用于火灾预警的分布式光纤温度传感器

刘温彦

（郑州大学 河南省郑州市 450001）

1 引言

分布式光纤温度传感（DTS））技术是二十世纪八十年代提出的一种新型测温技术。它的温度测量机理是光纤的瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中，基于瑞利散射的测量精度低、响应范围小、传感距离短，应用范围非常受限[1]。布里渊散射可同时进行应力和温度的传感测量，但是测量所用激光光源、温度解调算法昂贵、复杂，要想普及非常困难。相比之下，拉曼散射DTS 系统构成简单，成本中等，因而研究的种类最多、更容易实现商业化，逐渐成为温度传感领域的研究热点。

上世纪八十年代初，英国的J.P. Dakin 课题组首先利用后向拉曼散射光的温敏效应提出了分布式测温的理论模型[2]，并以此理论为基础研制出光纤长度100m、测温范围77K-800K 的DTS 系统[3]。同时，英国南安普顿大学改变泵浦光源，利用物美价廉的半导体激光器实现了1000m 光纤的测温传感器实用系统[4]。此后，很多公司都相继推出了DTS 系统，并且不断改善温度测量范围、空间分辨率、温度分辨率以及测量时间。与此同时，科研人员也在为系统性能的提高及系统对各种不同应用场合的适用性进行更深入的研究[5-8]。

中国对于DTS 的研究始于上世纪 90年代初，一经开始，科学研究和实用性的发展都非常迅速。DTS 测温样机首先由重庆大学研制成功[9]，此后，中国计量学院[10]、浙江大学[11]、华中理工大学[12]、北京理工大学[13]、北京航空航天大学[14]等高校都在相关领域相继开展了多项研究。

由于拉曼散射的DTS 是基于反斯托克斯散射光的温敏特性，利用斯托克斯和反斯托克斯的光强比值进行温度解调的，随着光纤长度的增加，因为二者波长不同损耗有所差别对温度测量带来的影响不能忽略甚至很大[15]。有研究人员采用光纤双端入射法[16-17]来修正两种散射衰减不同产生的误差，这种方法的不好之处是传感距离缩短至单端入射法的一半。双光源法，可以有效地解决因为二者损耗不同产生的温度解调曲线扭曲问题[18]，并且温度测量精度更高，但是需要两种高稳定性的激光光源，极大地提高了系统的成本。文献[19]利用光纤末端增加反射镜的传感系统解决了同样的问题，但是增加了信号测量（依赖反射镜的反射率）和后期信号处理（反射光中成分复杂）的难度。

针对Raman 散射分布式光纤温度传感器中存在的问题，郑州大学课题组提出了一种基于拉曼散射的折叠光纤结构温度测量装置[20]，并提出利用单一的反斯托克斯散射光进行温度解调的算法[21]。不但大大简化了实验装置的结构复杂性，而且消除了由斯托克斯、反斯托克斯散射光波长差别引起的损耗偏差。

图1：散射光分布

图2：系统原理图，APD 雪崩光电二极管

2 最新研究成果

光波在光纤中传输，与光纤分子或者光学声子发生弹性或非弹性碰撞，会产生多种类型的散射，根据散射原理分为三种类型：Rayleigh 散射（与入射激光波长相同）、Brillouin 散射（与入射激光有小的频移）和Raman 散射，如图1 所示。Raman 散射又分为长波长的斯托克斯散射和短波长的反斯托克斯散射，其中反斯托克斯散射光强与光纤所在环境温度场有关，本系统通过探测反斯托克斯光强给出温度场分布。

系统如图2 所示。脉冲激光光源经过光环形器进入折叠结构传感光纤（光纤总长度为2L），光纤后向散射光经Raman 滤波器之后，反斯托克斯光被APD（雪崩光电二极管）接收及放大器放大后，进行数据采集与信号处理，从而得到光纤所在环境温度场分布。

在此系统中，光纤l 位置和2L-l 位置处于相同的温度场中，光纤l 处和2L-l 处的反斯托克斯光强分别为：

二式相乘可得光强及解调温度场为：

3 结论

本文对光纤DTS 的国内外研究现状进行了概括，并给出了最新研究成果的系统构成、温度解调模型及算法。该传感器具有智能化、小型化、高精度、实时性等优点，可以针对不同的需求及场合进行功能扩展，可广泛用于煤矿业、电力系统行业、建筑业、航天航空业等领域，有极大的发展空间和应用前景。该传感器通过温度监测、预警有效的消除安全隐患、减少火灾的发生、发展，极大地保护了人民生命财产安全和社会稳定，将带来巨大的社会经济效益。