分布式光纖溫度監測技術與應用

吉增權

(平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467001)

分布式光纖測溫(Distributed Temperature Sensing)(簡稱DTS)技術，是一種用于實時測量空間溫度場的高新技術，最早是1981年英國南安普頓大學在通訊光纖上測試成功的。DTS系統于1986年正式投入商業化運作，在隨后的時間里，伴隨著光纖通訊的飛速發展，半導體激光器等一系列新技術、新產品的使用，使得光纖傳感行業也經歷了前所未有的發展，光纖的本征特性和越來越多成功的案例，充分證明光纖分布式測溫系統是解決溫度監測難題、火情預警與探測方面的最佳解決方案。

分布式光纖溫度傳感器系統，是一種實時、在線、多點光纖溫度測量系統，已成為工業過程控制中的一種新的檢測方法與技術。在系統中，光纖既是傳輸媒體，同時又是傳感媒體。利用光纖背向拉曼散射的溫度效應，將溫度信息實時地從噪聲中提取出來并進行顯示，從這一方面看，它是—種典型的光纖溫度通信網絡;在時域里，利用光纖的光時域反射技術對所測溫度點定位，從這一方面看，它是一種典型的光纖激光溫度雷達系統。

1 光纖背向拉曼散射及其溫度效應［1］

激光光脈沖射入傳感用的光纖之中，在光脈沖向前的傳播過程中，由于光纖的應力、密度、材料組成、溫度和彎曲變形等原因，發生散射現象，一部分散射光會按照入射光相反的方向傳播，稱之為背向散射光，返回的背向散射光包括瑞利(RayLeigh)散射、拉曼(Raman)散射和布里淵(Brillouin)散射。瑞利散射頻率與入射光脈沖一致，拉曼散射頻率與入射光脈沖相差幾十太赫茲，布里淵散射頻率與入射光脈沖相差幾十吉赫茲。

針對溫度檢測需求，瑞利散射信號對溫度變化不敏感;布里淵散射信號的變化與溫度和應力有關，但信號剝離難度大;拉曼散射信號的變化與溫度有關，而且拉曼散射信號相對容易獲取和分析，因此工業應用主要采集拉曼散射信號進行溫度分析。

圖1 激光散射光譜分析Fig1.Laser light scattering spectral analysis

拉曼散射會產生兩個不同頻率的信號：斯托克斯(Stokes)光(比光源波長長的光)和反斯托克斯(Anti-Stokes)光(比光源波長短的光)，光纖受外部溫度的調制使光纖中的反斯托克斯光強發生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實現對沿光纖溫度場的分布式測量。

典型的用Stokes Raman散射OTDR曲線解調反Stokes Raman散射OTDR的被測溫度T的表達式為：

其中，k為玻爾茲曼常數，h為普朗克常數;c為真空中的光速;k為波爾茲曼常數;V0為入射光頻度;T為絕對溫度。

由上式可以看出，要得知光纖所處環境的實時溫度T，必須知道T0，所以系統中引入一段定標光纖，對于固定的溫度(控溫模塊定標溫度)有：

可以看出，溫度信息T只是與光纖固定參數以及定標溫度有關的量。

2 光時域反射(OTDR)原理［5］

光時域反射技術是對空間分布的溫度實現空間測量的理論基礎。當光通過測量物理場時，光能量以三種方式分配：一是一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續傳播，二是一部分能量在傳輸過程中被吸收損耗或散射至關切外，三是一部分能量被耦合至接收通道，并被光探測器探測。

激光脈沖在光纖中傳輸時，在時域里，入射光經過背向散射返回到光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，有：

圖2 光纖后向散射原理示意圖Fig2.Optical backscatter principle diagram

V為光在光纖中傳輸速度;C為真空中的光速;n為光纖折射率。

被測物理場距光源的長度有：

因此利用光時域反射技術可以確定沿光纖溫度場中每個溫度采集點的位置及異常溫度點、光纖故障點、斷點的距離定位信息。

3 分布式光纖溫度監測原理

采用拉曼散射原理和光時域反射技術可以實現溫度和距離的測定。

入射的光量子與光纖物質分子將產生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時，光量子和物質分子之間沒有能量交換，表現為瑞利散射光，光量子的頻率不發生改變;非彈性碰撞時，光量子可以釋放或吸收聲子，發生能量交換，表現為產生一個波長較長的斯托克斯光和一個波長較短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感，采用以斯托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號通道，兩者的比值可以消除光源信號波動、光纖彎曲等非溫度因素，實現對溫度信息的采集。［3］

分布式光纖測溫系統的基本工作原理為：在同步控制單元的觸發下，激光器產生一個大功率光脈沖，經過光路耦合器后進入一段放置在恒溫槽中的光纖(用于系統標定)，然后進入傳感光纖，傳感光纖發生的攜帶溫度信息的自發拉曼散射光中的背向成分沿原路返回，通過分光器后分為兩束光，下接兩個不同中心波長的濾波器，對應濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經光電探測器轉化為電信號后送入數據采集與處理單元。在數據采集與處理單元中，包括了電信號放大、去噪、算法，最后輸出溫度值。

圖3 分布式光纖測溫原理Fig3.Distributed optical fiber temperaturemeasuring principle

4 煤礦采空區分布式光纖溫度監測系統

煤礦采空區分布式光纖溫度監測系統主要由地面監測主機、監測分站、傳輸光纜、監測光纜等組成。監測分站利用半導體激光器產生光脈沖信號，經過光波分復用裝置，將產生的拉曼散射光耦合至光電探測模塊，采用雙路微信號光電探測及信號放大電路進行光信號和電信號之間的轉換，將轉換后相應的電壓值經DSP高速處理芯片進行數據采集、解調與處理，并按照通信協議標準提供具體監測數據給地面監測主機(可提供RS232、RS485、以太網口接口方式)，后得到溫度的空間分布并以圖形或表格形式顯示出來。

系統組成如圖4所示。

隨著采煤工作面的推進，根據需要的監測范圍，將鎧裝測溫光纜沿兩順槽多路布設至工作面采空區，隨著時間的推移，測溫光纜將感知的溫度信號反饋給監測分站，經處理后傳輸至地面主機并予以顯示和報警，就可以實時檢測采空區，甚至采煤面、順槽等地點的環境溫度變化情況，同時實現高溫隱患點的定位。

5 應用情況

光纖傳感器技術是一項當今世界令人矚目的迅猛發展起來的高新技術之一，也是當代科學技術發展的一個重要標志，它與通信技術、計算機技術構成信息產業的三大支柱。

分布式光纖傳感器系統在20世紀80年代中期出現，經過近三十年的發展，技術日趨成熟，因其獨有的特點已成為工業過程控制中的一種新的檢測方法與技術。目前，國內外研制的有關產品，測量距離可達30km甚至更遠，溫度分辨率0.01℃，精度±0.5℃，空間分辨率30cm，測量時間5s，測量范圍可達650℃，使用壽命可達40年。由于分布式光纖溫度傳感系統中的檢測光纖本證無源不帶電，耐高電壓和強電磁場、耐電離輻射，抗射頻和電磁干優，防雷、防爆、抗腐蝕，能在有害環境中安全運行，是實用的“本安”型傳感器，因此，在電力系統、交通領域、隧道、大壩、石油、化工、煤礦等危險區域的大面積、大范圍的溫度報警和火情監測等領域，已成為光纖傳感技術和檢測技術應用的發展趨勢。

近十幾年來，傳感器的產量及市場需求年增長率均在10%以上。目前世界上從事傳感器研制生產單位已增到5000余家。美國、歐洲、俄羅斯各自從事傳感器研究和生產廠家1000余家，日本有800余家。但是，我國目前的光纖傳感器的產業化和大規模推廣應用方面遠遠不能滿足國民經濟發展的需求。國家2010年遠景規劃和十五計劃己將傳感器列為重點發展的產業之一，市場需求和發展空間的潛力是非常巨大的，其中光纖傳感器將占有相當大的比例，這預示我國在光纖傳感器領域將出現一場激烈的競爭和挑戰，在不久的將來，我國光纖傳感器領域將呈現前所未有的燦爛和輝煌。

圖4 煤礦采空區分布式光纖溫度監測系統

［1］王玉田，等.光纖傳感技術及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［2］黃賢武，郁筱霞.傳感器原理應用［M］.成都：電子科技大學出版牡，1995.

［3］史曉鋒，李錚，蔡志權.分布式光纖測溫系統及其測溫精度分析［J］.測控技術，2002，21(1)：9-12.

［4］劉媛，張勇，等.分布式光纖測溫技術在電纜溫度監測中的應用［J］.山東科學，2008，21(6)：50-54.

［5］張在宣，于向東，等.分布光纖Raman光子傳感器系統的優化設計［J］.光電子激光，1999，10(4)：110-112.

［6］廖延彪.光纖光學［M］.北京：清華大學出版牡，2002.

［7］黃尚廉.分布式光纖傳感器現狀與動向［J］.光電工程，2000，6(3)：57-62.