激光脈沖在光纖中傳輸時(shí), 由于光纖存在的微觀不均勻性會(huì)導(dǎo)致光在光纖中產(chǎn)生后向散射現(xiàn)象, 從而可以依據(jù)不同時(shí)間獲取的不同強(qiáng)度的后向散射光來進(jìn)行光纖的定位, 再講光纖鋪設(shè)至監(jiān)測環(huán)境中即可以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測環(huán)境中進(jìn)行長距離的精確定位。

光在光纖中的散射光分為瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射三種。其中瑞麗散射強(qiáng)度最強(qiáng)但其強(qiáng)度值對溫度值不敏感, 因此無法用于溫度監(jiān)測;布里淵散射強(qiáng)度排列第二, 但是其強(qiáng)度對光纖的溫度以及所受的應(yīng)力有雙重的敏感性, 且布里淵散射光的波段有一部分與瑞利散射的波段重合, 因此若使用布里淵散射監(jiān)測溫度, 不僅需要消除應(yīng)力對光強(qiáng)的影響, 還要消除瑞利散射光對布里淵散射光的影響, 這對系統(tǒng)的硬件有著較高的要求以及后期軟件中的數(shù)據(jù)處理帶來較大的難度;拉曼散射在三種散射光中強(qiáng)度最弱, 但是其波段與瑞利散射和布里淵散射的波段相差較遠(yuǎn), 不會(huì)受到其它兩種散射光的影響, 并且拉曼散射光僅對溫度有敏感性, 因此利用拉曼散射對溫度的敏感并結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)即可以完成對整個(gè)光纖上的溫度分布式測量。

拉曼散射, 是由于光纖纖芯介質(zhì)材料成分起伏以及密度的微觀變化等因素的影響, 介質(zhì)分子與入射光子互相作用, 由于介質(zhì)的非線性效應(yīng), 入射光光子與分子發(fā)生非彈性碰撞, 在碰撞的過程中, 光子與分子之間發(fā)生能量交換, 光子不僅改變了運(yùn)動(dòng)方向, 同時(shí)光子的部分能量傳遞給分子, 或分子振動(dòng)的部分能量傳遞給光子, 從而改變了光子的頻率。

基于后向拉曼散射的物理原理是光子和光纖分子的熱振動(dòng)相互作用發(fā)生能量交換, 如果一部分熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換為光能, 發(fā)出了一個(gè)比光源波長短的光, 成為反斯托克斯光, 如果一部分光能轉(zhuǎn)換成了熱振動(dòng), 則發(fā)出一個(gè)比光源波長長的光, 稱為斯托克斯光。他們在頻譜圖上大致是對稱分布的, 反斯托克斯光對溫度的敏感度比斯托克斯光要大很多, 因此可以將斯托克斯光作為參考光, 反斯托克斯光作為信號光, 將兩者進(jìn)行對比即可得到溫度的信號, 并通過光時(shí)域反射技術(shù)即可將溫度與空間位置所對應(yīng), 實(shí)現(xiàn)分布式測溫的目的。

兩種光強(qiáng)比值為:

分別是Anti-Stokes和Stokes的光強(qiáng), , 分別是他們的波長, h為普朗克常量, c為光速, 為拉曼頻移波數(shù), 為玻爾茲曼常數(shù), T為絕對溫度。

實(shí)際測量中, 這兩種不同波長光的衰減差異和探測器對兩種光的響應(yīng)差異, 要通過設(shè)定定標(biāo)區(qū)來消除, 一般定標(biāo)區(qū)設(shè)置在光纖的前200m, 把它放入恒溫箱作為參考光纖, 設(shè)置其溫度為T₀, 則有。則在測溫系統(tǒng)標(biāo)定之后, 通過測定R (T) 就可確定沿光纖各測量點(diǎn)的溫度值。

分布式光纖測溫技術(shù)特點(diǎn)

分布式光纖測溫技術(shù)應(yīng)用于長距離場景其所擁有的優(yōu)勢是傳統(tǒng)點(diǎn)式測溫所無法企及的, 作為一種高新技術(shù), 分布式光纖測溫已經(jīng)在水利交通、冶金化工得到了廣泛的應(yīng)用, 在電力電子方面在近些年來也得到了相應(yīng)的關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 對于傳感技術(shù)的要求也會(huì)越來越高, 因此, 在整個(gè)分布式光纖測溫系統(tǒng)中有仍然有許多技術(shù)要點(diǎn)需要得到關(guān)注并進(jìn)一步優(yōu)化, 如光源工作時(shí)中心波長、峰值功率、脈沖寬度的變化對采樣的影響;更高的增益的運(yùn)放電路;更快速地信號采集以及更加效率準(zhǔn)確的溫度解析算法等都需要得到進(jìn)一步的改善優(yōu)化。