分布式光纤测温系统的研制及其应用

第３３卷　第１期２０１２年２月

分布式光纤测温系统的研制及其应用

叶宗顺，刘艳平，刘　果，华　涛

（）国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，江苏省南京市２１０００３

摘要：阐述了基于背向拉曼散射和光时域反射技术的分布式光纤测温系统的基本原理、系统组成、温度解调方法和实验数据及其分析。分布式光纤测温系统由测温主机、感温光纤和温度解调软件组成。它具有成本低廉、灵敏度高、可靠性好、本质安全、连续分布式测量等特点。实验数据表明：该系统测温精度高、定位准确。关键词：分布式光纤测温系统；拉曼散射；光时域反射技术

０　引言

近年来，与传统的温度监测方法不同，光纤传感技术逐步应用于温度监测、火情监测领域。监测温度以及避免由于温度失控引起的损伤，已成为人们研究的一个热点课题。欧美等工业发达国家逐步将光纤传感技术应用于温度监控。

分布式光纤测温系统已经成为目前国内外研究的热点，工程上感温光纤的长度可达几十千米，分辨率高、误差小。应用分布式光纤测温系统可以获得一个具有一定跨度范围的、连续的温度分布信息。

图１　拉曼散射光谱图

１　分布式光纤测温系统的原理

１．１　测温原理

分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间它利用高功率脉冲光温度场分布的光纤传感系统，

在光纤中传输时，由于光纤的折射率随机起伏以及纤芯的微观不均衡等影响会产生拉曼散射的现象，根据对背向拉曼散射光信号的测量和时域分析，来进行温度的监测和定位。

当具有一定能量的泵浦脉冲光通过光纤时，光产生纤中的光学光子和光学声子发生非弹性碰撞，拉曼散射。拉曼散射产生２束不同波长的散射光，波长大于入射光波长的为Ｓ波长ｔｏｋｅｓ拉曼散射光，

［］

小于入射光波长的为ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼散射光１，－见图１。

［）］（）ＰＳ（Ｌ）＝ｐＥ０ｅｘ１－（ΓααｐＳＳ０＋ＳＬ［）］（）ＰＡＳ（Ｌ）＝ｐＡＳΓＡＳＥ０ｅｘ２－（ααｐ０＋ＡＳＬ

式中：ｔｏｋｅｓ拉曼散射光和Ａｎｔｉ－ｐｐＡＳ分别为ＳＳ，Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光在光纤中的后向散射因子；ΓＳ，ｔｏｋｅｓ拉曼散射光和ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼ΓＡＳ分别为Ｓ－

散射光在光纤中单位长度上的后向散射系数；αＳ，ｔｏｋｅｓ拉曼散射光，ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉αα－ＡＳ，０分别为Ｓ

曼散射光和入射光在光纤中单位长度上的损耗系数；Ｌ为后向散射点到探测端的光纤长度。

根据爱因斯坦的光子理论，式（和式（中的１）２）Ｓｔｏｋｅｓ拉曼散射光和ＡｎｔｉＳｔｏｋｅｓ拉曼散射光的后－向散射因子ｐｐＡＳ分别表示为：Ｓ，

ｐＳ＝

当能量为Ｅ０的激光脉冲注入到光纤中时，在距离注入点长度Ｌ处发生拉曼散射，光纤入射端所探测到的Ｓ和Ａｔｏｋｅｓ拉曼散射光ＰＳ（Ｌ）ｎｔｉＳｔｏｋｅｓ－

２－３］

：拉曼散射光功率ＰＡＳ（分别为［Ｌ）

ｐＡＳ

式中：ｋ为玻尔兹曼常量；Ｔ为绝对温度值。

））））把式（和式（代入式（和式（可得：３４１２

）

ｅｘｐ

＝

１－ｅｘｐ

ｋＴ）

１－ｅｘｐ

ｋＴ

（）３

（）４

。收稿日期：２０１１０９１６－－

—４

３—