用于火灾预警的分布式光纤温度传感器

电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering
电子技术
Electronic Technology 用于火灾预警的分布式光纤温度传感器
刘温彦
（郑州大学 河南省郑州市 450001 ）
摘 要：本文对光纤DTS 的国内外研究现状进行了概括，并给出了最新研究成果的系统构成、温度解调模型及算法。

该传感器具有智 能化、小型化、高精度、实时性等优点，可以针对不同的需求及场合进行功能扩展，可广泛用于煤矿业、电力系统行业、建筑业、航天航 空业等领域，有极大的发展空间和应用前景。

关键词：预警系统；分布式光纤温度传感器；电力系统
1引言
分布式光纤温度传感（DTS ））技术是二十世纪八十年代提出 的一种新型测温技术。

它的温度测量机理是光纤的瑞利散射、布里 渊散射和拉曼散射。

其中，基于瑞利散射的测量精度低、响应范围 小、传感距离短，应用范围非常受限⑴。

布里渊散射可同时进行应 力和温度的传感测量，但是测量所用激光光源、温度解调算法昂贵、 复杂，要想普及非常困难。

相比之下，拉曼散射DTS 系统构成简单， 成本中等，因而研究的种类最多、更容易实现商业化，逐渐成为温 度传感领域的研究热点。

上世纪八十年代初，英国的J.P. Dakin 课题组首先利用后向拉 曼散射光的温敏效应提出了分布式测温的理论模型⑵，并以此理论 为基础研制出光纤长度100m 、测温范围77K-800K 的DTS 系统叫 同时，英国南安普顿大学改变泵浦光源，利用物美价廉的半导体激 光器实现了 1000m 光纤的测温传感器实用系统⑷。

此后，很多公司 都相继推出了 DTS 系统，并且不断改善温度测量范围、空间分辨率、 温度分辨率以及测量时间。

与此同时，科研人员也在为系统性能的 提高及系统对各种不同应用场合的适用性进行更深入的研究W 中国对于DTS 的研究始于上世纪90年代初，一经开始，科学 研究和实用性的发展都非常迅速。

DTS 测温样机首先由重庆大学研 制成功化 此后，中国计量学院冋、浙江大学⑴】、华中理工大学2、 北京理工大学3、北京航空航天大学1,41等高校都在相关领域相继
开展了多项研究。

由于拉曼散射的DTS 是基于反斯托克斯散射光的温敏特性， 利用斯托克斯和反斯托克斯的光强比值进行温度解调的，随着光纤 长度的增加，因为二者波长不同损耗有所差别对温度测量带来的影
响不能忽略甚至很大t ，5］o 有研究人员采用光纤双端入射法［心7］来 修正两种散射衰减不同产生的误差，这种方法的不好之处是传感距 离缩短至单端入射法的一半。

双光源法，可以有效地解决因为二者 损耗不同产生的温度解调曲线扭曲问题丽，并且温度测量精度更高， 但是需要两种高稳定性的激光光源，极大地提高了系统的成本。

文
献1191利用光纤末端增加反射镜的传感系统解决了同样的问题，但 是增加了信号测量（依赖反射镜的反射率）和后期信号处理（反射
光中成分复杂）的难度。

针对Raman 散射分布式光纤温度传感器中存在的问题，郑州 大学课题组提出了一种基于拉曼散射的折叠光纤结构温度测量装置 呦，并提出利用单一的反斯托克斯散射光进行温度解调的算法［2,,o 图1:散射光分布图2：系统原理图，APD 雪崩光电二极管不但大大简化了实验装置的结构复杂性，而且消除了由斯托克斯、
反斯托克斯散射光波长差别引起的损耗偏差。

2最新研究成果光波在光纤中传输，与光纤分子或者光学声子发生弹性或非
弹性碰撞，会产生多种类型的散射，根据散射原理分为三种类型： Rayleigh 散射（与入射激光波长相同）、Brillouin 散射（与入射激 光有小的频移）和Raman 散射，如图1所示。

Raman 散射又分为
长波长的斯托克斯散射和短波长的反斯托克斯散射，其中反斯托克 斯散射光强与光纤所在环境温度场有关，本系统通过探测反斯托克 斯光强给出温度场分布。

系统如图2所示。

脉冲激光光源经过光环形器进入折叠结构传 感光纤（光纤总长度为2L ）,光纤后向散射光经Raman 滤波器之
后，反斯托克斯光被APD （雪崩光电二极管）接收及放大器放大后， 进行数据采集与信号处理，从而得到光纤所在环境温度场分布。

在此系统中，光纤1位置和2L-1位置处于相同的温度场中，光 纤1处和2L-1处的反斯托克斯光强分别为：I 』，T ）= K"S.uJl°R"⑴eg 心'L （2Z -/,7） = K.S • u ： •厶凡仔）严+%）（2一） 二式相乘可得光强及解调温度场为：
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'(丁)=占”(⑴x(2Z-⑺=K”S x/x x(7-)x e养曲T
其中心（0=（/%卩-1）,T为开氏温度，h为普朗克常数，k
为玻尔兹曼常数。

S为光纤散射因子，Kas探测器响应系数，％及%分别为光纤对入射光与反斯托克斯光的损耗系数，％反斯托克斯光频率。

这样我们可以通过探测到的1及2L-1位置处的反斯托克斯光强来解调岀光纤1位置处的温度场。

3结论
本文对光纤DTS的国内外研究现状进行了概括，并给出了最新研究成果的系统构成、温度解调模型及算法。

该传感器具有智能化、小型化、高精度、实时性等优点，可以针对不同的需求及场合进行功能扩展，可广泛用于煤矿业、电力系统行业、建筑业、航天航空业等领域，有极大的发展空间和应用前景。

该传感器通过温度监测、预警有效的消除安全隐患、减少火灾的发生、发展，极大地保护了人民生命财产安全和社会稳定，将带来巨大的社会经济效益。

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作者简介
刘温彦，男，山东省莱阳市人.合肥工业大学本科学历.研究方向为光电信息处理.
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