分布式拉曼光纤温度测试仪的设计与实现

徐瑞 盛立文 袁明 李述标 方玉朝 黄红伟

摘要：基于拉曼散射的分布式光纤温度测试仪器因其抗干扰性能强、可连续分布等独特的优势，在消防火灾监测预警领域应用越来越广泛，文章理论分析了拉曼测温的基本原理，基于双通道测试解决方案设计并实现了一款2U机箱的小型化拉曼光纤温度测试仪，采用累加平均方法对测试信号进行去噪处理，采用线性方法拟合温度系数，经实验测试，分布式拉曼光纤温度测试仪测试距离可到7.5km，测温精度±1℃，空间分辨率2.6m，仪器工作稳定、性能可靠，具有一定的参考价值。

关键词： 拉曼散射  分布式光纤测温  斯托克斯光  反斯托克斯光

分类号： TS207.3;O657.37

一、引言

分布式光纤温度传感测试技术是近几年发展较为快速的一门新兴技术，其采用光纤作为敏感元件，除具有安全本质、抗电磁干扰、防腐防爆等优势外，还可进行连续分布式测试，可实现整个空间场的温度参数监测，目前，基于拉曼散射的分布式光纤温度测试系统，已广泛应用于电力、隧道、石油化工以及地铁煤炭等领域的温度监测与火灾预警，国内代表性的产品大多采用3U机箱或柜式结构，体积较大，本文设计并实现了一款2U机箱的小型化拉曼光纤温度测试仪，并对信号去噪方法和校准方法进行了研究，为分布式光纤温度测试仪器的小型化发展提供参考。

二、 拉曼测温原理

当激光射入光纤后，光子与光纤中的介质分子会发生弹性碰撞与非弹性碰撞[1]，其中瑞利散射光是光子与介质分子发生弹性碰撞后产生，波长与入射光波长相同，拉曼散射光是光子与介质分子发生非弹性碰撞产生，由于分子间发生了能量交换，拉曼散射光波长发生变化，其中波长上移的为斯托克斯光，波长下移的为反斯托克斯光，谱线分布如图1所示。两束拉曼散射光中，反斯托克斯光强度受温度的影响较大，而斯托克斯光强度对温度较不敏感，分布式光纤拉曼测温系统在温度解调时，为提高测温系统的稳定性，消除光源波动、光纤损耗等带来的影响，通常采用双通道解调技术[2]，即以斯托克斯光作为参考，利用反斯托克斯光与其的比值实现最终温度的计算。

理论推导的基于反斯托克斯背向拉曼散射光与斯托克斯背向拉曼散射光强比的温度解调公式如公式1所示。

为温度为时反斯托克斯光与斯托克斯光强比，为温度为时反斯托克斯散射光与斯托克斯光强比，为普朗克常数，为玻尔兹曼常数，为拉曼散射光的频移。依据T与R（T）/R（T0 ） 的关系曲线，在0℃～100℃范围内，两者近似线性关系[3，4]，令，则T与的关系可用公式2表示：

因此，只需在光纖上选取一段定标区，测量不同温度下的比值，再基于线性拟合的方式获取K和b的值，即可解调出全光纤的温度分布。

三、 整机总体设计

分布式拉曼光纤温度测试仪采用双通道解调方案，整机设计的原理框图如图2所示，整机由数据处理模块、采集控制模块、激光脉冲驱动模块、光电转换模块、光路模块、显示模块以及电源模块组成。数据处理模块由嵌入式ARM工控板组成，采集控制模块由FPGA和高速AD组成，光路模块由波分复用器件与滤波器件组成，实现脉冲光源的输出以及背向

拉曼散射光的分离。仪器工作时采集控制模块发出控制信号，由激光脉冲驱动模块发出脉冲光，经由光路模块射入待测光纤，产生的后向拉曼散射光再经由光路模块分为两路进入光电转换模块，斯托克斯光与反斯托克斯光转为电信号并被模拟放大后由采集控制模块进行同步采集和数据累加平均处理，完成累加后数据被传输到数据处理模块进行滤波处理和最终的温度解调，测试结果通过显示模块和对外输出接口与用户进行交互。经集成化小型化设计，最终仪器实现尺寸为（宽×高×深）：426mm×89mm×350mm，符合 2U机箱标准。

四、 实验测试数据

对研制的分布式光纤温度测试仪进行了室内试验，连接光缆7.5km，通过采用累加平均的方法提高信噪比，设置累加次数4096次，在常温下进行了测试，仪器及测试装置如图3所示，获取的斯托克斯光与反斯托克斯光强度的原始测试曲线如图4所示，选取1km处一段作为定标区，依次获取45℃、55℃、65℃、75℃、85℃下的值，再进行曲线拟合获得K和b的值，如图5所示，k=149.04，b=-109.84，R2=0.978，最终获取常温下的温度曲如图6所示，随机选取7.05km处一段光纤进行升温实验，温度曲线如图7所示，水温温度为90℃，光纤测温仪实测89.3℃，由曲线得到温度包的上升沿起点位置在7052.29m，上升沿峰值在7054.9m，两者相差2.61m，因此，按照上升沿的10%～90%计算，光纤测温仪的空间分辨率为优于2.6m。

选取光纤末端一段光纤进行了40℃、60℃、80℃的温度测试，测试结果如表1所示，

实验数据表明本仪器可实现测试距离7.5km，空间分辨率2.6m，测试精度±1℃。

五、 结论

依据拉曼测温原理，采用双通道的温度解调方案，实现了一款2U机箱的小型化分布式拉曼光纤温度测试仪，实验测试数据表明，仪器可做到测试距离7.5km，测试精度±1℃，空间分辨率2.6m的指标，为拉曼测温仪器小型化发展提供参考。

参考文献：

[1] 郭兆坤，郑晓亮，陆兆辉，等 .分布式光纤温度传感技术及其应用[ J ].中国电子科学研究院学报，2 0 0 8 （ 5 ） ：5 43 - 54 6.

[2] 刘扬，侯思祖.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分析研究[ J ].电子设计工程，2 0 0 9 （ 1 ） ：2 3 - 2 5.

[3] 韩永温，郝文杰，张林行，等. 基于拉曼散射原理的分布式光纤测温系统研究[J].半导体光电，2013，34（2）：342-345.

[4] 周广丽，鄂书林，邓文源. 光纤温度传感器的研究和应用[J].光通信技术，2007（6）：54-57.

作者简介：

徐瑞，男，1986年，中电科思仪科技股份有限公司，山东青岛经济技术开发区香江路98号，邮编266555，作者长期从事光纤传感测试仪器的研制研发工作，电话18561410926，投稿日期2021年4月。

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