分布式光纤测温系统的研制

　　0　引言

　　近年来，为改进传统的温度监测方法，将光纤传感技术应用于温度监控领域来监测温度以及由温度引起的损伤，已成为人们研究的一个热点课题。欧美等发达国家已逐步将光纤传感技术应用于温度监控。

　　目前，分布式光纤传感系统是国内外研究的热点，测试用光纤的跨距可达几十千米，分辨率高，误差小。要获得一个具有一定跨度范围的整个温度信息，使用传统的单点移动式或由多个单点组成的准分布式传感方式既耗时、耗资，且在布线上很困难，其性价比很低。这时使用完全分布式温度传感器显然是最有效的方法。这就要求介质既要有高的灵敏度，又能有效地传输所感应的信号。光纤就具有这种双重特性，而且它还具有抗电磁干扰、防燃、防爆、尺寸极小、对被测温度场的影响小等其他介质无法比拟的优点。因此，研制出一种分辨率高、测温误差小的分布式光纤测温系统具有很大的应用价值。

　　1　分布式光纤测温原理

　　分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统，它利用高功率脉冲光在光纤中传输时，由于光纤的折射率随机起伏以及纤芯的微观不均衡等因素的影响，脉冲光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，光纤中的光学光子和光学声子发生非弹性碰撞，产生拉曼散射。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Stokes拉曼散射光，波长小于入射光波长的为Anti-Stokes拉曼散射光[1]，拉曼散射光谱如图1所示。

　　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Stokes拉曼散射光和Anti-Stokes拉曼散射光功率的计算方法如下[2-5]。

　　Stokes拉曼散射光功率为：

　　Anti-Stokes拉曼散射光功率为：

　　式(1)、式(2)中：PS，PAS分别为Stokes拉曼散射光和Anti-Stokes拉曼散射光的功率;E0为入射泵浦光脉冲的能量;pS，pAS分别为Stokes拉曼散射光和Anti-Stokes拉曼散射光在光纤中的后向散射因子;ΓS，ΓAS分别为Stokes拉曼散射光和Anti-Stokes拉曼散射光在光纤中单位长度上的后向散射系数;αS，αAS，α0分别为Stokes拉曼散射光，Anti-Stokes拉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(1)和式(2)中的Stokes拉曼散射光和Anti-Stokes拉曼散射光的后向散射因子pS，pAS可分别表示如下。