人体测温的分布式光纤温度传感器的系统性能分析

肖彬?黄焰

摘 要：分析了基于拉曼散射温度传感系统的三种温度解调方式，选择了利于研究体表温度场变化特点，利用拉曼散射比值来解调温度信息的系统结构，设计了基于分布式光纤传感器的人体测温系统，并针对系统的多项性能参数进行了分析。

关键词：分布式光纤；拉曼散射；温度传感器；人体测温

基金项目：2011年武汉市市属高校科研课题 光电子技术专业核心课程“光电探测与处理技术”的项目化课程改革（2011102）

1 前言

分布式光纤温度传感器用于人体测温领域，有着不可比拟的优势。医学实验结果表明，麻醉用药后20分钟硬膜外麻醉下拇指尖，前臂等非阻滞区的皮温较用药前分别下降1.08℃和0.98℃，而脐部，脚趾处等阻滞区的皮温上升0.57 ～4.33℃不等[1]。使用分布式光纤传感器应用于人体测温，在具有高的温度灵敏度的同时，还能有效传输携带温度信息的光信号，能够实现一次测定整个被测光纤区域的一维温度分布场，对空间温度场实时监测。分布式光纤温度传感系统能有效地对人体温度场分布进行实时监测，可为局部麻醉深度的判断开创了一种全新的方法。

2 分布式光纤温度传感器系统设计

分布式光纤温度传感器通常是将光纤沿温度场排布，将光纤传输时所产生的散射光运用光时域反射（OTDR）技术，对光纤传输路径的空间分布和随实践变化的信息进行测量和监控。分布式光纤传感器中拉曼散射对温度敏感。拉曼散射包含上升频率的散射光——反斯托克斯光及下降频率的散射光。在分布式光纤温度传感器中，利用反斯托克斯光和斯托克斯光强比值来解调，利用其与温度呈指数关系的特点可以较好的进行高精度温度测量。

我们设计的一套分布式光纤温度传感器系统，系统框图如图1所示。由半导体激光器发射窄脉宽高峰值功率的激光脉冲，光脉冲被光纤耦合器耦合入传感光纤，一边向前传输一边与光纤介质相互作用发生自发喇曼散射，携带了温度信息的后向喇曼散射光沿光纤返回，反斯托克斯和斯托克斯光通过光学滤波片分离出来，由APD探测将光信号转换为电信号，最后经过信号处理的反斯托克斯光和斯托克斯光的比值还原出温度场信息。

图2 分布式光纤温度传感系统框图

在测量人体体表温度场的传感器的研究中，选择了810nm光纤输出模块，G081PU1600m半导体激光器。使用20ns的脉冲宽度，100kHz的重复频率的电流脉冲调制半导体激光器，光脉冲的脉宽较窄，周期较短，采用PIN探测器（AsGa材料）和MAX3963低噪前置放大电路构成的接收机模块来检测激光器发射的光脉冲波形，将其转换为电信号。

注入光脉冲与传感光纤作用发生散射，由于瑞利散射光和布里渊散射光的波长与喇曼散射光的波长不同，可以运用光学带通滤波器将喇曼散射光滤出来。又因为反斯托克斯光和斯托克斯光需要分别探测，所以使用两个中心波长分别为反斯托克斯光λas=780nm和斯托克斯光λs=838nm的滤波器。为了充分利用光源能量，将滤波器的半高全宽取为15nm。当温度在0～100℃之间变化时，反斯托克斯信号的幅度变化与温度呈线性关系，温度分辨率要求0.2℃时，AD的采样位数应该大于10位。

3 系统工作性能分析

针对该系统的相对温度灵敏度、温度分辨率以及空间分辨率进行了系统分析。

3.1 相对温度灵敏度分析

根据系统测量结果分析，计算得到在T=300K～315K时，灵敏度曲线逐渐下降。当T=310K时，=6.6‰。由于系统的相对灵敏度并不高，当测量的温度变化时对后续信号检测不利。为提高系统的相对温度灵敏度采用了掺入氧化锗材料的光纤进行了替代。但该光纤引入后对于微弱信号检测时，信噪比反而增加了。后续采用的反斯托克斯光和斯托克斯光强比值解调的方法将灵敏度进一步增加了。当T=310K时，=7.581‰，提高了15%。这样即使是高掺锗的传感光纤，灵敏度也会比用两路喇曼光调制的方法要高。

3.2 系统温度分辨率的分析

在实际测量系统中，斯托克斯光功率约为反斯托克斯光功率的6倍，测量温度越高，温度分辨率越大。当测量温度一定时，温度分辨率与信噪比成反比，要提高系统温度分辨率，则需提高信号的信噪比。实际应用中可以采用了增加激光器输出、采用高掺锗光纤、选择合适APD探测器最佳增益系数的方法提高其温度分辨率。但这三种方法会增加温度传感器的成本，因此我们在信号处理过程中采用多次测量取平均值的方法滤除噪声的影响。信噪比的提高与测量平均次数的平方根成正比，要达到0.5℃的温度分辨率，累加次数要在216以上。可在累加之前进行小波分析，平均处理之后进行最小二乘法平滑处理，可以在保证信噪比改善同时，减小累加次数。

3.3 系统空间分辨率分析

由于激光发射的是一列近似方波信号，其脉宽的存在使传感光纤这一小段距离的散射信号同时返回注入光功率一端的接收

机，而无法分辩，这一小段距离就是空间分辨率。假设后续接收机或信号采集电路的带宽能满足要求，则脉冲宽度越窄，空间分辨率越小，在同样长度的传感光纤上能够测量到更多的温度点信息，使温度场分布曲线更加细致，系统性能就越好。当然脉宽太窄，会使脉冲能量减小，不利于温度分辨率的提高，所以需要综合考虑各种因素而选取最佳脉宽值。

4 结论

根据分布式光纤测温原理，选取了用反斯托克斯光和斯托克斯光强比值来解调的方法设计了一套分布式光纤温度传感器，并对该系统的多项性能参数进行了分析。该分布式光纤温度传感器用于人体温度测量需采用大量数据进行对比分析，并测试系统的空间分辨率及温度分辨率。后续目标是设计出能够满足空间分辨率为2m和温度分辨率为0.2℃的系统。针对改善系统精度方面并进行实验对比。

参考文献

[1] 刘怀清，刘祥平，肖永鸿，梅琼，陈勋. 硬膜外和全麻期间体温变化的监测。现代医药卫生，2003年，第19卷（第6期）

[2] 张在宣，王剑锋等。Raman散射分布是光纤温度测量方法的研究。光电子·激光，2001年6月，第12卷（第6期）

[3] 李丽萍，基于DSP的分布式光纤测温系统. 太原科技，2008年第5期

[4] 吉增权，分布式光纤温度监测技术与应用。河南科技，2013年第7期

[5] 苏国彬， 李铮， 常程， 张殿国. 基于喇曼散射的分布式光纤测温系统光接收机灵敏度的分析.航空学报，2001，Vol.22（Sup）： 103 ～105

[6] 陈佳圭编著。微弱信号检测，北京，中央广播电视大学出版社， 1987.7

[7] 韩冰、元秀华等，麻醉深度检测设备及麻醉深度检测方法，专利库，2007.12.26

[8] 秦昕，基于布里渊散射的双光路分布式光纤温度传感系统研究，硕士学位论文，2011.1.1

作者简介

肖彬（1982-），男，湖北武汉人，本科硕士，讲师，主要研究方向：光电子技术、光有源无源器件。

黄焰（1982-），女，湖北武汉人，本科硕士，讲师，主要研究方向：光电子技术、电子与通信。