光纤环校正双端探测分布式拉曼光纤传感系统

陈福昌，戴 杰，余超群，张华林，周锦荣



光纤环校正双端探测分布式拉曼光纤传感系统

陈福昌1，戴 杰2，余超群1，张华林1，周锦荣1

( 1. 闽南师范大学 物理与信息工程学院，福建 漳州 363000；2. 中天科技光纤有限公司，江苏 南通 226009 )

为解决分布式拉曼光纤传感系统中光纤损耗及变化带来的测温误差，提出一种带温控光纤环校正双端注入环形结构的解决方案。该方案从光纤两端分时采集得到反斯托克斯拉曼散射信号相乘并进行几何平均，消除了波长相关损耗和局部损耗带来的影响，并利用温控光纤环实时消除光纤损耗变化带来的测温误差。系统还可在传感光纤断裂后瞬时切换成单端注入模式对整条传感光纤进行温度监测。实验结果表明，系统在15 ℃ ~210℃的温度范围内得到0.9 ℃的测量精度。

光纤元件；拉曼散射；光纤传感；双端探测；温度传感

0 引 言

分布式光纤传感器因其长距离分布式测量、抗电磁干扰、体小质轻等优点，广泛应用于城市煤气管道、输电/通信电缆、大坝桥梁、隧道公路等需要进行实时温度、应变监测的基础设施和安防系统领域[1-4]。分布式拉曼光纤传感系统因其在实时温度监测方面的长距离和高精度性能，自问世起就成为研究热点。传统的拉曼光纤传感方案采用单端注入方式，同时探测自发拉曼散射中的斯托克斯光和反斯托克斯光信号，利用二者的比值进行温度解调，这种单端注入的方式在实际应用中能方便地进行传感光纤布局。文献[5]对这种单端注入拉曼传感系统的温度附加损耗进行了深入研究，通过实验得出单位长度光纤对该段光纤位置之后的光纤产生测温附加误差与该段光纤温度成正比以及与受温度影响的光纤长度成正比的规律，使传感系统在2 km传感距离上的测温精度由4.09 ℃提升至0.47 ℃。该研究结果对于高精度温度传感工程应用具有重要指导意义。然而，由于斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中传输存在波长相关损耗[6]，在未对该损耗进行校正的情况下，传感系统得到的测温曲线并不能完全真实地反应光纤沿线温度信息。双端注入环形结构的传感方案可解决这一问题。

在实际应用中，环境变化会使传感光纤波长相关损耗和局部损耗不断变化，导致传感系统解调出来的测温曲线发生缓慢、不易察觉的测量误差[7]。为保证系统测温精度稳定可靠，需要消除这种波长相关损耗和局部损耗变化带来的影响[8]。

本文在双端注入环形结构的拉曼光纤传感系统基础上，仅采用反斯托克斯光信号进行传感光纤温度解调，并通过温控光纤环对上述损耗变化进行校正，且能在传感光纤出现断点的情况下瞬时转换成单端注入模式进行应急处理，确保实现整条传感光纤的实时温度监测。该方案仅需采用单路雪崩光电探测电路和单通道数据采集模块，简化了系统结构，降低了系统成本，对实际应用具有重要意义。

1 传感原理

分布式拉曼光纤传感系统的实现利用了光纤中背向自发拉曼散射的温度效应和光时域反射技术[9]。因斯托克斯光对温度仅有微小敏感性，而反斯托克斯光则展现出强烈的温度敏感性，达到0.8%/℃[10]，传统解调方法采用自发拉曼散射光信号中的斯托克斯光作为参考光，反斯托克斯光作为信号光，利用下面的公式进行测温：

为消除上述光纤损耗因素对测温的影响，本文采用双端注入的环形结构搭建拉曼光纤传感系统，将泵浦脉冲分时注入传感光纤前端和末端，并相应地从前端和末端获得反斯托克斯光信号。用表示从前端散射回来的前向散射信号，表示从末端散射回来的后向散射信号，对二者进行几何平均可得环形反斯托克斯信号如下：

式(2)显示光纤上每个点的损耗都是，表明光纤各处损耗与位置无关，说明双端注入环形结构传感系统可以消除静态波长相关损耗和局部损耗，这是双端注入环形结构传感系统与传统单端注入传感系统的关键区别。

由于环境变化会使传感光纤波长相关损耗和局部损耗随时变化，使测温曲线发生缓慢、不易察觉的测量误差，式(2)是在不考虑和变化的情况下得到的，利用该信号进行温度解调只能保证系统在较短的时间内稳定工作。为使系统长期稳定可靠工作，需要引入随时间变化的和，并对此变化因素进行校正解调，式(2)变为

从式(5)可看出，其值是一个与位置无关的常数。在传感光纤中取一段光纤环置于恒温状态，从取样光纤环中获得式(5)的值，并化简得到：

因式(6)可实时获得且其已考虑所有光纤损耗变化因素，所以式(7)可实时解调出整条传感光纤温度。

值得一提的是，该双端注入环形结构的拉曼传感系统在光纤发生断裂时仍可继续工作。一旦检测到光纤断裂，可保存系统最后的监测温度以及前向和后向拉曼散射信号并以此为基准，利用传统单端注入单通道解调方法得到光纤前端测量温度和末端测量温度[14]，合并后仍可得到整条光纤的温度。

2 实 验

基于双端注入环形结构的分布式拉曼光纤传感系统结构如图1所示。光源(Pulsed laser)采用波长1 550 nm，峰值功率、脉冲宽度和重复频率可调的高速脉冲激光器。该实验中，激光器参数设置为峰值功率10 W，脉宽10 ns，重频10 kHz。波分复用器(WDM)采用专为DTS设计的模块，可将1 450 nm/1 550 nm/1 660 nm的光信号有效分离(本系统未用到1 660 nm端口)。1´2光开关(Switch)插入损耗约0.6 dB，通道隔离度大于40 dB。APD光电探测电路包含前置跨阻放大电路和主放大电路，电路带宽100 MHz。数据采集卡(DAC)包含12 bit精度的模数转换器，采样率为100 MS/s。温控模块(TC)控温精度达0.2 ℃，用于控制光纤环温度恒定。传感光纤采用长飞光纤光缆有限公司生产的62.5 μm/125 μm多模光纤，总长约2 km。传感光纤首尾两端分别接入光开关两个端口，光纤两端各取20 m绕成光纤环并处于温控模块恒温控制中。在距离传感光纤前端约1 km处绕70 m光纤圈置于恒温箱(Incubator)中，恒温箱控温精度±1 ℃。

传感系统工作原理如下：光源发出泵浦脉冲，经过WDM注入光开关，光开关两通道分时切换，分别产生前向和后向拉曼散射信号。拉曼散射信号经WDM滤波后，进入APD光电探测电路进行光电转换和放大，在脉冲光源的触发下，数据采集卡同步采集反斯托克斯拉曼散射信号，最后将采集的信号送入计算机进行处理。

图1 双端注入环形结构的分布式拉曼光纤传感系统

3 结果分析与讨论

图2 前向和后向的归一化反斯托克斯信号

传感光纤布置如图1，调节温控模块使光纤环处于15 ℃的恒温状态，恒温箱加热至51 ℃，采集得到整条光纤前向和后向反斯托克斯信号，归一化处理后如图2所示。

采用式(2)将图2中前向和后向反斯托克斯信号相乘并进行几何平均可得环形的反斯托克斯信号曲线如图3(a)所示。从图3(a)可看出，恒温箱中的光纤散射回来的反斯托克斯信号明显增强，另外，室温下光纤各处的反斯托克斯信号并不相等，这是因为式(2)中的因子与位置有关，不同位置处的并不相同，因此需要对进行定标。在室温(15℃)下采集前向与后向反斯托克斯信号相乘并求几何平均作为基准信号，定标后可得环形反斯托克斯信号如图3(b)。

为进一步验证系统的测温精度，将恒温箱在15 ℃~210 ℃之间进行调节，可得不同温度下经过定标的环形反斯托克斯信号，利用式(7)可解调得到光纤温度曲线如图4所示。

图4左上角标注的是恒温箱中70 m传感光纤的实际温度，右上角标注的是传感系统测量得到的温度，两者温度误差不超过0.9 ℃。为验证光纤损耗变化带来的测温误差，在离光纤前端约1 km处引入3 dB固定衰减器，以此来产生局部损耗变化，在恒温箱实际温度45℃时测得前向和后向反斯托克斯信号如图5(a)所示，分别利用损耗变化未校正和已校正的方法进行解调得到温度曲线如图5(b)所示。 由图5(b)可知，经校正后恒温箱中的70 m传感光纤平均温度为45.4 ℃，接近实际温度45 ℃，说明此校正方法可靠有效。同时，没进行损耗校正的测温曲线整体发生约30 ℃的漂移，在实际测温中已不能准确监测温度。 考虑到实际应用中传感光纤断裂且不能马上进行光纤熔接处理的紧急情况，本文最后演示传感光纤发生断裂时切换成单端注入单通道解调方式进行温度解调的应急工作模式。将本实验所用的2 km传感光纤从1 km处剪断，由于断点存在，此时采集前向和后向反斯托克斯信号都只能获得1 km的信号曲线，如图6(a)所示。在光纤断裂前，恒温箱中的传感光纤处于42 ℃，其他光纤处于室温；光纤断裂后，将恒温箱温度调至58 ℃，采集前向和后向反斯托克斯信号，利用单端注入单通道解调方法，可得整条传感光纤温度曲线如图6(b)所示。由图6可知，系统仍能保证测温准确性。

图3 (a) 经过几何平均的环形反斯托克斯信号；(b) 经过定标的环形反斯托克斯信号

图4 不同温度下解调得到的传感光纤温度曲线

图5 (a) 3 dB衰减的前向和后向反斯托克斯信号；(b) 校正和未校正的温度解调曲线

图6 (a) 前向和后向反斯托克斯信号；(b) 单端注入单通道解调的温度曲线

4 结 论

提出了一种带温控光纤环校正双端注入环形结构的分布式拉曼光纤传感系统方案。该方案只需测量反斯托克斯单路信号，不仅能消除波长相关损耗和局部损耗带来的测温误差，还能采用光纤环校正消除光纤损耗变化带来的影响，并且能对光纤断裂进行应急处理，保证整条传感光纤沿线温度的准确测量。实验表明，在2 km的传感光纤上，15 ℃~210 ℃的测温范围内能准确监测光纤沿线温度，最大测量误差仅0.9 ℃。该方案只需单路光电探测和数据采集模块，系统结构简单，成本低，对实际应用具有重要意义。

[1] TRUNG D Vo，HE Jiakun，MAGI Eric，.Chalcogenide fiber-based distributed temperature sensor with sub-centimeter spatial resolution and enhanced accuracy [J]. Optics Express(S1094-4087)，2014，22(2)：1560-1568.

[2] 余向东，金尚忠，张在宣，等. 采用单工循环编码解码的分布式光纤喇曼温度传感器 [J]. 光子学报，2014，43(7)：0706005.

YU Xiangdong，JIN Shangzhong，ZHANG Zaixuan，.A Distributed Optical Fiber Raman Temperature Sensor with Cyclic Simplex Coding [J]. Acta Photonica Sinica，2014，43(7)：0706005.

[3] 王照勇，潘政清，叶青，等. 用于光纤围栏入侵告警的频谱分析快速模式识别 [J]. 中国激光，2015，42(4)：0405010.

WANG Zhaoyong，PAN Zhengqing，YE Qing，.Fast Pattern Recognition Based on Frequency Spectrum Analysis Used for Intrusion Alarming in Optical Fiber Fence [J]. Chinese Journal of Lasers，2015，42(4)：0405010.

[4] 宋牟平，鲍翀，叶险峰. 采用Simplex编码光外调制的拉曼散射分布式光纤传感器 [J]. 中国激光，2010，37(6)：1462-1466.

SONG Muping，BAO Chong，YE Xianfeng. Raman Distributed Optical Fiber Sensor with Simplex Coding Optical External Modulation [J]. Chinese Journal of Lasers，2010，37(6)：1462-1466.

[5] 汤玉泉，孙苗，李俊，等. 温度附加损耗对分布式光纤拉曼温度传感器测温误差影响研究 [J]. 光电子·激光，2015，26(5)：847-851.

TANG Yuquan，SUN Miao，LI Jun，. Study on Effect of Temperature Additional Fiber Loss on Measurement Error of Raman Distributed Optical Fiber Temperature Sensor [J]. Journal of Optoelectronics · Laser，2015，26(5)：847-851.

[6] MARCELO A Soto，ALESSANDRO Signorini，TIZIANO Nannipieri，High-Performance Raman-Based Distributed Fiber-Optic Sensing Under a Loop Scheme Using Anti-Stokes Light Only [J]. IEEE Photonics Technology Letters(S1041-1135)，2011，23(9)：534-536.

[7] FERNANDEZ A，RODEGHIERO P，BRICHARD B，. Radiation-Tolerant Raman Distributed Temperature Monitoring System for Large Nuclear Infrastructures [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science(S0018-9499)，2005，52(6)：2689-2694.

[8] MARCELO A Soto，ALESSANDRO Signorini，TIZIANO Nannipieri，.Impact of Loss Variations on Double-Ended Distributed Temperature Sensors Based on Raman Anti-Stokes Signal Only [J]. Journal of Lightwave Technology(S0733-8724)，2012，30(8)：1215-1222.

[9] BARNOSKI M K，JENSEN S M. Fiber waveguides：a novel technique for investigating attenuation characteristics [J]. Applied Optics(S1559-128X)，1976，15(9)：2112-2115.

[10] HARTOG A H，LEACH A P. Distributed temperature sensing in solid-core fibres [J]. Electronics Letters(S0013-5194)，1985， 21(23)：1061-1062.

[11] KIMURA A，TAKADA E，FUJITA K，.Application of a Raman distributed temperature sensor to the experimental fast reactor JOYO with correction techniques [J]. Measurement Science & Technology(S0957-0233)，2001，12(7)：966-973.

[12] JAASKELAINEN M，Temperature monitoring of geothermal energy wells [C]// Fourth European Workshop on Optical Fibre Sensors，Porto，Portugal，Sep 8，2010，7653：765303.

[13] 张在宣，沈为民，郭宁，等. 分布光纤喇曼光子传感器系统的一种解调方法 [J]. 光子学报，1998，27(5)：467-471.

ZHANG Zaixuan，SHEN Weimin，GUO Ning，. A Demodulated Method of Distributed Optical Fiber Raman Photons Sensor System [J]. Acta Photonica Sinica，1998，27(5)：467-471.

[14] 张在宣，王剑锋，余向东，等. Raman散射型分布式光纤温度测量方法的研究 [J]. 光电子·激光，2001，12(6)：598-600.

ZHANG Zaixuan，WANG Jianfeng，YU Xiangdong，. The Research of Raman Type Distributed Optical Fiber Temperature Measuring Method [J]. Journal of Optoelectronics · Laser，2001，12(6)：598-600.

Distributed Raman Fiber Sensing System with Fiber-ring Calibration and Double-ended Probe

CHEN Fuchang1，DAI Jie2，YU Chaoqun1，ZHANG Hualin1，ZHOU Jinrong1

( 1. College of Physics and Information Engineering, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000, Fujian, China;2. Zhongtian Technology Fiber Corporation, Nantong 226009, Jiangsu, China )

To eliminate the measurement errors caused by fiber loss and loss variations, a solution employed in Raman distributed fiber sensing system with fiber-ring calibration method and double-ended injection structure is proposed and experimentally demonstrated. Double-ended injection structure adopted in the system eliminates the influence of wavelength-dependent loss and local loss through geometric mean of anti-Stokes Raman scattering signal timesharing obtained from both ends of the sensing fiber. The fiber-ring calibration method is used to correct measurement errors caused by real-time variations of fiber losses. Moreover, with instantaneous switch between double-ended injection structure and single-ended mode, the system can monitor the temperature of the entire fiber even with presence of break point. Experiments show that measurement accuracy of 0.9 ℃ is obtained within temperature range of 15 ℃~210 ℃.

optical fiber components; Raman scattering; optical fiber sensing; double-ended probe; temperature sensing

1003-501X(2016)08-0033-06

TN247; TP212.1

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.08.006

2015-09-21；

2016-02-24

国家自然科学基金(61405086)；福建省教育厅A类(JA14207)；漳州市自然科学基金(ZZ2013J02)；闽南师范大学新世纪人才(MX13003)；闽南师范大学杰出青年计划(SJ12001)

陈福昌(1984-)，男(汉族)，福建漳州人。讲师，博士，主要研究工作是分布式光纤传感技术。E-mail: chenfc27@163.com。