拉曼分布式光纤温度传感仪的研究进展

许 扬，李 健，张明江

1.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西太原030024 2.太原理工大学物理与光电工程学院，山西太原030024

传感技术与通信技术、计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱，已成为当今世界令人瞩目、发展迅猛的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。拉曼分布式光纤传感技术作为具代表性的传感技术之一，经过几十年的发展，其传感性能得到了极大的提升。拉曼散射光是由传感光纤中光学光子和光学声子发生非弹性散射碰撞产生的，其中散射光波长大于入射光波长的为拉曼斯托克斯光，波长小于入射光的为拉曼反斯托克斯光[1]。拉曼散射效应可以实现传感光纤沿线的分布式温度检测[2]。目前，拉曼分布式光纤传感技术已经在航空航天、交通基础设施、能源安全监控等领域得到了广泛应用。

本文介绍了拉曼分布式光纤温度传感器的基本工作原理，介绍了当前针对拉曼分布式光纤传感器性能提升的主要研究方向，总结了该传感器的普遍应用领域，并列举了几项代表性的应用案例。

1 拉曼分布式光纤传感基本工作原理

1.1 拉曼散射的基本原理

拉曼分布式光纤传感系统主要利用激光在光纤中传播时产生的自发拉曼散射效应实现对温度敏感的特性进行温度探测。激光在光纤中传播的过程中产生的自发散射效应主要包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中，瑞利散射光强度最大，但对温度与应力变化均不敏感；布里渊散射的频移对温度和应变同时敏感，但如何将两种现象引起的频移进行区分是一件困难的事情；而拉曼散射信号最微弱，其散射强度与温度关系密切，但其对应力变化并不敏感，正是这一特性使得拉曼散射在分布式光纤温度传感系统中得到了广泛的应用[1]。

具体到拉曼分布式光纤传感系统，可以将后向散射产生的斯托克斯光与反斯托克斯光强度用以下公式表示：

式中：Is(T,L) 和Ia(T,L) 分别为与温度、位置有关且经过电学放大器放大的后向拉曼斯托克斯散射光光强和后向拉曼反斯托克斯散射光光强；Ms和Ma分别为光放大系统对拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的放大倍数；Ks和Ka分别为拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的散射截面系数；νs和νa分别为拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的光频率；I0为入射光强；αs和αa分别为入射光、拉曼斯托克斯光和拉曼反斯托克斯光在光纤中的衰减系数；L为光纤的位置；T为L位置处的温度；Rs(T) 和Ra(T) 分别为光纤拉曼斯托克斯散射光和拉曼反斯托克斯散射光的玻尔兹曼因子，与能级的集居数有关，可以表示为

式中：h为普朗克常量；∆ν为拉曼频移，约等于13.2 THz；k为玻尔兹曼常数。由此可以看出，拉曼散射产生的斯托克斯光与反斯托克斯光信号的强度与散射位置处温度有直接的关系。

1.2 空间定位的基本原理

当脉冲激光器发出的激光脉冲耦合进入传感光纤后，脉冲激光在传感光纤内传播过程中不断产生后向散射。所产生的后向散射向反方向传输，最终返回到光电探测器中，后向散射光被转换为电信号进行信号处理。脉冲激光器发出的脉冲激光从传感光纤的一端进入，传输到某个距离L处时发生拉曼散射，产生的后向散射光回到传感光纤的一端。在此过程中，从脉冲激光进入传感光纤到后向散射光回到光纤一端所消耗的时间为t，而光走过的距离为2L，那么从光纤一端到散射发生的位置点的距离L就可以表示为

式中：v为激光在传感光纤中传播的速度；t为从脉冲激光进入传感光纤到接收器接收到后向散射光所需的时间；L为发生散射的位置与脉冲激光进入传感光纤的距离。通过式(5) 可以建立后向散射信号采集到的时间与传感光纤中发生后向散射的具体位置的联系，通过脉冲激光发出到接收到后向散射信号的时间长短来判断散射发生的具体位置，从而实现系统的分布式测量。

1.3 温度解调的基本原理

在双路解调系统中，需要分别采集到拉曼散射产生的斯托克斯光强信号与反斯托克斯光的光强信号。通过对这两种信号的解调计算，获得光纤沿线的温度信息。温度解调一般可分为两个步骤：1）定标，需要将整条传感光纤放置于相同的温度环境T0中，从而获得整条传感光纤在T0温度下各个位置的光强信息；其中斯托克斯光强表示为Is(T0,L)，反斯托克斯光表示为Ia(T0,L)。2）测量，根据铺设所需要测量的环境，将传感光纤设不同位置的温度为T，则获得的散射光强度为Is(T,L) 与Ia(T,L)。然后将获得的信息通过如下公式进行处理：

从式中可以看出，只有待测温度T为未知量，其他都是常量或可以通过测量获得，因此可以通过计算获得光纤沿线的温度T。

双路解调的最大优势在于引入拉曼斯托克斯光作为参照光，可以有效消去光纤损耗等因素对测温结果的影响。但该方法的问题在于拉曼散射光产生的斯托克斯光与反斯托克斯光在光纤中传播的速度不相同，导致APD 在某一时刻接收到的后向散射信号并不是在传感光纤同一位置处产生的。但单路解调系统因仅采集拉曼散射产生的反斯托克斯光，则可有效避免这一问题。

传统的单路解调方法也分为定标与测量两个步骤：1）定标，将整条传感光纤置于T0温度下，获得光纤沿线的反斯托克斯光强信号Ia(T0,L)；2）测量，将整条传感光纤铺设在测量环境中，在测量温度T时，获取光纤沿线的反斯托克斯光强信号Ia(T,L)。通过下列公式进行处理：

除了上述典型的双路与单路解调方法之外，研究人员为提高系统性能、便于工程应用，还设计出了添加参考光纤[3-4]、环路解调[5-6]等多种不同的解调方法。

2 拉曼分布式光纤传感仪性能提升研究进展

1923年，Smekel[7]首次从理论上预测出光纤瑞利散射光两侧存在伴线。1928年，印度加尔各答大学物理学家Raman[7]发现，当光子和分子相互作用时，一种新的谱线会在其入射光频率两旁出现，他通过实验发现注入C3H8O3材料的散射光从正常颜色变成了浅蓝色，这一现象以其名被定义为拉曼散射效应。而光时域反射系统最早由Barnoski 博士[8]提出，并在1977年成功应用，主要用于光纤故障点监测，这也为基于光时域反射定位原理的拉曼分布式光纤传感技术奠定了理论基础。

1981年，英国南安普敦大学科学家首次在国际上定义了分布式光纤温度传感技术的概念，通过将光纤与分布式温度测量结合在一起，提出了基于光纤传感的温度测量理论[9]。1982年，英国科学家Hartog[10]开始研究一种基于液芯光纤的分布式温度传感技术，实验开启了分布式光纤温度传感系统的序幕，该实验发现当传感光纤沿线环境温度变化时，入射光在液芯光纤中产生的背向散射光也会发生变化，基于此效应实现了分布式温度测量。1983年，英国Pesssy 雷达研究中心科学家Dakin[11]首次提出基于氩离子激光器与传感光纤结合的拉曼分布式光纤温度传感技术，该技术利用石英光纤中的拉曼散射效应，实现了空间分辨率为3 m，测温范围为77∼800 K，传感距离为几百m 的传感性能。同年上述两位科学家用半导体激光器作为传感探测光源，用PIN 光电探测器代替光电倍增管完成分布式温度测量[12]。此后，基于拉曼散射效应的分布式光纤温度传感器引起了国内外科学家的广泛关注[13-18]。

20 世纪80年代，重庆大学黄尚廉教授等[19]开展了基于自发拉曼散射的分布式光纤传感技术研究。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”。该方案采用多模光纤在30 s 的测量时间内实现了5.0 m 的空间分辨率和3.0◦C 的温度分辨率的传感性能[19]。1992年，中国计量学院张在宣教授等[20]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 月研制了型号为FGC-w1 型拉曼分布式光纤传感系统样机，其测量传感距离为2.0 km，空间分辨率为10.0 m。

为了更好地满足不同工业应用领域的需求，国内外研究人员围绕研制高性能拉曼分布式光纤传感系统的核心目标开展了系列研究，主要包括温度分辨率、测温精度、空间分辨率和预警响应时间等方面，探索各种新理论与新方案，推动拉曼分布式光纤传感技术性能的不断提升[21-26]。

随着技术的不断成熟，拉曼分布式光纤传感系统也应用于更多极端的环境下，对传感系统的测温范围的要求也越来越高。分布式光纤拉曼传感系统的传感温度范围主要由传感光纤涂层材料与传感光纤本身材质所决定[27]。Ismail 等[27]设计的多模镀金光纤的超高温分布式传感器，实现了600◦C 的高温测量，Silva 等[28]利用具有金属涂层的特质传感光纤，将传感系统的测温范围扩大到−196∼400◦C。此外，也有研究者利用蓝宝石制成的特种光纤具有极高的高温稳定性，这种传感光纤可以实现连续测量1 900◦C 的高温[29]。

图1 拉曼分布式光纤传感的发展历程Figure 1 Development process of Raman distributed fiber sensing

2.1 测温精度性能提升研究进展

温度精度是指系统解调温度值与实际温度值之间的偏差范围。系统测温精度是拉曼分布式光纤传感系统的关键性能指标[30-31]。系统测温精度主要由系统信噪比（SNR）决定[32]。由于拉曼散射信号相比瑞利散射信号要弱40∼50 dB[33]，如果将这种低信噪比信号应用于温度解调时会极大地限制系统的传感性能。因此，国内外研究者致力于提高拉曼分布式光纤传感系统的信噪比，最终优化系统的测温精度和温度分辨率性能。常见的性能改善方法主要分为4种：探测信号编码技术、软件及硬件去噪技术、环路解调技术、增强受激拉曼阈值技术。

2.1.1 探测信号编码技术

该方法主要通过探测光源进行编码调制，同时在解调系统中设计相应的解码程序，用以提高系统信噪比。其中，面向拉曼分布式光纤传感技术的编码技术主要包括Simplex 编码技术、伪随机信号编码技术、格雷编码技术等。2007年，Park 等[34]提出了一种基于Simplex 的编码技术，在19.5 km 的传感距离上实现了3.0◦C 的温度分辨率。2011年，Soto 等[35]提出了一种基于低重复率循环的编码技术，在26.0 km 的单模传感光纤上实现了3.0◦C 的温度分辨率。2016年，Brinatti Vazquez 等[36]提出了一种循环伪随机序列编码技术，在1.0 km 的传感距离上实现了1.5◦C 的温度分辨率。2018年，Wang 等[37]提出了一种改进型Simplex 编码技术模拟应用于拉曼分布式光纤传感系统，在8.0 km 的传感距离上模拟仿真实现了0.1◦C的测温精度。

2.1.2 软件及硬件去噪技术

为了提高拉曼分布式光纤传感系统的信噪比性能，研究者提出了多种算法去噪技术对其后向拉曼散射信号进行去噪分析[38-44]。2015年，Saxena 等[45]提出了一种基于信号处理的小波去噪技术应用于拉曼分布式光纤传感系统，可以实现3.5◦C 的测温精度。此外，Soto等[46]将非局部均值去噪算法应用于拉曼分布式光纤传感系统，基于2D 图像的非局部自相似特性（NSS），去噪效果较为显著。除此之外，还有许多不同的去噪算法应用于拉曼分布式光纤传感系统，其具体性能如表1 所示。

表1 基于算法去噪技术的拉曼分布式光纤传感Table 1 Raman distributed fiber sensing based on algorithm denoising technology

本课题组提出了一种基于改进型小波模极大值去噪方法应用于拉曼分布式光纤传感系统，在10.40 km 的传感距离上实现了1.58◦C 的测温精度性能[34]，实验结果如图2 所示。从图2中可以看出，随着传感距离增加，改进型小波模极大值去噪方法对测温精度的提升效果越明显。当传感距离达11.49 km 时，温度波动范围从原始的±3.0◦C 提升到±0.6◦C。

图2 改进型小波模极大值去噪方法的实验结果[28]Figure 2 Experimental results of improved wavelet modulus maximum denoising method

除上述方法之外，研究人员并没有放弃去除由于硬件因素而产生的噪声。APD 作为拉曼分布式光纤传感系统中的关键器件，其光电转换的性能将直接影响到系统的温度测量精度[47]。基于此，本课题组深入研究系统定标阶段和测量阶段APD 的光电响应增益特性不一致（G1̸=G0），对系统的测温精度性能造成的影响，分析了APD 光电响应增益随环境温度的变化关系，设计制作了APD 多级恒温控制系统结构[48]。该方案通过降低和稳定参考光纤和APD 的环境温度用以提高系统信噪比和稳定APD 的光电响应增益，从而提高温度测量精度。在图3 中，左图为APD 多级恒温控制系统结构示意图，其中将参考光纤环放置于一级恒温系统中保证温度恒定，APD 及其放大电路放置于二级恒温控制系统，提供更高精度的恒温控制；右图为传感实验结果，可以看出最终系统实现最大传感距离30 km，末端温度测量精度±7.2◦C。

图3 基于APD 多级恒温控制系统的拉曼分布式光纤传感系统结构示意图及实验结果[45]Figure 3 Schematic diagram and experimental results of distributed optical fiber Raman sensing system based on APD multi-level constant temperature control system

此外，由于系统所使用的波分复用器光隔离度的影响，除斯托克斯光与反斯托克光之外的无用信号难以全部彻底滤除，因此会有部分瑞利散射光进入APD 中，影响信号测量的准确度，进而导致测量温度产生误差。为此，本课题组提出了一种瑞利噪声抑制方法[32]。所提出的温度解调方法可以消除瑞利噪声引起的温度测量误差。实验结果如图4 所示，从图中可以看出，该方法在感应距离为9.1 km 的条件下可将温度精度从6.2◦C 优化到1.7◦C，与传统的解调方法相比，温度分辨率可将温度精度提高约1.5◦C，感应距离为10.0 km。

图4 瑞利噪声抑制方法的实验结果[32]Figure 4 Experimental results of the Rayleigh noise suppression method

2.1.3 环路解调技术

2011年，Nannipieri 等[5]基于拉曼反斯托克斯信号设计了一种环路解调装置，该方案通过光开关将传感光纤设置成一个环路形状，然后分别通过检测光纤前向和后向的拉曼散射光进行光纤沿线温度解调。该方法能够补偿光纤损耗不一致带来测温精度下降的问题。该技术在10.0 km 的传感距离上实现了0.5◦C 的温度分辨率。本课题组在环路解调结构的基础上提出了一种基于参考温度数据的免定标双端环路解调技术。在图5 中，上图为环路解调结构示意图，下图为实验结果。图中结果表明，该技术可以在12.0 km 的传感距离上实现了1.2◦C的测温精度[6]。

图5 环路结构示意图及环路解调方法的实验结果[6]Figure 5 Schematic diagram of loop structure and experimental results of loop demodulation method

同时，本课题组针对传感光纤的温度敏感效应会随传感距离增加而逐渐减弱，且由于传感光缆的热绝缘材料影响，传感光纤的温度敏感性也会降低的特点，提出了差分温敏补偿解调法[49]。该方法有效提高了系统的温度测量精度。系统传感距离达10 km 时，温度测量精度可达±0.5◦C。图6 为基于传统双路温度解调的差分温敏补偿法的测温精度实验结果。

图6 差分温敏补偿法的测温精度实验结果[49]Figure 6 Experimental results of temperature measurement accuracy of differential temperature sensitivity compensation method

2.1.4 增强受激拉曼阈值技术

相较于单模光纤拉曼传感系统，基于少模光纤的拉曼传感系统可以在发生光纤非线性效应（受激拉曼散射）之前，允许更大的入射光通量进入至传感光纤，从而提高系统信噪比。此外，相较于单模光纤传感系统，少模光纤系统可以避免光纤色散对系统测温精度的影响。2017年，Wang 等[50]提出了基于少模光纤的拉曼分布式温度传感器，在20.0 km 的传感距离上实现了6.0◦C 的测温精度。2018年，Yang 等[51]提出一种基于链路优化的少模光纤拉曼温度传感技术，在20.0 km 的传感距离上实现了3.8◦C 的测温精度。此外，近年来许多面向测温精度性能提升的拉曼分布式光纤传感技术及其实现的关键技术指标如表2 所示。

表2 面向测温精度性能提升的新型拉曼分布式光纤传感技术Table 2 Novel Raman distributed fiber sensing technology for improving temperature accuracy and temperature resolution performance

2.2 空间分辨率性能提升研究进展

空间分辨率是表征传感光纤能分辨的最小光纤长度[52]。当待测光纤长度小于系统空间分辨率时，系统测量温度会小于实际环境温度，所以拉曼分布式光纤传感系统的空间分辨率也可以反映系统能够测量周围环境准确温度时所需光纤的最小长度。在拉曼分布式光纤传感系统，所用探测信号均为脉冲信号，其定位原理为脉冲时间飞行法，空间分辨率主要取决于光源脉冲宽度[53-56]。降低脉冲宽度可以优化系统空间分辨率，但同时会恶化系统的SNR。这种现象使得拉曼分布式光纤传感技术存在着SNR 与空间分辨率无法兼顾的问题，限制了拉曼分布式光纤传感系统的应用[6]。受限于脉冲宽度，现有拉曼分布式光纤系统的空间分辨率局限于m 量级[57]。此外，随着传感距离的增加，光纤色散会导致光源脉宽展宽，最终使系统空间分辨率随着传感距离的增加进一步恶化，其空间分辨率性能在光纤尾端达到几m 甚至几十m。目前，拉曼分布式光纤传感技术迫切需要实现高空间分辨率的传感监测。因此，国内外研究者致力于提高拉曼分布式光纤传感系统的空间分辨率性能，并取得重要研究进展。

2.2.1 光纤色散补偿法

该方案通过减少脉冲光源在传感光纤的色散影响，用以优化系统的空间分辨率性能。少模光纤模式具有较大的模场面积，因此其非线性阈值比较高，这样既提高了耦合至传感光纤的光通量，又避免了非线性效应对传感系统的干扰[6,50,64-66]。最关键的是，少模光纤传感系统相较于多模光纤传感系统，其长传感距离下的脉冲展宽可以得到较大程度的抑制，以此补偿光纤色散对系统空间分辨率的影响。2017年，华中科技大学武汉光电国家研究中心唐明等[50]通过二阶模少模光纤用以抑制长传感距离的光纤色散，在20.0 km 的传感距离上实现了3.00 m 的空间分辨率。2018年，上海交通大学何祖源等[65]设计并制作了一种大有效面积及低色散的渐变折射率少模光纤，在25.0 km 的传感距离处实现了1.13 m 的空间分辨率。此外，基于斯托克斯光和反斯托克斯光的波长差异色散补偿也可以优化系统的空间分辨率性能。2012年，山东大学常军等[66]通过消除反斯托克斯光与斯托克斯光在传感光纤中传输引起的不同步问题，获得了5.9 km 的传感距离和1.5 m 的空间分辨率性能。

由于传感光纤群速度色散导致的光波长差异影响，使采集卡在相同时刻采集的拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯后向散射光并非在传感光纤同一位置。这归因于拉曼斯托克斯光传输速度大于拉曼反斯托克斯光传输速度。因此，当利用未校准的拉曼散射信号用于解调传感光纤温度时，就会引起测温误差。基于此，本课题组提出改进型的色散补偿插值平移方法，通过同步斯托克斯光与反斯托克斯光的位置优化了系统空间分辨率性能[6]。图7 为基于色散补偿插值平移法的实验结果，从图中可以看出该方法有效提升了系统的测温精度。

图7 基于色散补偿插值平移法的实验结果[6]Figure 7 Experimental results based on dispersion compensation interpolation translation method

2.2.2 光源调制法

该方案通过对光源进行编码调制来抑制由于光纤非线性效应产生的光源噪声，以此提高耦合至传感光纤的光通量，再通过减小激光脉冲脉宽达到提高空间分辨率的目的，以此来同时提高系统SNR 和系统空间分辨率性能[58-62]。2006年，Park 等[34]采用光源调制技术在37.0 km 的传感光纤上实现了17.0 m 的空间分辨率。2010年，浙江大学研究人员采用7 位编码外调制方式优化了系统的空间分辨率[57]。2011年，Soto 等[35]采用71 位循环编码技术在26.0 km 传感光纤处实现了1.0 m 的空间分辨率。2013年，意大利Taki 等[61]采用循环脉冲编码方法获得了传感距离为10.0 km，空间分辨率为1.0 m 的传感结果。

本课题组深入研究解决传统拉曼分布式光纤传感系统空间分辨率受限于光源脉冲宽度的科学问题，提出了一种基于ASE 探测信号的相关函数时域压缩解调理论及方案，并通过仿真验证，该技术的理论空间分辨率可以提升7.5 mm 以上[63]。图8 为基于ASE 探测信号的相关函数时域压缩解调理论仿真的典型实验结果。

图8 基于ASE 探测信号的相关函数时域压缩解调理论的仿真实验结果[63]Figure 8 Simulation experiment results based on the time-domain compression demodulation theory of the correlation function of the ASE detection signal

2.2.3 反卷积及数据拟合法

该方案在不减小脉冲宽度的情况下，通过反卷积算法或数据拟合法提升系统的空间分辨率性能[67-70]。2009年，清华大学张磊等[67]利用反卷积算法在不降低光源脉冲宽度的条件下提升了系统空间分辨率，在300 ns 的脉冲宽度下（理论空间分辨率为30.0 m），系统实现了15 m 的空间分辨率。2012年，重庆大学朱永等[68]提出一种线性修正算法用于对升温区域进行高斯拟合，在传感距离10.0 km 处实现了6.0 m 的空间分辨率。2013年，基于幅度拟合算法的传感方案在10.0 km 的传感距离上实现了6.0 m 的空间分辨率[67]。2015年，中国科学技术大学董凤忠等[70]提出一种线性拟合修正算法，将系统理论空间分辨率由5.0 m 优化至1.0 m。

为了更好地比较上述新型温度解调技术的传感性能，表3 总结了近年来面向空间分辨率性能提升的新型拉曼分布式光纤传感技术。

表3 面向空间分辨率性能提升的拉曼分布式光纤传感技术Table 3 Raman distributed fiber sensing technology for improving spatial resolution performance

3 拉曼分布式光纤传感仪的典型应用

与传统电信号传感器相比，拉曼分布式光纤传感仪本身并不带电，它具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、灵敏度高、质量轻、体积小、可嵌入（物体）等特点[71-73]，目前已广泛应用于建筑安全检测[74]、岩石变形测量[75]、铁路[76]以及周界防护[77]、定位[78-79]、大坝检测[80]等安全监控领域。

3.1 消防安全监控领域

消防安全监测对于国民经济发展、保障人民群众生命安全都有着十分重要的意义，一旦发生火灾，轻则烧毁设备和资源，重则造成人员伤亡，给国家和人民生命财产安全带来巨大安全隐患。拉曼分布式光纤传感技术的长距离、连续性、远程实时监控等特点可实现长距离线性交通基础设施的温度安全监控。基于上述优势，目前拉曼分布式光纤传感技术已广泛应用于煤矿、隧道火灾等温度安全监控领域[81-82]。

本课题组针对隧道火灾监测这一具体场景开展研究，提出了一种新型的温度解调方法，以提高RDTS 系统的温度测量精度。通过使用三维（3D）温度显示的纵向衬里模型（LLM）提出了视觉定位技术，从而增强了RDTS 在隧道火灾探测中的工程应用[33]。图9 为软件系统界面。

图9 面向隧道火灾监测拉曼分布式光纤传感系统程序界面[33]Figure 9 Program interface of Raman distributed optical fiber sensing system for tunnel fire monitoring

3.2 管道健康监控领域

管网运输已成为现代工业和国民经济的命脉，随着输气、输油管网工业的发展，长距离管道运输的安全问题日益严重。管网管道随着服役周期的不断增长而逐渐老化，导致发生输气、输油管网泄漏或发生火灾等安全隐患[83-84]。而传统电信号温度传感器可能会因系统不稳定产生电火花，在基于管道运输的石油、天然气安全监控领域受到了一定的限制。拉曼分布式光纤传感技术能够获得被测温度物理场的连续分布信息，因而非常适用于长距离管道温度安全检测。该技术基于光纤沿线不同特征的温度场信息，还可以精准定位管道发生泄漏的位置信息[3]。因此，众多技术人员开始关注这种管道检测手段，并对其进行优化与改良[83-88]。

本课题组通过分析管道渗漏发生时温度变化规律，建立温度场变化模型，设计动态阈值识别算法来分析拉曼分布式光纤传感系统获取的温度数据，实现对管道泄漏情况的监测[3]。图10 为管道渗漏检测实验结果，图中蓝色的部分表示经过系统检测未发生渗漏，黄色的部分表示系统检测发现了渗漏。实验结果表明，该方法可以有效实现对管道渗漏检测。

图10 面向管道渗漏检测的拉曼分布式光纤传感系统检测结果[3]Figure 10 Results of Raman distributed optical fiber sensing system for pipeline leak detection

3.3 电力电缆健康监控领域

电缆是电力系统中长距离传输和分配大功率电能的主要手段。由于敷设环境复杂且电缆高负荷运行，电缆极易因温度异常升高导致其使用寿命缩短，甚至还会产生局部放电、电缆火灾等运行故障[92-93]。随着智能电网规模迅速扩大和电压等级不断提高，国家对长距离电力设备的可靠性和安全运行提出高精度等更高性能的安全监测需求[93-95]。在电力电缆安全监控领域，拉曼分布式光纤温度传感器是较为理想的一种无损安全检测技术，该技术可以实时监测长距离输电线路的温度场变化信息，还可以通过温度场计算电缆载流量的变化[90]，为长距离输电线路故障监测和负荷管理提供全面有效的解决方案。

本课题组结合太阳能电池板温度监测需要，建立了太阳能电池板温度场变化模型，提出了基于模糊温差阈值法的拉曼分布式温度传感器对光伏面板温度监测、预测并进行实际应用[4]。图11 为基于模糊温差阈值法的拉曼分布式温度传感器实验结果，图11(a) 表明，系统可以实现分布式传感，从图11(b) 与11(c) 可以看出，系统可以有效预测缓慢变化的温度，且误差在±3.7◦C 之内。

图11 面向太阳能电池板温度监测的拉曼分布式光纤传感系统[4]Figure 11 Raman distributed optical fiber sensing system for solar panel temperature monitoring

4 结 语

本文概述了拉曼分布式光纤传感仪的工作原理，包括拉曼散射效应和光时域反射技术。介绍了近年来拉曼分布式光纤传感系统的主要研究方向和技术手段。在传感系统测温精度方面，主要包括探测信号编码技术、软件及硬件去噪技术、新型温度解调技术和增强受激拉曼阈值技术等手段；在提高传感系统空间分辨率方面，主要包括光源调制法、光纤色散补偿法、反卷积及数据拟合法等手段。最后，介绍了包括隧道火灾监控、管道健康监测、电网运行监测等领域的应用情况。拉曼分布式光纤传感器以其独特的性能和特点，在诸多领域有着广泛的应用前景。