分布式光纤温度监测技术与应用

吉增权

(平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467001)

分布式光纤测温(Distributed Temperature Sensing)(简称DTS)技术，是一种用于实时测量空间温度场的高新技术，最早是1981年英国南安普顿大学在通讯光纤上测试成功的。DTS系统于1986年正式投入商业化运作，在随后的时间里，伴随着光纤通讯的飞速发展，半导体激光器等一系列新技术、新产品的使用，使得光纤传感行业也经历了前所未有的发展，光纤的本征特性和越来越多成功的案例，充分证明光纤分布式测温系统是解决温度监测难题、火情预警与探测方面的最佳解决方案。

分布式光纤温度传感器系统，是一种实时、在线、多点光纤温度测量系统，已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与技术。在系统中，光纤既是传输媒体，同时又是传感媒体。利用光纤背向拉曼散射的温度效应，将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示，从这一方面看，它是—种典型的光纤温度通信网络;在时域里，利用光纤的光时域反射技术对所测温度点定位，从这一方面看，它是一种典型的光纤激光温度雷达系统。

1 光纤背向拉曼散射及其温度效应［1］

激光光脉冲射入传感用的光纤之中，在光脉冲向前的传播过程中，由于光纤的应力、密度、材料组成、温度和弯曲变形等原因，发生散射现象，一部分散射光会按照入射光相反的方向传播，称之为背向散射光，返回的背向散射光包括瑞利(RayLeigh)散射、拉曼(Raman)散射和布里渊(Brillouin)散射。瑞利散射频率与入射光脉冲一致，拉曼散射频率与入射光脉冲相差几十太赫兹，布里渊散射频率与入射光脉冲相差几十吉赫兹。

针对温度检测需求，瑞利散射信号对温度变化不敏感;布里渊散射信号的变化与温度和应力有关，但信号剥离难度大;拉曼散射信号的变化与温度有关，而且拉曼散射信号相对容易获取和分析，因此工业应用主要采集拉曼散射信号进行温度分析。

图1 激光散射光谱分析Fig1.Laser light scattering spectral analysis

拉曼散射会产生两个不同频率的信号：斯托克斯(Stokes)光(比光源波长长的光)和反斯托克斯(Anti-Stokes)光(比光源波长短的光)，光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯光强发生变化，Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。

典型的用Stokes Raman散射OTDR曲线解调反Stokes Raman散射OTDR的被测温度T的表达式为：

其中，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数;c为真空中的光速;k为波尔兹曼常数;V0为入射光频度;T为绝对温度。

由上式可以看出，要得知光纤所处环境的实时温度T，必须知道T0，所以系统中引入一段定标光纤，对于固定的温度(控温模块定标温度)有：

可以看出，温度信息T只是与光纤固定参数以及定标温度有关的量。

2 光时域反射(OTDR)原理［5］

光时域反射技术是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础。当光通过测量物理场时，光能量以三种方式分配：一是一部分能量沿着光纤传输通道继续传播，二是一部分能量在传输过程中被吸收损耗或散射至关切外，三是一部分能量被耦合至接收通道，并被光探测器探测。

激光脉冲在光纤中传输时，在时域里，入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，有：

图2 光纤后向散射原理示意图Fig2.Optical backscatter principle diagram

V为光在光纤中传输速度;C为真空中的光速;n为光纤折射率。

被测物理场距光源的长度有：

因此利用光时域反射技术可以确定沿光纤温度场中每个温度采集点的位置及异常温度点、光纤故障点、断点的距离定位信息。

3 分布式光纤温度监测原理

采用拉曼散射原理和光时域反射技术可以实现温度和距离的测定。

入射的光量子与光纤物质分子将产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，表现为瑞利散射光，光量子的频率不发生改变;非弹性碰撞时，光量子可以释放或吸收声子，发生能量交换，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集。［3］

分布式光纤测温系统的基本工作原理为：在同步控制单元的触发下，激光器产生一个大功率光脉冲，经过光路耦合器后进入一段放置在恒温槽中的光纤(用于系统标定)，然后进入传感光纤，传感光纤发生的携带温度信息的自发拉曼散射光中的背向成分沿原路返回，通过分光器后分为两束光，下接两个不同中心波长的滤波器，对应滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，经光电探测器转化为电信号后送入数据采集与处理单元。在数据采集与处理单元中，包括了电信号放大、去噪、算法，最后输出温度值。

图3 分布式光纤测温原理Fig3.Distributed optical fiber temperaturemeasuring principle

4 煤矿采空区分布式光纤温度监测系统

煤矿采空区分布式光纤温度监测系统主要由地面监测主机、监测分站、传输光缆、监测光缆等组成。监测分站利用半导体激光器产生光脉冲信号，经过光波分复用装置，将产生的拉曼散射光耦合至光电探测模块，采用双路微信号光电探测及信号放大电路进行光信号和电信号之间的转换，将转换后相应的电压值经DSP高速处理芯片进行数据采集、解调与处理，并按照通信协议标准提供具体监测数据给地面监测主机(可提供RS232、RS485、以太网口接口方式)，后得到温度的空间分布并以图形或表格形式显示出来。

系统组成如图4所示。

随着采煤工作面的推进，根据需要的监测范围，将铠装测温光缆沿两顺槽多路布设至工作面采空区，随着时间的推移，测温光缆将感知的温度信号反馈给监测分站，经处理后传输至地面主机并予以显示和报警，就可以实时检测采空区，甚至采煤面、顺槽等地点的环境温度变化情况，同时实现高温隐患点的定位。

5 应用情况

光纤传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。

分布式光纤传感器系统在20世纪80年代中期出现，经过近三十年的发展，技术日趋成熟，因其独有的特点已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与技术。目前，国内外研制的有关产品，测量距离可达30km甚至更远，温度分辨率0.01℃，精度±0.5℃，空间分辨率30cm，测量时间5s，测量范围可达650℃，使用寿命可达40年。由于分布式光纤温度传感系统中的检测光纤本证无源不带电，耐高电压和强电磁场、耐电离辐射，抗射频和电磁干优，防雷、防爆、抗腐蚀，能在有害环境中安全运行，是实用的“本安”型传感器，因此，在电力系统、交通领域、隧道、大坝、石油、化工、煤矿等危险区域的大面积、大范围的温度报警和火情监测等领域，已成为光纤传感技术和检测技术应用的发展趋势。

近十几年来，传感器的产量及市场需求年增长率均在10%以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。但是，我国目前的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面远远不能满足国民经济发展的需求。国家2010年远景规划和十五计划己将传感器列为重点发展的产业之一，市场需求和发展空间的潜力是非常巨大的，其中光纤传感器将占有相当大的比例，这预示我国在光纤传感器领域将出现一场激烈的竞争和挑战，在不久的将来，我国光纤传感器领域将呈现前所未有的灿烂和辉煌。

图4 煤矿采空区分布式光纤温度监测系统

［1］王玉田，等.光纤传感技术及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［2］黄贤武，郁筱霞.传感器原理应用［M］.成都：电子科技大学出版牡，1995.

［3］史晓锋，李铮，蔡志权.分布式光纤测温系统及其测温精度分析［J］.测控技术，2002，21(1)：9-12.

［4］刘媛，张勇，等.分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用［J］.山东科学，2008，21(6)：50-54.

［5］张在宣，于向东，等.分布光纤Raman光子传感器系统的优化设计［J］.光电子激光，1999，10(4)：110-112.

［6］廖延彪.光纤光学［M］.北京：清华大学出版牡，2002.

［7］黄尚廉.分布式光纤传感器现状与动向［J］.光电工程，2000，6(3)：57-62.