激光脈沖在光纖中傳輸時(shí), 由于光纖存在的微觀(guān)不均勻性會(huì )導致光在光纖中產(chǎn)生后向散射現象, 從而可以依據不同時(shí)間獲取的不同強度的后向散射光來(lái)進(jìn)行光纖的定位, 再講光纖鋪設至監測環(huán)境中即可以實(shí)現對監測環(huán)境中進(jìn)行長(cháng)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。其中瑞麗散射強度最強但其強度值對溫度值不敏感, 因此無(wú)法用于溫度監測;布里淵散射強度排列第二, 但是其強度對光纖的溫度以及所受的應力有雙重的敏感性, 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測溫度, 不僅需要消除應力對光強的影響, 還要消除瑞利散射光對布里淵散射光的影響, 這對系統的硬件有著(zhù)較高的要求以及后期軟件中的數據處理帶來(lái)較大的難度;拉曼散射在三種散射光中強度最弱, 但是其波段與瑞利散射和布里淵散射的波段相差較遠, 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(guān)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(xiàn)性效應, 入射光光子與分子發(fā)生非彈性碰撞, 在碰撞的過(guò)程中, 光子與分子之間發(fā)生能量交換, 光子不僅改變了運動(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)轉換為光能, 發(fā)出了一個(gè)比光源波長(cháng)短的光, 成為反斯托克斯光, 如果一部分光能轉換成了熱振動(dòng), 則發(fā)出一個(gè)比光源波長(cháng)長(cháng)的光, 稱(chēng)為斯托克斯光。他們在頻譜圖上大致是對稱(chēng)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(guò)光時(shí)域反射技術(shù)即可將溫度與空間位置所對應, 實(shí)現分布式測溫的目的。

兩種光強比值為:

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

實(shí)際測量中, 這兩種不同波長(cháng)光的衰減差異和探測器對兩種光的響應差異, 要通過(guò)設定定標區來(lái)消除, 一般定標區設置在光纖的前200m, 把它放入恒溫箱作為參考光纖, 設置其溫度為T(mén)₀, 則有。則在測溫系統標定之后, 通過(guò)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)應用于長(cháng)距離場(chǎng)景其所擁有的優(yōu)勢是傳統點(diǎn)式測溫所無(wú)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用, 在電力電子方面在近些年來(lái)也得到了相應的關(guān)注。隨著(zhù)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(lái)越高, 因此, 在整個(gè)分布式光纖測溫系統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(cháng)、峰值功率、脈沖寬度的變化對采樣的影響;更高的增益的運放電路;更快速地信號采集以及更加效率準確的溫度解析算法等都需要得到進(jìn)一步的改善優(yōu)化。