人體測溫的分布式光纖溫度傳感器的系統性能分析

肖彬?黃焰

摘 要：分析了基于拉曼散射溫度傳感系統的三種溫度解調方式，選擇了利于研究體表溫度場變化特點，利用拉曼散射比值來解調溫度信息的系統結構，設計了基于分布式光纖傳感器的人體測溫系統，并針對系統的多項性能參數進行了分析。

關鍵詞：分布式光纖；拉曼散射；溫度傳感器；人體測溫

基金項目：2011年武漢市市屬高校科研課題 光電子技術專業核心課程“光電探測與處理技術”的項目化課程改革（2011102）

1 前言

分布式光纖溫度傳感器用于人體測溫領域，有著不可比擬的優勢。醫學實驗結果表明，麻醉用藥后20分鐘硬膜外麻醉下拇指尖，前臂等非阻滯區的皮溫較用藥前分別下降1.08℃和0.98℃，而臍部，腳趾處等阻滯區的皮溫上升0.57 ～4.33℃不等[1]。使用分布式光纖傳感器應用于人體測溫，在具有高的溫度靈敏度的同時，還能有效傳輸攜帶溫度信息的光信號，能夠實現一次測定整個被測光纖區域的一維溫度分布場，對空間溫度場實時監測。分布式光纖溫度傳感系統能有效地對人體溫度場分布進行實時監測，可為局部麻醉深度的判斷開創了一種全新的方法。

2 分布式光纖溫度傳感器系統設計

分布式光纖溫度傳感器通常是將光纖沿溫度場排布，將光纖傳輸時所產生的散射光運用光時域反射（OTDR）技術，對光纖傳輸路徑的空間分布和隨實踐變化的信息進行測量和監控。分布式光纖傳感器中拉曼散射對溫度敏感。拉曼散射包含上升頻率的散射光——反斯托克斯光及下降頻率的散射光。在分布式光纖溫度傳感器中，利用反斯托克斯光和斯托克斯光強比值來解調，利用其與溫度呈指數關系的特點可以較好的進行高精度溫度測量。

我們設計的一套分布式光纖溫度傳感器系統，系統框圖如圖1所示。由半導體激光器發射窄脈寬高峰值功率的激光脈沖，光脈沖被光纖耦合器耦合入傳感光纖，一邊向前傳輸一邊與光纖介質相互作用發生自發喇曼散射，攜帶了溫度信息的后向喇曼散射光沿光纖返回，反斯托克斯和斯托克斯光通過光學濾波片分離出來，由APD探測將光信號轉換為電信號，最后經過信號處理的反斯托克斯光和斯托克斯光的比值還原出溫度場信息。

圖2 分布式光纖溫度傳感系統框圖

在測量人體體表溫度場的傳感器的研究中，選擇了810nm光纖輸出模塊，G081PU1600m半導體激光器。使用20ns的脈沖寬度，100kHz的重復頻率的電流脈沖調制半導體激光器，光脈沖的脈寬較窄，周期較短，采用PIN探測器（AsGa材料）和MAX3963低噪前置放大電路構成的接收機模塊來檢測激光器發射的光脈沖波形，將其轉換為電信號。

注入光脈沖與傳感光纖作用發生散射，由于瑞利散射光和布里淵散射光的波長與喇曼散射光的波長不同，可以運用光學帶通濾波器將喇曼散射光濾出來。又因為反斯托克斯光和斯托克斯光需要分別探測，所以使用兩個中心波長分別為反斯托克斯光λas=780nm和斯托克斯光λs=838nm的濾波器。為了充分利用光源能量，將濾波器的半高全寬取為15nm。當溫度在0～100℃之間變化時，反斯托克斯信號的幅度變化與溫度呈線性關系，溫度分辨率要求0.2℃時，AD的采樣位數應該大于10位。

3 系統工作性能分析

針對該系統的相對溫度靈敏度、溫度分辨率以及空間分辨率進行了系統分析。

3.1 相對溫度靈敏度分析

根據系統測量結果分析，計算得到在T=300K～315K時，靈敏度曲線逐漸下降。當T=310K時，=6.6‰。由于系統的相對靈敏度并不高，當測量的溫度變化時對后續信號檢測不利。為提高系統的相對溫度靈敏度采用了摻入氧化鍺材料的光纖進行了替代。但該光纖引入后對于微弱信號檢測時，信噪比反而增加了。后續采用的反斯托克斯光和斯托克斯光強比值解調的方法將靈敏度進一步增加了。當T=310K時，=7.581‰，提高了15%。這樣即使是高摻鍺的傳感光纖，靈敏度也會比用兩路喇曼光調制的方法要高。

3.2 系統溫度分辨率的分析

在實際測量系統中，斯托克斯光功率約為反斯托克斯光功率的6倍，測量溫度越高，溫度分辨率越大。當測量溫度一定時，溫度分辨率與信噪比成反比，要提高系統溫度分辨率，則需提高信號的信噪比。實際應用中可以采用了增加激光器輸出、采用高摻鍺光纖、選擇合適APD探測器最佳增益系數的方法提高其溫度分辨率。但這三種方法會增加溫度傳感器的成本，因此我們在信號處理過程中采用多次測量取平均值的方法濾除噪聲的影響。信噪比的提高與測量平均次數的平方根成正比，要達到0.5℃的溫度分辨率，累加次數要在216以上。可在累加之前進行小波分析，平均處理之后進行最小二乘法平滑處理，可以在保證信噪比改善同時，減小累加次數。

3.3 系統空間分辨率分析

由于激光發射的是一列近似方波信號，其脈寬的存在使傳感光纖這一小段距離的散射信號同時返回注入光功率一端的接收

機，而無法分辯，這一小段距離就是空間分辨率。假設后續接收機或信號采集電路的帶寬能滿足要求，則脈沖寬度越窄，空間分辨率越小，在同樣長度的傳感光纖上能夠測量到更多的溫度點信息，使溫度場分布曲線更加細致，系統性能就越好。當然脈寬太窄，會使脈沖能量減小，不利于溫度分辨率的提高，所以需要綜合考慮各種因素而選取最佳脈寬值。

4 結論

根據分布式光纖測溫原理，選取了用反斯托克斯光和斯托克斯光強比值來解調的方法設計了一套分布式光纖溫度傳感器，并對該系統的多項性能參數進行了分析。該分布式光纖溫度傳感器用于人體溫度測量需采用大量數據進行對比分析，并測試系統的空間分辨率及溫度分辨率。后續目標是設計出能夠滿足空間分辨率為2m和溫度分辨率為0.2℃的系統。針對改善系統精度方面并進行實驗對比。

參考文獻

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[3] 李麗萍，基于DSP的分布式光纖測溫系統. 太原科技，2008年第5期

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[8] 秦昕，基于布里淵散射的雙光路分布式光纖溫度傳感系統研究，碩士學位論文，2011.1.1

作者簡介

肖彬（1982-），男，湖北武漢人，本科碩士，講師，主要研究方向：光電子技術、光有源無源器件。

黃焰（1982-），女，湖北武漢人，本科碩士，講師，主要研究方向：光電子技術、電子與通信。