曹桂芳

（山西交通科技研發(fā)有限公司智慧交通研究院 山西省太原市 030006）

1 引言

拉曼分布式光纖測溫系統(tǒng)具有長距離測量、耐腐蝕、易安裝、靈敏度高等獨特的優(yōu)點[1]。傳統(tǒng)的光纖測溫技術(shù)采用單頭結(jié)構(gòu)型分布式光纖測溫系統(tǒng)進(jìn)行測量，存在諸多問題[2]，例如：在探測光纖的始端和末端溫度測量準(zhǔn)確度低、精度低、誤差大；若探測光纖斷裂，斷裂后的部分無法繼續(xù)測量[3][4]。

為解決傳統(tǒng)光纖測溫技術(shù)存在的缺陷，本文提出了一種雙頭結(jié)構(gòu)型的溫度解調(diào)方法，即雙參考點溫度解調(diào)方法。并通過理論和實驗驗證了該方法可以提高測溫精度，且測溫精度不受光纖微小損耗變化的影響。

2 拉曼散射測溫原理

拉曼散射的產(chǎn)生是由于連續(xù)介質(zhì)中光與光子的相互作用，在相互作用的過程中，介質(zhì)通過散射失去能量（反斯托克斯光）或者獲得能量（斯托克斯光），分子與光子的振動狀態(tài)服從玻色——愛因斯坦統(tǒng)計分布，是溫度的函數(shù)。在室溫下，大部分光子處于低能量狀態(tài)，所以反斯托克斯散射比斯托克斯散射弱，通常斯托克斯光Ist和反斯托克斯光Ias強度表為[5][6]：

此處v0是入射光的波數(shù)，△v 是拉曼變化的波數(shù)，n 是光子數(shù)，可表示為：

上式中 h 是普朗克常數(shù)，k 是玻爾茲曼常數(shù)，c 是光速。拉曼變化的波數(shù)取決于介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，石英光纖中的拉曼光譜在400～500 cm-1之間有一個峰值。

在拉曼散射中，由于反斯托克斯光對溫度的敏感性相對較強，因此常用的溫度解調(diào)方法是把反斯托克斯光作為信號通道，斯托克斯光作為比較通道，根據(jù)式（1）和（2），反斯托克斯光Ias和斯托克斯光Ist強度的比值R(T)和溫度的變化關(guān)系是：

利用內(nèi)置光纖的溫度，即參考溫度T0（固定的溫度）：

綜上所述，溫度解調(diào)的關(guān)鍵是通過探測斯托克斯和反斯托克斯光強信息而計算溫度的，因此依據(jù)光電轉(zhuǎn)換、放大電路和數(shù)據(jù)采集電路的處理獲得斯托克斯和反斯托克斯光的數(shù)字電信號，再根據(jù)公式（4）計算溫度信息。根據(jù)公式（4）散射點的溫度由R(T0)和R(T)確定，所以計算出的溫度值僅是溫度的理論計算值。

圖1：常規(guī)法和校準(zhǔn)法的測量結(jié)果

圖2：改進(jìn)的雙頭結(jié)構(gòu)

圖3：改進(jìn)的雙頭結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果

在實際應(yīng)用中，溫度的理論計算值與實際測量值之間存在一定的誤差，溫度測量的精度受到光器件特性的影響，比如光源（波長）、光濾波器、光電二極管、參考溫度計（不可靠）、光開關(guān)、光連接器、接口和傳感光纖等。通常光器件的連接是通過光連接器或者光纖接口，長距離的傳感光纖是以約兩公里的光纜為標(biāo)準(zhǔn)通過光纖接口連接而成的，光連接器和光纖接口勢必會存在損耗，影響測溫精度。

盡管每個分布式光纖測溫技術(shù)對測溫精度提供了獨特的溫度校準(zhǔn)技術(shù)，但研究新的溫度校準(zhǔn)技術(shù)對測溫系統(tǒng)仍具有十分重要的意義。簽于此，本文提出了一種新的溫度校準(zhǔn)方法。

3 新型溫度校準(zhǔn)方法

根據(jù)上述的溫度解調(diào)原理，為了消除光器件特性對溫度測量的影響，提高測溫精度，本文采用設(shè)置參考點的溫度解調(diào)方法。把傳感光纖（傳感光纖和內(nèi)置光纖的特性不同）連接于測溫系統(tǒng)主機，假設(shè)傳感光纖的拉曼頻移波數(shù)和內(nèi)置光纖是相同的，Rr(T0)和R(Ts)是內(nèi)置光纖在實際溫度和參考溫度處的反斯托克斯光和斯托克斯光的強度的比值，那么散射點測量的溫度(T's)可通過測量Rr(T0)和R(Ts)計算。此處，Ts是實際溫度，T0是參考溫度。

實際測量的R(Ts)可以表示為：

此處DLconn是光連接器的差損，是傳感光纖的拉曼頻移的波數(shù)。Rr(T0)由下式給出：

聯(lián)立（7）（8）（9）可得：

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當(dāng)在散射點測量溫度時，溫度可由（7）式計算出來，實際溫度設(shè)為T'1和T1。然后在另一個溫度測量，溫度同樣可以由（7）式計算出來，實際溫度設(shè)為T'2和T2，那么，Ts和傳感光纖的拉曼頻移波數(shù)可表示為：

根據(jù)上述計算，運用我們提出的校準(zhǔn)方法評估了溫度測量的精確度。首先，運用（12）式，我們確定了傳感光纖在+80℃（T1）和+300℃（T2）時的實際拉曼頻移波數(shù)；溫度從+80 ℃到+300℃，參考溫度計和DTS 之間測量的溫度差是在±0.2℃內(nèi)。

4 實驗測試

為了補償差損，研究者們提出了許多方法，例如：使用不同波長的兩種光源[7-12]，最特別的是在雙頭（環(huán)形）結(jié)構(gòu)使用一根傳感光纖(需要都接近光纖末端)。后來可靠的補償差損的技術(shù)是通過計算向前和向后的斯托克斯和反斯托克斯光，用這種方法，在溫度近似上，光纖的衰減和局部損耗通過反斯托克斯/斯托克斯信噪比相互抵消，導(dǎo)致自動校準(zhǔn)測量而不取決于光纖損耗的變化。

這種雙頭結(jié)構(gòu)需要在DTS 外安裝參考溫度計，但是這樣會很不方便。為了克服這個不便，我們提出了一種利用內(nèi)置溫度參考光纖的雙頭結(jié)構(gòu)的方法[6]。

圖2中，近光纖末端A 和遠(yuǎn)光纖末端B 設(shè)置為同樣的溫度條件，在點DA測得A 處的反斯托克斯/斯托克斯信噪比表示為：

在點Dc處測得A 和B 反斯托克斯/斯托克斯信噪比之和（幾何平均數(shù)）為：

利用（15）和（16）式，內(nèi)置光纖（單頭）和傳感光纖（雙頭）的信號可以相結(jié)合。

在上述討論的基礎(chǔ)上，在差損變化時，我們使用傳感光纖對溫度測量進(jìn)行了實驗。

圖3是恒溫（+24.8℃）時測量的實驗結(jié)果，溫度測量使用的是改進(jìn)的雙頭結(jié)構(gòu)，傳感光纖不受差損變化的影響；但是若溫度測量使用常規(guī)的單頭結(jié)構(gòu)，測量結(jié)果會受到強烈的影響。同樣地，圖3表明了采用沒有修正的標(biāo)準(zhǔn)雙頭結(jié)構(gòu)，DLfiber_total仍然存在誤差。

5 總結(jié)

本文從該類系統(tǒng)的工作原理出發(fā)提出一種基于雙頭結(jié)構(gòu)型DTS的新雙參考點溫度校準(zhǔn)方法，并通過理論和實驗驗證了本溫度解調(diào)方法能夠提高測溫精度，同時運用該解調(diào)方法的測溫系統(tǒng)其測溫精度不受光纖微小損耗變化的影響。使用該方法，溫度范圍在+80℃～+320 ℃之間時，溫度測量的精確度在 1℃內(nèi)。