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刘建胜 李 铮 张其善 (北京航空航天大学)
[摘要] 综述了光纤分布式温度传感系统的理论、技术等方面的最新进展和研究方向。
关键词: 光纤温度分布传感 Rayleigh 散射 Raman 散射 Brillouin 散射 3 博士后基金资助课题；归国人员基金资助课题。
1 引言
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又在布线上很困难，其性能价格比是很低的。而这时使用完全(以区别于准)分布式温度传感显然是最有效的方法。这就要求介质既要有高的温度灵敏度，又能有效地传输所感应的信号。光导纤维就具有这种双重特性，且它还有着抗电磁干扰、防燃、防爆、尺寸极小、对被测温度场的影响小等其它介质无法比拟的优点。由于其在电力工业、采油、石化工业、温度过程控制、复合材料制造等领域都有着巨大的应用潜力，从80年代起世界各技术发达国家都投以巨资开展这方面的研究和产品开发。
本文将着重介绍使用光纤的完全分布式温度传感系统。为方便起见，在以下介绍中除特别指明外所说的分布式是指完全分布式。
2 运行原理及进展
实现分布测量，首先要有一种能识别沿光纤信号起源位置的方法，很自然地会想到在光通信中经常使用的O TDR (光时域反射)技术。在O TDR 技术中接收的返回信号功率P s (z )与光纤上散射点z 的位置有以下关系[1]:
P s (z )=
1
碳海绵2P 0
W v g αs S exp (∫
z
2αdx )(1)
其中,P 0为输入光脉冲峰值功率,W 为光脉冲
宽度,v g 为光在光纤中的速度,αs 为所探测物质的散射系数,α表示整个损耗系数(它是所有损耗机制的损耗系数之和)。而S 是光纤的后向集光系数且有如下关系[2]:
S =0.25(N A /n 1)2 对于单模和梯度光纤
S =(3/8)(N A /n 1)2
kumool 对于多模阶跃光纤
从式(1)来看，虽然也可以采用某种方式(比如，用具有不同热光系数的材料来制作光纤的芯和包层[3]，用随温度而变化的吸收带等方法[4])来调制集光系数S 和不同于散射损耗的
其它损耗机制(即α
)来实现分布测温，但是它们都有着只能传感有限长度(或点数)的缺点
(由于引入了大的损耗)。它们仅适用于很短距离(几米～几十米)的分布系统。
对于较长距离的分布测温应用，基于散射机理的分布传感系统却显示出无比的优越性。这是因为这时
双向呼叫
光纤中所损失的功率直接用于所感应的信号能量。因此，以下按照历史上发展的先后顺序介绍几种最有影响力的基于散射机理的温度分布传感系统。211 瑞利(R ayleigh)散射系统光纤中最强的散射过程就是瑞利散射，但它也大约只是入射光的-45dB 。物理上来讲，瑞利散射是由光纤中非传播的局域密度的不均匀和成分的不均匀所致，这种不均匀性是在拉纤阶段，二氧化硅由熔融态转变为凝固态的过程中形成的，理论上瑞利散射可由经典的电磁场理论来描述[5]。
实验和理论都发现玻璃(它是组成光纤的
主要成分)的瑞利散射系数的温度灵敏度极其微弱[6]。因此，实现基于瑞利散射的全固光纤的温度分布系统是很困难的。然而，在某些液体中这种温度灵敏度却很强，如在苯(Benzene)中，其温度灵敏度高达01033dB/K。利用这一效应，在1983年演示了第一个使用液体纤芯的光纤分布式温度系统[7]。
传感液芯光纤由在一个内径150μm、外径300μm的石英毛细管中充入hexachlorobuta21, 32diene所组成。其中900nm波长上的损耗为13dB/km，数值孔径为015。实验中所用的温度范围为13～71℃，光源为一个1～2W的半导体脉冲激光器。此系统能在1s内对一个100m光纤取得1m的空间分辨率和1K的温度精度的性能。直至今日，这一性能指标仍是所有报道的光纤温度分布系统中最高的。
但是，这种液芯系统在制作和使用上都很不方便，并且其温度测量范围非常有限(大约为-22～120℃)，以及不能保证的寿命问题。因此随着使用基于其它机理的普通全固光纤传感系统的出现，这
种液芯光纤系统已被淘汰。212 自发喇曼(R aman)散射系统
Raman散射是入射光子与光纤物质分子的振动态相互作用的结果。此过程由于发生了振动态间的能量转换，因此散射光波长与入射光波长不同。对应于入射光子与高、低振动态的作用，出现了比入射光波长短的anti2Stokes 散射光:1/λa=1/λ+υ，和比入射光波长长的Stokes散射光:1/λs==1/λ-υ，其中λ为入射光波长,υ为Raman频移。这两个散射过程的散射截面与散射分子的振动态密度有关，在热平衡下(对应于自发过程)，分子的振动态密度由Bose2Einstein分布定律给出[8]，因此自发Raman散射系数反映散射介质的温度，且只与温度有关。
当使用Stokes光作为参考光时，有一与温度相关的比例关系，这一比例式不受激光注入功率的波动及除温度外的任何外界扰动的影响，它体现出了使用Stokes光作为参考光的优越之处。对于石英光纤υ=414×104m-1，其在室温下的温度灵敏度高达018%/K。另外,Ra2 man散射光谱与入射光的波长相隔足够远，这样就可能很容易地用标准的多膜干涉滤波器来提取Raman光谱。再者，可以使用相对较便宜的标准多模通信光纤作为传感光纤来构成系统。所有这些优点使得基于自发Raman散射的O TDR方法显得是一种很有希望的分布式温度传感的解决方式。
在1985年,Dakin等人首次用氩离子激光器和各种各样100m长的光纤在77～800K的温度范围内演示了这种方法的可行性[9]，其系统构成大致如图1。取得了空间分辨率为5m，温度精度为10K的结果。进
而他们又使用半导体激光器和APD构成更加紧凑、且更加便宜的传感系统。在1987年，英国Y ork公司首先推出了世界上第一个商品化的产品[10]，该产品使用904nm的脉冲半导体激光器、APD和标准的50/125μm通信光纤构成系统，其传感距离达到2km，空间分辨率715m，温度分辨率1℃
。
图1 Raman比温度测量系统设置
自发Raman散射系统的主要缺点是其微弱的散射光信号，大约为入射光的1/108[11]。这样弱的信号使得信号的测量和处理变得很困难，从而严重地限制了系统的性能。为此，长期以来人们研究和尝试了许多方法(如提高注入光脉冲功率、使用高的重复频率和光子记数等技术)来解决这一问题，并取得了十分可喜的进展。英国Sensor Highway公司1996年推出的最新产品[12]，其10km系统性能已达到温度分辨率1℃、空间分辨率1m的指标，而在相同的温度指标下其40km系统的空间分辨率为10m。如此好的性能，着实令人振奋。然而，基于自发Raman散射系统的极限性能指标却不仅仅如此。从光学角度来说，限制主要在于受
激Raman散射的产生和光脉冲的展宽。受激Raman散射是指在强输入光情形下，当入射光功率达到一特定值———“阈值”时，一部分(通常定义为一半)入射光的功率通过一类似于激光器中粒子数反转的机制(与温度无关)转移至Stokes光。这意味着，对于任一频率的光，光纤有一对应的最大传输功率。另外，对于用Stokes光作为参考光的系统，由于受激Raman 散射所产生的Stokes光与温度无关，在系统中可能成为一个噪声。因此，阈值功率决定了系统所能使用的最大功率。通过使用受激Ra2 man散射阈值式[13]进行分析可知，对于50/ 125μm多模通信光纤(N A=012)，若系统接收机的最小接受光功率为1pW(使用APD可达到)，当光纤长度小于2km时，其极限空间分辨率主要受模式散限制，大约为4cm。以上分析表明,Raman散射系统仍有很大的潜力可挖。
以上讨论的两种系统都使用了O TDR技术，它们的共同特点是其后向散射的信号很弱，这一问题在有
高分辨率要求时尤其突出。为此，人们已经开始寻求其它的方法，诸如泵浦2探测波方式，通过使用正向非线性散射过程来得到增强的光信号。虽然提出了许多机理，而到目前为止，只有基于Brillouin散射系统在实验上已被证明是一种用于光纤温度分布传感器很有潜力的方法。
213 受激布里渊(B rillouin)散射系统
Brillouin散射是入射光与声波或传播的压力波(因此也是密度波)相互作用的结果。简单地说，这个传播的压力波等效于一个以一定速度V B(且具有一定频率ΩB)移动的密度光栅，因此,Brillouin散射可看作是入射光在移动的光栅上的散射，多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。当某一频率的散射光ωS与入射光ωL、压力波ΩB满足相位匹配条件，即ωL =ωS+ΩB(对光栅来说，就是对应于满足布喇格(Bragg)衍射条件)时，此频率的散射光强度为极大值。而由于散射介质的声波频率ΩB与其温度、应力等因素有关。因此，通过检测最强散射光的频率就可以间接地知道散射介质的温度、应力等情况。
说一个散射过程是自发的，指的是引起光散射的介质的某种扰动(通常是介电常数)是由热激励或是由量子机制的零点效应引起的；而一个受激散射过程是指这种扰动是由于光场的存在通过非线性效应引起的。对于自发Bril2 louin散射，不仅密度光栅的频率ΩB(或称Bril2 louin频率)，而且其幅度都是由热激励决定，数值很小，使得散射光的强度也很弱，因此，未见到使用自发Brillouin散射的报道。而在受激Brillouin散射过程中，虽然也改变不了由温度决定的介质的Brillouin频率ΩB，但是可以通过某种方式(在这里为电致伸缩效应)来增加其光栅的幅度，从而达到增强散射信号的效果。
实际上，受激Brillouin散射首先是被用于光纤通信中对光纤衰减特性的检测，是由Horiguchi等人于1989年进行的[14]。次年他们才搭成了第一个基于此机理的光纤分布式温度传感系统[15]，其实验布置如图2所示。在实验中，使用了一个112km长的单模光纤和两个在其中相向传输的光束，为了定位，其中一个光束是脉冲的，而另一个是连续的，且频率可调。当在光纤上某一位置满足ωCW=ωP-ΩB
甲基铝氧烷
(z)时，脉冲激光的能量能最有效地转移到连续波激光上，这时到达探测器的连续波激光强度将出现一个尖峰，通过这个尖峰就可知道光纤上某处的温度信息。
图2 受激Brillouin散射系统的实验结构
首次实验取得了在-30～60℃温度范围内，空间分辨率为100m，温度分辨率为3℃的性能指标。从那时起，世界上进行了许多这方面的研究，因为这一技术不仅能用于温度分布测量，而且还能用于应力的分布传感。多年的
努力使性能指标也有了突飞猛进的进展，至1995年[16]，所公布的这类实验系统的性能指标已达到传感距离32km，温度分辨率1℃，和空间分辨率5m(已几乎是极限值了)。
使用如此小的注入功率(约几个mW)取得了这些指标参数，使受激Brillouin散射系统显得比Raman散射系统更加诱人，但是至今世界上仍未见到一个基于受激Brillouin散射的分布测温的商业化产品。这也许是因为该系统在制造和使用上既复杂又昂贵的缘故。例如，由于Brillouin频移ΩB很小，只有10～20GHz(由于小的声速v=1×105m/s)且其线宽ΓB很窄(约50MHz)，这就要求激光器要有极高的频率稳定性和极窄的(约千赫)可调线宽，且对光滤波器也有极高的要求。再者，光的偏振对系统的性能有极大的影响，必须采取偏振的调谐和控制措施，这些在实际使用上都是很复杂的。因此，受激Brillouin散射系统的实用化还需经历相当阶段的发展。
3 应用
自发Raman散射系统和受激Brillouin散射系统代表了当今分布式温度传感发展的两大主流。从理论上来讲,Raman系统的极限空间分辨率很高(约厘米量级)，但高的输入功率的要求是其最大的弱点；对受激Brillouin系统，使用毫瓦量级的输入功率实现很长跨度(约百公里)的分布测量并不是问题，关键是其极限空间分辨率有限(约5米，这是由其散射机制决定的，更确切地讲是由于散射声子的寿命极短约10ns所致)。就实际应用来讲,Raman系统已较成熟，且已有了性能指标都很优越的商品，而在这方面受激Brillouin系统还差一些。所以说，即使以后随着器件性能的发展、价格的下降而出现商品化的受激Brillouin散射系统,Ra2 man散射系统也不会完全被取代，它们在一定程度上会是互相补充的。
光纤分布式温度传感有着广泛的应用领域，这一技术在有特殊要求的应用中的优势尤其突出。在石油开采领域，它可以用于井下油层位置的探测、蒸汽注入情况的监测、电动工作井泵各部件的工作状况的实时监测等等。在电力工业，可用于高压变压器中各绕线组的监测，发电机(特别是核发电厂)中冷却管道阻塞情况的检测。在石化工业中，可用于储藏罐及输送管道泄漏的检测。在钢铁工业，可用于高炉炉壁状况的检测。在航空工业中，可用于对高强度复合材料成型过程最优化的监测和控制等等。光纤分布式温度传感技术在以上领域的推广应用必将产生巨大的经济效益。
参考文献免蒸加气砖
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10 DTS2ⅡSystem,Y ork Ltd.,1987.
(下转第38页)
的各种情况也应有尽有。这样，通过数字地球我们便可了解世界上任何地方最新的而且最全面的情况，这对我们进行研究开发、经济建设、发展文教卫生，以及进行长期规划等所有方面，都能发挥重大的作用。
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数字地球上有许多信息是公用的，可以免费提供给公众使用。例如可以做成地球模型供公众参观，以提高人们的科学素质，并有助于激励青少年树立献身于科学的理想。
数字地球将是一个没有围墙的实验室。它上面的许多数据，可以提供给科学家进行各种研究使用，包括用以寻求人类和环境之间复杂的相互依赖关系。
数字地球是个庞大的工程，戈尔呼吁政府、企业、学术界一起来实现这一宏伟的计划，并提出要注意解决协作中出现的问题，如利益分配等。他相信建立数字地球一定会给有关单位以丰厚的回报。
注：陈幼松，教授，著名科普作家。
(上接第13页)
11 Tozaki,T.,K ata M.,Inada,K.,Shiota,T.,Wada,
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tering characteristics of the optical fibre and dis2 tributed temperature sensor.Fujikura Technical Re2 view,pp.25～30,1990.
12 Sensor Highway documents,Sensor Highway Ltd., 1996.
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注：刘建胜，博士后。主要研究兴趣为：光纤通信与传感，光学集成,TFEL平板显示器及薄膜器件。
李铮，教授、博士生导师，中国电子学会高级会员。
张其善，教授、博士生导师，中国电子学会会士, IEEE高级会员。
