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分布式光纤测温原理介绍
亚游集团光电 / 2012-11-01

分布式光纤温度传感系统DTS是基于光纤拉曼(Raman)散射现象。激光器光源发出的光脉冲与光纤分子相互作用,发生散射,散射光有多种类型,如:瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是与光纤分子的热振动相关联的,因而对温度有敏感,可以用来进行温度测量。在光纤中,散射信号是连续的,通过使用高速信号采集技术测量入射光和拉曼散射光之间的时间间隔,可以得到拉曼散射光发生的位置,由于拉曼散射光对温度敏感,所以可以沿着光纤测量到相应的温度分布。


作为一种传输媒介 ,光纤一般被认为是一种无源介质。但是在非线性领域 ,光纤却表现出一种很强的有源特性。非线性效应对光纤通信是非常不利的 ,但是对于光纤的其它应用 ,如光放大、光振荡以及光调制等方面 ,却意义重大 ,同时在传感技术方面也有潜在的应用前景 。光散射是光与物质相互作用的一种表现形式 ,它是以介质的不均匀性为前提的 。当光通过介质时 ,大部分光将透射过去 ,但有一部分光则偏离原来的传播方向而散射 。光散射的特性与介质的成分、结构、均匀性及物态变化都有密切的关系。在宏观上可看作是由介质的光学不均匀性或折射率的不均匀性引起的。

具体如下:

分布式光纤温度检测技术的原理是依据后向拉曼(Raman)散射效应 。当输入波长为 1550 nm 或 1310nm 的激光脉冲与光纤分子相互作用 ,发生多种散射 ,如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼散射等 ,如图 1 所示。其中拉曼散射与光纤分子的热振动密切相关。从量子理论能级的观点来看 ,拉曼散射是由光子的非弹性碰撞引起的。以双原子分子的能级为例 ,拉曼散射过程的能级如图 2 所示。
 

图 2 中 E1、E2分别表示分子振动的基态和激发态。假定注入光纤的激光频率为υ0, 光子的能量为 hυ0;当分子从振动基态 E1(或振动激发态 E2)被入射光激发到能级 E1+ hυ0(或 E2+ hυ0)的虚态 , 又回到振动基态 E1(或振动激发态 E2), 散射出频率为υ0的光子 , 这一过程称为瑞利散射 。当振动基态的分子被入射光激发到虚态 , 然后回到振动激发态E2, 产生能量为 h(υ0-υ)的拉曼散射, 散射光子的频率为υ0υ,这种散射称为斯托克斯(Stokes)散射;另一种是处于振动激发态的分子被入射光激发到虚态 , 然后回到振动基态 E1, 产生能量为 h(υ0+υ)的拉曼散射 , 散射光子的频率为υ0+υ, 这种散射称为反斯托斯(Anti2Stokes)散 射。Stokes和Anti2Stokes散射光在频谱图上的分布大致是对称的,Anti2Stokes散射光对温度敏感 , 其强度受温度调制 ,而 Stokes 散射光基本上与温度无关 , 两者光强的比值只与散射区的温度有关。因此 ,通常都将Anti2Stokes拉曼散射用作信号通道 ,作为计算温度的主要依据 。而Stokes拉曼散射通常被用作参考通道 ,用来消除噪音等其他因素的影响。检测两者光强的比值 ,就可以解调出散射区的温度信息 ,同时还可以有效地消除光源的不稳定以及光纤传输过程中的耦合损耗、光纤接头损耗 、光纤弯曲损耗和光纤传输损耗等影响。

 
 

图3为分布式光纤测温系统结构图,在同步控制模块的触发下 ,激光器发出的光在光脉冲调制器的作用下 ,形成特定重复频率和宽度的脉冲光 。脉冲光通过光耦合器连接到恒温槽和传感光纤上 。在脉冲光的传输过程中 ,不同测试点的散射光信号会有部分沿着传输光路返回至光耦合器。光耦合器会将约 50 %的拉曼散射光耦合至光处理子系统 。拉曼散射光包含两个频率的光 : Stokes 光和 Anti2Stokes 光。它们的频率分布在入射光频率的两侧。通过分光器 ,将两个不同频率的光分开 ,进入不同的光路进行处理。由于散射光中还夹杂着其他散射光和干扰光 ,所以需要对两路光进行一定的带通滤波处理 , 得到带有温度信息的 Anti2Stokes 拉曼散射光和参考信号后向散射光。这两个通道的后向散射光经各自的 APD(雪崩光电二极管)进行光电转换和放大 ,数据处理和显示软件则对采集到的数据进行处理 ,得到温度的空间分布并以图形或表格形式显示出来。由于整个系统损耗和噪声的影响 ,需要进行多次测量 ,对数据进行累加、平均处理 ,以得到更能反映所测温度场的真实的温度曲线 ,然后传送到计算机存储在数据库中。  

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