[发明专利]一种分布式温度传感光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术及光纤制造领域，具体涉及到一种适用于基于拉曼散射原理和光时域反射技术相结合的分布式测温系统中的温度传感光纤的结构设计。

背景技术

分布式光纤测温系统将拉曼散射原理和光时域反射技术集合，通过采集光纤中携带温度信息的后向自发拉曼散射中的反斯托克斯光作为信号通道，同时采集的斯托克斯光或瑞利散射光作为对比通道，经光电转换及模数转换后通过数据处理还原出沿光纤的温度场分布。分布式光纤测温系统的关键性能参数包括温度分辨率，空间分辨率，测温长度，单次测量时间等。

在实际的测温系统中，为了获得较高的温度分辨率，我们希望信号接收端接收到的自发拉曼后向散射光功率越高越好，通常采用的办法是增大入纤脉冲光功率，但是在增大入纤光功率的手段受到了光纤自身受激拉曼散射阈值的限制。我们也可以采用高灵敏度和高增益的光电转换器件和放大电路，同时配合采用多次数据累加的手段以提高系统的信噪比，但是这将大大增加系统的制造成本，显著延长系统对温度的单次测量时间，降低了系统测温的实时性。

为了获得较高的空间分辨率，通常采用的办法是减小探测光的脉冲宽度，由探测光脉冲宽度决定的最小空间分辨率为ΔL₁＝(C/2n)·ΔT，其中ΔT为光脉冲宽度。在探测光源功率密度一定的情况下，缩短探测光脉冲宽度ΔT会降低脉冲光的总功率，会在一定程度上劣化系统的温度分辨率和测温长度。

系统的测温长度取决与系统的入纤功率和光纤的衰耗，其入纤功率限制于光纤的受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering)功率阈值，其估算公式为

Pth=16AeffgR[1-exp(-αL)]/α]]>

其中A_eff为光纤的有效截面积，g_R为光纤的拉曼增益系数，α为光纤工作波长的衰耗系数，L为光纤的长度。研究表明，增大光纤的有效面积有利于降低光纤中的功率的体密度从而提高光纤的受激拉曼阈值。而随着测温光纤长度的增加其SRS功率阈值会显著下降，限制了分布式测温系统的测温长度。

系统的单次测温时间限制于光脉冲的重复频率和数据累加次数。在测温系统的实际信号采样中，微弱的温度信号是淹没于随机的系统噪声之中的，为了提高系统的信噪比，一般采用多次累加平均的方法提高信噪比，对于n次累加，其信噪比(Signal To Noise Ratio STNR)为

STNRn=(SN)n=n(SN)n]]>

n次累加平均后的信噪比改善了倍。对于光源重复频率10kHz的测温系统，要达到3s的单次测量时间，则其数据累加及处理的时间要小于30000次，为了达到指定的温度分辨率，对系统设计提出了很高的要求。