分布式光纖測(cè)溫技術(shù)

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

分布式光纖測(cè)溫原理

根據(jù)激光在光纖中傳播時(shí)散射光的類型來(lái)分類，可以分為基于瑞利散射效應(yīng)，基于布里淵散射效應(yīng)和的基于布里淵散射效應(yīng)的三類。
從定位方式來(lái)看，可以分為光時(shí)域反射(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)技術(shù)和光頻域反射(Optical Frequency Domain Reflectometer，OFDR)技術(shù)。由于瑞利散射效應(yīng)的溫度敏感性很低，基于該效應(yīng)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)逐漸被淘汰；基于布里淵散射效應(yīng)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)不但可以測(cè)量溫度信息，還可以測(cè)量應(yīng)變信息，因而得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但兩種信息不能同時(shí)測(cè)量，且存在相互干擾的問(wèn)題需要解決；由于拉曼散射效應(yīng)的溫度敏感性強(qiáng)，且基于該效應(yīng)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因而受到了人們關(guān)注，成為了最具實(shí)用意義的分布式測(cè)溫技術(shù)。OFDR技術(shù)對(duì)激光源和探測(cè)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(duì)于OTDR技
術(shù)來(lái)說(shuō)成本更高，所以基于OFDR技術(shù)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)有發(fā)展的前景，但實(shí)用性尚需提高。

分布式光纖測(cè)溫技術(shù)

目前人們?cè)谘芯康姆植际焦饫w測(cè)溫技術(shù)有多種類型，主要有基于拉曼散射效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù)的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)(ROTDR)，基于拉曼散射效應(yīng)和光頻域反射技術(shù)的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)(ROFDR)，基于自發(fā)布里淵散射效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù)的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)(BOTDR)，基于受激布里淵散射效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù)的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)(BOTDA)和基于受激布里淵散射效應(yīng)和光頻域反射技術(shù)的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)(BOFDA)等。目前最具實(shí)用意義的ROTDR。

1977年，MK Barnoski 等人發(fā)明了光時(shí)域反射儀，通過(guò)對(duì)后向散射光的時(shí)域分析，給出了光纖衰減隨長(zhǎng)度的變化規(guī)律，用于檢測(cè)光纖的傳輸衰減和故障定位 。1980年，英國(guó)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(cè)量沿線溫度分布的方案。1983年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的 Hartog 研制了使用液芯光纖的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，在光纖長(zhǎng)度為數(shù)百米的情況下，實(shí)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(cè)量范圍較小，實(shí)用性有限，這種方法沒(méi)有得到繼續(xù)發(fā)展。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，Hartog 將液芯光纖更換為固體光纖，光源采用了半導(dǎo)體激光器，研制出了基于拉曼散射效應(yīng)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。1985 年，Dakin 也報(bào)道了相同原理的分布式光纖測(cè)溫的實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中他利用了氬離子激光器做光源，雪崩光電二極管做探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)的空間分辨率為5m，溫度分辨率為10℃。

對(duì)于基于ROTDR原理的DTS的商品化，最早是英國(guó)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(cè)量范圍為-50℃到 25℃。隨后日本的藤倉(cāng)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(shí)期德國(guó)的 GESO 公司憑借采用了光電倍增管的單光子計(jì)數(shù)器做為光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了 0.5m 的高空間分辨率。近年來(lái)的 DTS 產(chǎn)品主要以美國(guó) Agilent 公司和英國(guó) Sensornet 公司的產(chǎn)品為代表。其中美國(guó) Agilent 公司的一系列產(chǎn)品測(cè)量測(cè)量距離從 2km 到 30km 不等，以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的要求。空間分辨率為±1m，溫度分辨率為±1℃。英國(guó) Sensornet 公司的 Halo-DTS 型產(chǎn)品是目前國(guó)際最高水平，測(cè)量距離最高達(dá)到 60km，空間分辨率為±1m，溫度分辨率為最高達(dá)到 0.01℃。