[發明專利]一種分布式溫度傳感光纖

有效

• 申請號: 201210033258.2
• 申請日: 2012-02-15
• 公開（公告）號: CN102539015A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 夏濤;張睿;李小兵;劉瑩;陸華清
• 申請（專利權）人: 長飛光纖光纜有限公司
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡建平

技術領域

本發明涉及光電子技術及光纖制造領域，具體涉及到一種適用于基于拉曼散射原理和光時域反射技術相結合的分布式測溫系統中的溫度傳感光纖的結構設計。

背景技術

分布式光纖測溫系統將拉曼散射原理和光時域反射技術集合，通過采集光纖中攜帶溫度信息的后向自發拉曼散射中的反斯托克斯光作為信號通道，同時采集的斯托克斯光或瑞利散射光作為對比通道，經光電轉換及模數轉換后通過數據處理還原出沿光纖的溫度場分布。分布式光纖測溫系統的關鍵性能參數包括溫度分辨率，空間分辨率，測溫長度，單次測量時間等。

在實際的測溫系統中，為了獲得較高的溫度分辨率，我們希望信號接收端接收到的自發拉曼后向散射光功率越高越好，通常采用的辦法是增大入纖脈沖光功率，但是在增大入纖光功率的手段受到了光纖自身受激拉曼散射閾值的限制。我們也可以采用高靈敏度和高增益的光電轉換器件和放大電路，同時配合采用多次數據累加的手段以提高系統的信噪比，但是這將大大增加系統的制造成本，顯著延長系統對溫度的單次測量時間，降低了系統測溫的實時性。

為了獲得較高的空間分辨率，通常采用的辦法是減小探測光的脈沖寬度，由探測光脈沖寬度決定的最小空間分辨率為ΔL₁＝(C/2n)·ΔT，其中ΔT為光脈沖寬度。在探測光源功率密度一定的情況下，縮短探測光脈沖寬度ΔT會降低脈沖光的總功率，會在一定程度上劣化系統的溫度分辨率和測溫長度。

系統的測溫長度取決與系統的入纖功率和光纖的衰耗，其入纖功率限制于光纖的受激拉曼散射(Stimulated?Raman?Scattering)功率閾值，其估算公式為

Pth=16AeffgR[1-exp(-αL)]/α]]>

其中A_eff為光纖的有效截面積，g_R為光纖的拉曼增益系數，α為光纖工作波長的衰耗系數，L為光纖的長度。研究表明，增大光纖的有效面積有利于降低光纖中的功率的體密度從而提高光纖的受激拉曼閾值。而隨著測溫光纖長度的增加其SRS功率閾值會顯著下降，限制了分布式測溫系統的測溫長度。

系統的單次測溫時間限制于光脈沖的重復頻率和數據累加次數。在測溫系統的實際信號采樣中，微弱的溫度信號是淹沒于隨機的系統噪聲之中的，為了提高系統的信噪比，一般采用多次累加平均的方法提高信噪比，對于n次累加，其信噪比(Signal?To?Noise?Ratio?STNR)為

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

n次累加平均后的信噪比改善了倍。對于光源重復頻率10kHz的測溫系統，要達到3s的單次測量時間，則其數據累加及處理的時間要小于30000次，為了達到指定的溫度分辨率，對系統設計提出了很高的要求。