分布式光纤拉曼温度传感技术

正如上一小节所述，光时域反射计技术是一种有效测量光纤中衰减分布的技术。如果以一种确定的方式使某外部场能够影响衰减的修正，那么，利用光时域反射计技术，沿光纤长度相应配置该场强度，从而就对该场形成了分布式测量。的确，在1986年，依靠掺稀土光纤中温度与吸收的关系，曾研究过此类方法^[3]。但方法存在一些缺点，其中最重要的是，一段中的测量灵敏度取决于另一段有多少吸收（即取决于其温度）。

能够成功测量温度分布的一种方法是以本书9.8节介绍的非线性拉曼效应为基础。在讨论石英中拉曼效应的起因时注意到，假如该效应是自发的（非受激），那么反斯托克斯辐射就取决于相应的虚能级从受激态拉出的粒子数。因此，反斯托克斯辐射的强度按下面形式变化：

式中，hν₁₀为基态与分子的旋转/振动受激态之间的能量差。还要记住，只有介质处于绝对温度为T的热平衡状态下，该规律才是正确的。也就是说，测量光纤中温度分布时，I_a对温度的依赖关系。

为了模拟拉曼散射，假设，将一个具有足够强度的窄泵浦脉冲输入光纤（单模或多模）的一端。散射量随λ^-4变化，符合非结晶介质的散射原理。一部分各向同性散射（仍然是介质非结晶性质的原因）将后向散射到光纤的入射端。因此，与后向散射一样，能够在光学泵浦频率处观察到普通的瑞利散射，以及在瑞利谱线任一侧的波长处出现斯托克斯（s）和反斯托克斯（a）拉曼辐射的宽光谱。此外，后向散射光谱随时间的变化将表明光纤的拉曼散射性质随位置变化。这与光时域反射计技术一样，是因为任一给定时间都对应着一个脉冲在光纤中的位置。

假设，选择专门确定的窄带（约1nm）的a和s辐射，到泵浦频率的间隔相等。显然，对此最方便的位置就是靠近a和s光谱中最大值的位置，出现在距泵浦谱线±15nm处（见本书图9.11）。当然，泵浦与选择带之间的频差对应着一个特定的旋转或振动能级。因此有：

ν_a=ν_p+ν

ν_s=ν_p-ν

式中，ν_p为泵浦光频率。由于s辐射与温度无关，所以可以很方便地用作参考能级以消除光源振动和光纤衰减的影响。因此，（利用一台单色仪，即一个衍射光栅）测量出ν_p+ν和ν_p-ν两个位置的I_a，并得到下面比值：

由于其他参数都是常数，所以R_T是对温度T的直接测量。根据时间函数测量出R_T就会得到光纤中不同位置的温度。这是一种很方便的分布式温度测量传感器。此外，可以测量绝对温度，并且与光纤材料无关。为了处理该信号，简单地对式（10.21）取对数，有：

由于在温度θ时是一个基准部分，所以可以消除等式右端第一项，因为：(www.xing528.com)

将上面两个公式相减得

图10.25所示就是为实现这种思想而给出的实际结构布局图，对应着图10.26所示测量出的温度分布。注意到，使用一个雪崩光敏二极管（Avalanche Photodi-ode，APD）作光电探测器。这也可以应用在光子计数模式中，因为给雪崩光敏二极管适当加一偏压，每个输入光子都将产生一股电子。进一步详细地考虑一下，利用近似量为该测量系统设计一种光子技术系统是非常有益的。

图10.25　拉曼效应分布式光纤温度测量系统

图10.26　测量出的温度分布（利用图10.25所示的系统）

首先，泵浦功率不要太高，因为一定不能出现受激拉曼增益，否则热平衡不再保持，拉曼后向散射就不能用于介质温度的计量。假设，峰值泵浦功率为1W，脉冲的持续时间将确定测量的空间分辨率。假设技术要求为1m，对应着10ns的脉冲持续时间（记住，2l=c_gt，光纤中c_g约为2×10⁸m/s），脉冲能量为10nJ。如果泵浦的光学波长为1μm，则10nJ中的光子数为

在10⁶个光子中大约有1个是拉曼散射（就是约10⁵个）。由于斯托克斯散射是较强过程，所以只有10%，即约10⁴为反斯托克斯散射；只有极少部分，约5×10^-3会后向传播到光纤入射端，大约50个。现在讨论光纤、分束镜和单色仪中的损失及探测器的量子效率，希望每1m分辨率长度只能探测到约5个光子。在本书1.7节已经介绍过，N个光子的信噪比为N^1/2。如果要求测量精度为1%（信噪比是100%），那么N至少为10⁴。为了达到这种精度，必须在约2000（即10⁴/5）个泵浦脉冲范围内积分。若光纤的整个长度是1km，这意味着，为了完成测量必须等待约（2000×10^-5）ms=20ms的时间。若测量大型结构的温度，由于这些结构的热时间常数（或热时常数）较大，该时间是可以接受的。然而，光子计数技术对目前应用是很昂贵的，目前市场上使用的“分布式测温系统（Distributed Temperature System，DTS）”并没有采用这一技术，它们使用模拟模式的雪崩光敏二极管及晶体管放大器。若光纤长度是4km，1m的空间分辨率和10s的标准测量时间，那么这种系统的最好工作精度是±0.1°。该系统还在不断演化发展。需要更小的分辨率间隔。然而，减小该间隔意味着减小脉冲宽度，从而有更小的能量，由于不可能提高峰值脉冲功率（受激拉曼），所以会降低信号电平。还意味着，需要一个更快的光电探测器（因为脉冲更短）。这也表明有更多的噪声（更大的带宽），因此增大了测量时间或者使总长度更短。照例，这些都是系统设计中的问题——需要折中和平衡的艺术。