 September，2013：678-681.

[6]David Krohn.Fiber Optic Sensors：Fundamentals and Applications [R].2015：31.

[7]陳健沛，等.分布式拉曼光纤测温系统研究进展[J].广东工业大学学报，2015，32（3）：104-105.

[8]Manoj Kumar Saxena，S.D.V.S.J. Raju. Raman optical fiber distributed temperature sensor using wavelettransform based simplified signal processing of Ramanback scattered signals [J].Optics & Laser Technology，65（2015）：14.

[9]张在宣，刘天夫，张步新.激光拉曼型分布光纤温度传感器系统 [J].光学学报，1995，15（11）：1585-1589.

[10]Zhiqiang Wang， Jiajia Ye.Design of large-mode-area single-mode optical fiber with lowingbending loss for Raman distributed temperature sensor [J].Optical Fiber Technology 19（2013）：671-675.

[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纤测温系统的研究与设计[D]. 华北电力大学，2008.