分布式拉曼光纤测温系统研究进展

陈健沛,李伟良,蔡志岗

(1.中山大学 光电材料与技术国家重点实验室，广东 广州 510275; 2.广州神科光电科技有限公司，广东 广州 510006)

分布式拉曼光纤测温系统研究进展

陈健沛1,李伟良2,蔡志岗1

(1.中山大学 光电材料与技术国家重点实验室，广东 广州 510275; 2.广州神科光电科技有限公司，广东 广州 510006)

分布式拉曼光纤测温系统是一种快速、可靠、稳定的实时在线测量系统，它已经成为工业过程中一种重要的新检测技术.详细介绍了分布式光纤拉曼温度传感原理与系统结构，总结了国内外研究历史，重点介绍了主要应用领域和实际应用案例.

分布式； 拉曼散射； 光纤温度传感； 测温原理； 应用案例

分布式光纤温度传感器(Distributed Optical Fiber Temperature Sensor，DTS)于20世纪70年代被提出，是基于光时域反射计(Optical Time Domain Reflected，OTDR)技术及光纤中的拉曼散射效应，其光纤既是传输介质也是传感介质.将一个短脉冲光线射入传感光纤，分析返回的包含温度信息的拉曼散射信号，以连续函数的形式传感出整条传感光纤各点的温度变化.DTS由于只有一个光源和一个探测系统，能保证准确、快速、可靠、稳定[1]，并且还具有防燃、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强、尺寸小等优点，目前已成为光纤传感技术领域里最有前途的传感技术之一，广泛地应用于工业、国防、科研等各个领域.

本文分析了分布式光纤拉曼测温原理与国内外研究历史，总结了其应用领域并列举部分实际应用案例.

1 拉曼散射技术

光纤一般是由掺杂质的石英制成，当光束通过光纤时，由于光纤介质的不均匀分布以及微小杂质粒子对光束的作用，使光波偏离原来的传播方向而向四周散开，产生散射.散射可分为3种，即瑞利散射(Rayleigh Scattering)、拉曼散射(Raman Scattering)及布里渊散射(Brillouin Scattering).其中瑞利散射是弹性散射，散射光波长与入射光波长相同.沿光纤分布的热效应可引起晶格振动，当入射光子与光纤分子中的电子相互作用时可产生拉曼散射，拉曼散射是非弹性散射，其散射光相对入射光产生频移，频移大小与晶格的振动频率成正比[2].另一方面，当入射光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射称为布里渊散射[3]，也是非弹性散射，同样也会产生频移.非弹性散射光频率对称地分布在入射光频率的两侧，长波一侧称为斯托克斯散射(Stokes Scattering)，短波的一侧称为反斯托克斯散射(Anti-Stokes Scattering).如图1所示.

图1 拉曼散射原理

布里渊频移大小与传感光纤的温度与应力大小成线性关系，所以基于布里渊散射可以测量温度和应力分布，但是两者不能同时测量[4].基于布里渊散射的分布传感技术起步晚、系统比较复杂，目前主要还处于研发阶段，市场应用尚未普及.在拉曼散射中，反斯托克斯散射光强大小取决于温度大小，通过分析反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比大小可以测量温度分布[5]，基于拉曼散射的研究比较成熟，产品多样，是最主要的温度传感技术.

2 拉曼散射测温原理

2.1 光时域反射原理

激光脉冲在光纤传输过程中，沿光纤中的每一点都会产生拉曼散射，该散射属于各向同性的，而且有一部分拉曼光会沿光纤返回到接收端.通过分析，光纤的背向瑞利散射光子数为[6]

(1)

式中，Ne为激光脉冲在光纤入射端的光子数；KR为与光纤散射截面相关的系数；υ0为入射激光光子的频率；S为光纤的背向散射因子；α0为入射光子频率为υ0时的光纤损耗；L为漫反射位置离入射端的长度.

L就是OTDR系统中需要确定的参数.假设激光脉冲在折射率为n的光纤中传播，t=0时刻，脉冲光开始入射到光纤，发送端接收到散射光时，经历了时间t，则激光脉冲传播的距离为

(2)

其中，c为真空中的光速.在光纤中，散射光沿与入射光相同的路线返回，那么散射点所处的位置与发射端距离为

(3)

从式(3)可知，不同时刻接收到的拉曼信号，即为激光脉冲在不同位置所产生的拉曼散射光信号，那么，如果在激光脉冲进入光纤时刻就开始在发射端连续采集回波信号，所得到的时间序列信号即为整条光纤上的空间散射情况.

当光纤某处有损坏时，在相应时间序列信号中会有较强的反射回波，这也就是光时域反射器的工作原理.

2.2 光纤拉曼背向散射和温度效应

在频域中， 散射光子可分为斯托克斯和反斯托克斯散射光子.

斯托克斯散射光子频率为

vs=v0-Δv,

(4)

反斯托克斯散射光子频率为

va=v0+Δv,

(5)

其中,Δv为光纤的分子振动频率，对于通信光 纤Δv=440 cm-1，v0为入射光频率[7].

对OTDR测量的瑞利信号光子数随距离变化的关系式稍加修正，即可用于描述斯托克斯和反斯托克斯散射光子数：

(6)

(7)式中,Ks、Ka为光纤斯托克斯和反斯托克斯散射截面有关的系数；αs、αa分别为斯托克斯和反斯托克斯散射光的光纤传输损耗；Rs(T)、Ra(T)为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，它与光纤所处温度有关；其他符号意义与式(1)相同.

根据爱因斯坦的光子理论，Rs(T)、Ra(T)可表示为

(8)

(9)

式中h为普朗克常数，k为泊松比，T为热力学温度.

2.3 温度解调方法

传统的一种解调方式是用斯托克斯光解调反斯托克斯.从式(6)和式(7)出发可得

(10)

设初始温度为T=T0时，则有

(11)

式(10)与式(11)相除得

(12)

于是解得

(13)

式(13)中所有的参数都是常数或者系统可测量的，所以在L处的温度可以很简单地计算出来.

另外因为通常情况下瑞利散射不依赖于温度，即有NR(T)=NR(T0)，所以也可以用瑞利反射光解调反斯托克斯.若初始温度T=T0时，从式(1)及式(7)出发有

(14)

于是解得

(15)

该方法与传统方法相比，不但可以提高系统的测温精度以及相对灵敏度，而且还能降低系统设计成本，扩展系统的功能.

3 分布式拉曼光纤测温系统

分布式拉曼光纤测温系统机构如图2所示.在同步控制模块的触发下，光脉冲调制器可使激光器发出特定周期宽度和重复频率的激光脉冲.激光脉冲通过光耦合器连接到恒温槽和传感光纤上.

在脉冲激光的传输过程中，传感光纤的后向散射光信号会沿着原来的传输光路返回至光耦合器，并耦合进入光处理子系统.通过分光器，将拉曼散射光中不同频率的斯托克斯光和反斯托克斯光分开，进入不同的光路进行处理.带通光滤波器过滤掉其他散射光和干扰光，只让带有温度信息的斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光通过.这两个散射光经各自的雪崩光电二极管(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模块，进行处理解调各个时间位置的温度，再通过OTDR原理重构出温度的空间分布信息，采用表格或者图形格式显示.

由于整个系统有一定的噪声和损耗，系统工作时需要进行多次测量，然后对数据进行累计和平均处理，消除不良影响，得到更准确的温度分布数据.最后将数据储存在计算机数据库中进行下一步的应用分析处理.

图2 分布式拉曼光纤测温系统结构图

4 国内外研究现状

1977年，Barnoski[8]等人发明了OTDR系统，用于检测光纤的衰减和断裂.早在20世纪 70年代末 Rogers[9]就提出利用后向散射光强随温度变化测量温度分布，这是最早的分布式拉曼光纤测温系统方案.具体的实验装置由Hartog[10]等人于1980年研制成功，其原理是利用液芯光纤瑞利散射系数与温度的关系来解调得到温度分布，在数百米长度光纤上实现了±2 ℃的温度分辨率和2 m的空间分辨率.但是由于液芯光纤的局限，几乎没有实用性.后来通过改进，Hartog[11]等人在1985年用固体光纤和半导体激光器作为光源，研制出可实用的分布式拉曼光纤测温系统实验装置.同年，英国的Dakin也用石英光纤的Raman效应实现分布式拉曼光纤测温试验系统，光纤长度达1 km，空间分辨率小于3 m[2].

之后，商用化的系统开始陆续出现.首先是英国 York 技术有限公司在1987年推出了商业化的拉曼后向散射效应的分布式拉曼光纤测温系统，该系统具有4路，每路各有 2 km长的光纤，探测得到的温度分布的空间分辨率为7.5 m，温度分辨率为1℃，温度测量范围为-50℃～+25℃[12].日本藤仓公司在 90 年代初期推出了DFS-1000 型号的分布式光纤温度传感器，在当时该系统的测量距离同样可达到 2 km，但是却能实现3.5 m的空间分辨率以及3℃的温度分辨率[13].1991年，德国的GESO公司对分布式拉曼温度传感系统的研究最为成功，其研制的产品在空间分辨率上达到了0.5 m的高精度，在技术硬件方面采用光电倍增管进行单光子计数，并充分考虑了光纤的色散、衰减特性，将其应用到冷冻库的温度控制[14].

近年来，英国公司在分布式拉曼光纤测温领域有着惊人的成绩，并不断突破技术难点，特别是英国Sensornet公司推出的Halo-DTS型号的分布式光纤温度传感器的成功推广.该系统测量距离最高可达 60 km，而且测温精度高达 0.01 ℃，空间分辨率更是达到了1 m，这是目前国际上同类产品的最高水平.美国Agilent的分布式光纤温度传感器相关产品则更具多样化，该系列产品的测量距离分为30 km、8 km、4 km和2 km，能够满足不同的应用场合和测量条件.最高温度分辨率为1 ℃，空间分辨率则可达到1 m.

国内从20世纪80年代后期开始，重庆大学黄尚廉等人就对分布式拉曼光纤测温系统进行研发，并于1990年完成了可行性研究[1].1991 年该团队承担了国家“八五”攻关项目“分布式光纤温度测量系统”，仅仅用1年的时间就成功研制出了系统[15].他们采用普通的多模通讯光纤实现传感系统，在降低了产品成本的同时，实现了±3℃的温度分辨率和5 m的空间分辨率，而且能够在30 s内实现单次测量，为快速测量提供了必要的条件[16].

1992年中国计量学院光电子技术研究所张在宣等人申报了国家首批产学研工程合作开发项目“光纤传感器系统及应用”，并于1994年7月研制成光纤喇曼散射光谱效应的2 km FGC-w1型分布光纤温度传感器系统试验样机，其空间分辨率的实测结果小于10 m，温度分辨率0.1℃[7].之后该团队不断致力于提高系统的性能指标，并开展这一系统的应用研究[17-18].

2002年中山大学蔡志岗和李伟良等人本着校企合作的先进理念成功研制出了商用性的光纤温度传感系统，测温长度为2 km，温度分辨率最小达±1℃，空间分辨率为2.5 m[19-20].之后不断对系统的温度分辨率和空间分辨率的提高做了深入的研究，现在研制系统性能大大提高.以中山大学与广州神科光电科技有限公司合作的产品SNKOO分布式光纤感温系统为例，测量长度4 km、8 km、10 km可选，测量速度快，感温精度小于±1℃，空间分辨率达到1 m.

此外，吉林大学[21]、上海交通大学[22]、长春理工大学[23]、湖南大学[24]等院校也对激光拉曼型分布光纤温度传感器有相关研究.

5 应用领域

分布式拉曼光纤测温系统有如下优点：(1) 系统以光纤为传感元件，并作为光信号的传输通道，具有防燃、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强、尺寸小等优点，能适用于传统温度传感器无法工作的恶劣条件，例如大电流、高压高温甚至爆炸的测量环境，比传统温度传感器更加安全可靠.(2) 一根光纤即可以取代大量点型传感器，并能准确地测量沿光纤走向任意点上的温度信息，为实时在线的温度分布式测量及温度预报提供可靠、低成本、可行的方案；(3) 光纤具有柔软、质量轻盈的优点，方便工程安装，而且分布式拉曼光纤测温系统只有一个光源和一个探测系统，易于安装和维护.由于以上优点，分布式拉曼光纤测温系统大量运用于各种探测环境.应用举例如图3所示.

1) 隧道或矿井火灾监测

隧道火灾事故近年频繁发生，特别是煤矿隧道.一般情况下，隧道空间都非常狭小，而且基本处于密封状态，一旦火灾发生，将会迅速蔓延至整个隧道；若隧道内存在工作人员，疏散将极其困难，同时消防人员也无法直接进入及时救援，造成极大的生命财产威胁.所以，实时、准确地对隧道进行火灾报警尤为重要.目前，对电缆隧道火情预警和火灾过热报警最有效的方法是采用温度监测.分布式光纤感温系统安装时，控制系统是位于控制室内，探测光缆铺设在隧道顶部，一端与控制系统位置的光纤传感仪连接，探测系统还与火灾报警系统相连接.一旦发生火灾，温度升高，则会触发高温预警系统，并传送给火灾报警系统，并与其他消防系统实现消防联动，以最快速度应对火灾的发生，为救援提供最及时的支持.该系统可以应用于地铁隧道[24-25]、煤矿井[26-27]、铁路隧道、公路隧道、海底隧道等.

2) 电力系统监测

电力系统也是温度监测的重要场合之一.电力系统中有大量的设备对温度非常敏感，一旦温度出现异常，轻则造成设备运行失常，出现故障，重则造成火灾、爆炸等恶劣事故，所以非常有必要对电力系统进行温度监测，以便为相关工作人员提供及时、有效的防范预警.示温蜡片、数字温度传感器、红外温度仪是早期较为常见的温度监控手段，但是这前两者都需要人工巡查，效率低下.红外温度仪虽然可以传输监控数据，但是也只能针对关键位置进行布置监控，无法覆盖所有区域，而且数据的传输是基于电信号的，容易受到周围电磁场的影响，供电模块也为用电安全埋下危险的伏笔，具有局限性.

分布式光纤感温系统则克服了以上缺点与不足，具有通信迅速、报警设置灵活、适应恶劣环境等优点.分布式光纤感温系统几乎可以对电力系统所有的设备进行监测，包括电线电缆[28]、电厂温度监控[19,29]、变压器绕组温度监测等，国内已经有很多成功案例：南京扬子石化热电厂[30]、济南钢铁[31]、韶关电厂、秦山核电厂等.

图3 分布式拉曼光纤测温系统应用举例

3) 渗漏监测

水坝或者油气管道等工程设施覆盖面大，其特点是时空随机性，需要长时间全方位的监控.当这些工程的某个部位发生渗漏时，以往数字点式的探测器根本无法及时地监测，但是分布式拉曼光纤测温系统只要在工程表面或者内部铺上光纤就能实现全方位的监测，哪怕出现小小范围的渗漏都能及时报警，从而遏制住可能即将发生的损失.另外，光纤寿命长达30 年，足以满足要求.像水坝、输油、输气管道在通常情况下各个位置的温度应该保持恒定，随环境温度变化非常小，一旦某处发生泄漏或者渗漏，温度则会剧烈变化，布置在该处的感温光纤就可立刻将温度信息传送至系统，及时进行报警，从而发现异常并精确定位.目前国外特别是欧洲地区应用较多，如瑞典[32]等，美国、日本[33]等发达国家也有相关研究；国内在水坝渗漏[34-35]和管道泄漏[36-37]都有非常多的研究，也有不少案例，如三峡大坝温度监测[38]、广东长调水电站[39]、大港—枣庄成品油管道泄漏监测[40].

4) 其他领域

另外在水文研究[41]、地震勘探[42]、地质科学研究[43]、混泥土质量监测[44]、高山积雪监测[45]等领域都有分布式光纤温度探测器的应用，可见其应用范围特别广泛.

6 总结

分布式拉曼光纤测温技术经过20多年的发展，解决了许多实际应用中的问题.而且分布式光纤温度测量技术还在发展，特别是随着基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的成熟，其应用领域还将继续扩大.在今后的发展中，重点是要将理论研究与应用研究相结合，以便更好更快地解决各种工业过程的监测难题.

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Review of Distributed Optical Fiber Raman Temperature Measuring System

Chen Jian-pei1, Li Wei-liang2, Cai Zhi-gang1

(1. State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; 2. SNKOO Photonics (GuangZhou) Co., Ltd., Guangzhou 510006, China)

Distributed optical fiber Raman temperature measuring system is a real-time, fast, reliable and stable on-line measuring system. It has become a new and important detection in the field of industrial process. This paper introduces the principle and system structure of distributed optical fiber Raman temperature sensor, reviews the research history at home and abroad, and introduces the main application field and cases.

distribution; Raman scattering; optical fiber temperature sensor; temperature measurement principle; application cases

2014- 01- 10

国家基础科学人才培养基金资助项目(J1210034);国家自然科学基金资助项目(10934011)

陈健沛(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感、模式识别.

蔡志岗(1969-)，男，教授，主要研究方向为为光纤传感、光通信器件与测量技术.E-mail：lasers@netease.com

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.019

TP212

A

1007-7162(2015)03- 0102- 08