分布式光纖測溫技術

光纖通信技術發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)激光信號在光纖中傳播時，光信號受到了光纖周圍環(huán)境的影響，在強度和頻率等參數(shù)上發(fā)生了變化。隨著光纖的進步發(fā)展，衍生出了光纖傳感這一技術。光纖傳感技術采用了光纖作為傳感和通信媒介，十分適合實現(xiàn)分布式傳感。

分布式光纖測溫原理

根據(jù)激光在光纖中傳播時散射光的類型來分類，可以分為基于瑞利散射效應，基于布里淵散射效應和的基于布里淵散射效應的三類。
從定位方式來看，可以分為光時域反射(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)技術和光頻域反射(Optical Frequency Domain Reflectometer，OFDR)技術。由于瑞利散射效應的溫度敏感性很低，基于該效應的分布式光纖測溫系統(tǒng)逐漸被淘汰；基于布里淵散射效應的分布式光纖測溫系統(tǒng)不但可以測量溫度信息，還可以測量應變信息，因而得到了長足發(fā)展，但兩種信息不能同時測量，且存在相互干擾的問題需要解決；由于拉曼散射效應的溫度敏感性強，且基于該效應的分布式光纖測溫系統(tǒng)結構較為簡單，因而受到了人們關注，成為了最具實用意義的分布式測溫技術。OFDR技術對激光源和探測器等硬件有很高要求，硬件性能是系統(tǒng)的空間分辨率和傳感距離的決定性因素，相對于OTDR技
術來說成本更高，所以基于OFDR技術的分布式光纖測溫系統(tǒng)有發(fā)展的前景，但實用性尚需提高。

分布式光纖測溫技術

目前人們在研究的分布式光纖測溫技術有多種類型，主要有基于拉曼散射效應和光時域反射技術的分布式光纖測溫技術(ROTDR)，基于拉曼散射效應和光頻域反射技術的分布式光纖測溫技術(ROFDR)，基于自發(fā)布里淵散射效應和光時域反射技術的分布式光纖測溫技術(BOTDR)，基于受激布里淵散射效應和光時域反射技術的分布式光纖測溫技術(BOTDA)和基于受激布里淵散射效應和光頻域反射技術的分布式光纖測溫技術(BOFDA)等。目前最具實用意義的ROTDR。

1977年，MK Barnoski 等人發(fā)明了光時域反射儀，通過對后向散射光的時域分析，給出了光纖衰減隨長度的變化規(guī)律，用于檢測光纖的傳輸衰減和故障定位 。1980年，英國Rogers首次提出了利用單模光纖的后向散射光的溫度敏感特性測量沿線溫度分布的方案。1983年，英國南安普頓大學的 Hartog 研制了使用液芯光纖的分布式光纖測溫系統(tǒng)，在光纖長度為數(shù)百米的情況下，實現(xiàn)了分辨率為±2m，溫度分辨率為±2℃。但是受限于液芯光纖的不便且溫度測量范圍較小，實用性有限，這種方法沒有得到繼續(xù)發(fā)展。經(jīng)過改進，Hartog 將液芯光纖更換為固體光纖，光源采用了半導體激光器，研制出了基于拉曼散射效應的分布式光纖測溫系統(tǒng)。1985 年，Dakin 也報道了相同原理的分布式光纖測溫的實現(xiàn)，實驗中他利用了氬離子激光器做光源，雪崩光電二極管做探測器，實現(xiàn)的空間分辨率為5m，溫度分辨率為10℃。

對于基于ROTDR原理的DTS的商品化，最早是英國的York公司于 1987 年完成的。該公司的產(chǎn)品的傳感距離2km，空間分辨率為 7.5m，溫度分辨率為±2℃，溫度測量范圍為-50℃到 25℃。隨后日本的藤倉公司于 90 年代推出的產(chǎn)品將空間分辨率提高為 3.5m。同時期德國的 GESO 公司憑借采用了光電倍增管的單光子計數(shù)器做為光電探測器，實現(xiàn)了 0.5m 的高空間分辨率。近年來的 DTS 產(chǎn)品主要以美國 Agilent 公司和英國 Sensornet 公司的產(chǎn)品為代表。其中美國 Agilent 公司的一系列產(chǎn)品測量測量距離從 2km 到 30km 不等，以適應不同應用場景的要求。空間分辨率為±1m，溫度分辨率為±1℃。英國 Sensornet 公司的 Halo-DTS 型產(chǎn)品是目前國際最高水平，測量距離最高達到 60km，空間分辨率為±1m，溫度分辨率為最高達到 0.01℃。