分布式光纤测温技术综述＊

于海鹰，李 琪，索 琳，袁晓宁，魏 谦

（山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南 250101）

引 言

近年来，光纤传感器以其独特的优点——防腐蚀、免疫电磁干扰、灵敏度高、可实现分布式等［1］得到了人们的广泛关注。特别是光纤传感器可构成传感网络，实现分布式测量，更加适用于大范围测量领域，尤其适于对桥梁［2］、隧道［3］、大坝［4］、高楼［5］等大型建筑物的结构健康监测。因此分布式光纤传感技术成为近年来光纤传感领域的研究热点。

目前光纤传感器用于分布式测量的研究主要可分为两个方向：一个是基于光纤后向散射的光时域及频域反射技术的分布式测量［6］；另一个是基于光复用技术的光纤光栅分布式测量［7］。本文以光纤测温为例，将从其原理、特点和应用等方面对这两种类型的分布式光纤传感技术进行论述和分析。

1 基于光散射的分布式光纤测温技术

光在光纤中传输，由于光纤所存在成分和密度的不均匀性，导致光纤中不均匀的折射率分布，使光在光纤中发生散射。其中后向散射包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三种类型，其频谱如图1所示。

光散射型分布式光纤测温技术就是基于光纤内部散射光的温度特性，将较高功率窄光脉冲送入光纤，背向散射光强随光纤环境因素变化，然后利用光时域反射（optical time domain reflectometer，OTDR）技术或光频域反射（optical frequency domain reflectometer，OFDR）技术，将返回的散射光参数探测下来，确定沿光纤分布温度场的变化。

目前针对后向散射光的三种类型，研究出三种分布式光纤测温技术，分别为瑞利散射测温、布里渊散射测温和拉曼散射测温。基于瑞利散射的分布式测温系统［8］，虽然背向瑞利散射效应相对较强，但在常规材料的光纤中随温度变化不明显，所以实际应用不多；基于布里渊散射的分布式测温系统［9］，其传感距离、空间分辨率和温度分辨率等性能都较优秀，但在制造和使用上复杂又昂贵，所以目前商业化产品鲜见；基于拉曼散射的分布式测温系统［10］，其各项性能较好，且相对于基于布里渊散射的分布式测温系统更易实现，因此得到普遍应用。

1.1 基于拉曼散射的光纤测温原理

光在光纤中传输，对于自发拉曼散射的反斯托克斯光强IAS与斯托克斯光强IS之比满足下面的公式［11］：

式中：h是普朗克常数；k是布鲁兹曼常数；ν是激光的频率；νi是振动频率；T是绝对温度。激光源确定后，ν为常数；νi以由光纤材料决定，光纤确定后，其为常数。因此，只要得到反斯托克斯光强与斯托克斯光强，通过（1）式的计算，就能得到待测光纤处的温度T。

图1 光纤中的后向散射光谱（λ0为入射波长）Fig.1 Backward scattered spectrum in the optic fiber（λ0is incident wavelength）

图2 光时域反射原理图Fig.2 OTDR schematic

1.2 光时域反射（OTDR）技术

图2中，激光器产生的脉冲光，持续时间为t0、能量为E0，在光纤中以速度v（v＝c／n，其中n为纤芯折射率，c为真空中的光速）传输，传输过程中发生光散射。考虑距离激光器为l的光纤前端Q处，长度为dl的一段光纤，产生的后向散射光经过距离l后，被光电探测器探测接收，此时散射光能量为：

式中：α为单位长度上的入射光损耗系数；β为单位长度上的光后向散射系数；p为后向散射因子。假设泵浦脉冲光在时刻t到达光电探测器处，即：

把式（3）代入式（2），dER（vt）／dt表示t→t＋dt期间的平均功率P（t），则：

上式表明了光探测器探测到的光功率为信号返回时间的函数，而返回时间对应于光纤位置。那么通过光电探测器测量的光功率，就能确定产生信号的光纤位置，从而实现了沿光纤温度场的空间分布式测量［12］。

目前，人们在OTDR的基础上，进一步改进优化，提出了相关的技术：COTDR技术——利用相干接收原理来检测后向散射信号［13］，POTDR技术——通过光纤中的光偏振态的演化测量分析光纤中的后向散射信号［14－15］。

1.3 光频域反射（OFDR）技术

光频域反射（OFDR）技术的基本原理［16］如图3所示。线性扫频光源发出光信号，经光纤耦合器分成两束：一束进入待测光纤，产生散射光。其中满足光纤数值孔径的后向散射光返回，称为信号光；另一束经固定反射镜返回，其光程是固定的，作为参考光。如果参考光和信号光满足光的相干条件，就会在光电探测器的光敏面上发生混频。对于光纤上某点处的后向散射信号，如果设定其对应的光电流频率为0，则其频率大小与散射点位置成正比。因此通过光电探测器输出的光电流频率就能确定所测光纤的位置，从而实现沿光纤温度场的空间分布式测量。

1.4 系统性能分析

基于光散射的分布式光纤测温技术，在理论上可真正地实现分布式测量，即可得到沿光纤温度场的一维分布。但在实际应用中，受现实环境的影响和测量仪器的限制，其空间分辨率目前可达1m［17］。

光散射型分布式光纤测温系统的测量信号为后向散射光，其信号强度很弱，且随光纤长度的增加进一步减弱。通过MATLAB 对斯托克斯光信号进行仿真，查阅资料得到光纤中产生第i个斯托克斯的功率为为了方便仿真，设定光纤中的速度为2.0×108m／s，而h＝6.63×10－34J，仿真所得波形如图4所示。

图3 光频域反射原理图Fig.3 OFDR schematic

图4 斯托克斯光功率与光纤长度关系的仿真图Fig.4 Simulation diagram of Stokes light power and fiber length

由图4可知，光纤中产生的散射光信号是非常微弱的，且信号光的功率随着传输距离的增加逐渐衰减，传输距离在40km以内时急速衰减，当传输距离继续增大，信号光功率逐渐趋于平稳。

因此，光散射型分布式光纤测温系统用于大范围、长距离的温度测量，由于其信号强度太弱，将会大大增加其系统复杂程度，应用成本较高。

2 基于光复用技术的光纤光栅分布式测温技术

2.1 光纤光栅测温原理

如图5所示，光在光纤中传输，到达光栅时，将会有一部分光被反射回来。其反射光波长由纤芯折射率和光栅周期决定：

式中：λB为反射波长；n为纤芯折射率；Λ为光栅周期。Λ和n均受外界环境（如温度）的影响而发生变化，因而导致光栅的反射波长移动。温度变化引起的光栅反射波长移动可表示为：

2.2 分布式光纤光栅测温技术

光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感器主要是通过光复用技术来实现分布式传感定位。用于分布式传感系统的常用光复用技术有波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）、时分复用（time division multiplexing，TDM）和空分复用（spatial division multiplexing，SDM）。

光纤光栅的传感机理是波长调制，所以光纤FBG传感器最直接就是采用WDM，通过波长寻址，实现分布式测量［19］。其基本原理如图6所示：宽带光源产生的光信号在光纤中传输，到达波长不同的FBG传感阵列，各FBG光栅反射回光信号的波长是不同的，通过FBG波长对各个传感器寻址，实现WDM的分布式测温［20］。

图5 光纤光栅模型图Fig.5 Fiber grating model

图6 WDM传感系统结构Fig.6 The structure of WDM sensing system

时分复用（TDM）技术［21］就是通过不同的时间间隔分离各路信号，也就是把时间分成均匀的间隔，将各路信号分配在不同的时间间隔内进行传输。基于TDM的分布式光纤测温的工作原理如图7所示：光源产生的脉冲光信号射入光纤中，到达距离不同的各个FBG光栅，反射回脉冲信号。各个FBG光栅位置不同，意味着反射信号到达解调系统的时间不同，通过信号光返回时间对各个传感器寻址，实现TDM的分布式测温［22］。

基于空分复用（SDM）的分布式光纤测温的工作原理如图8所示：光源信号入射进FBG阵列，将FBG传感器的反射信号分解到不同光通道［23］，各反射光信号分别通过各自的光通道到达解调系统。通过空间通道结构寻址各FBG传感器，实现SDM的分布式测温。

2.3 系统性能分析

相对于单个光纤光栅温度传感器，基于波分复用的分布式测温系统对信号强度影响较小，因此解调系统的设计相对简单，比较易于实现。但是，由于分布式测温系统采用波分复用技术，光源带宽和FBG对应波长幅宽的要求限制了系统的传感器复用容量，其系统的传感器数量一般不会超过30［7］。同样，采用时分复用和空分复用的分布式测温系统也存在种种限制和缺陷。目前，基于光复用的分布式测温系统广泛应用于土木工程，石油［24］和电力监测等大范围测温领域，但却难以满足现实需要，仍需进行大力改进。

图7 TDM传感系统结构Fig.7 The structure of TDM sensing system

图8 SDM传感系统结构Fig.8 The structure of SDM sensing system

3 结 论

分布式光纤测温作为一种优势明显的新型传感测温技术，尽管目前发展还不够成熟，仍存在许多问题，但是其优越性和发展潜力却是显而易见的。不但在高、精、尖领域得到应用，而且在传统的工业领域被迅速推广。因此，仍需进一步的研究，改进现有技术方法［25］，研究新的传感理论。可以预见随着制作技术的日益成熟和器件性能的不断提高，光纤测温系统必将在土木工程、水利电力等各个领域得到更广泛的应用。

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