分布式光纤温度传感系统简介 青岛汇安谷科技发展有限公司 2019/10/14

目录 1 引言 2 DTS核心指标 3 DTS常见概念 4 DTS的问题和发展趋势 CONTENTS

引言 分布式光纤温度传感器用光纤拉曼（Raman）散射效应测温，光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向 Raman散射的强度[反斯托克斯（Anti Stokes）背向 Raman散射光的强度]，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向Raman散射光电信号，再经信号处理，解调后将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示， 传感器所用的光纤既是传输介质又是传感介质，属于本征型的光纤传感器，是一种光纤测温网络。 在时域里，利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔，利用光纤的光时域反射（OTDR） 技术对测温点进行定位，它是一种光纤测温雷达系统 。

拉曼散射过程

温度解调方法 双波长不等衰减的校正

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DTS核心指标 运算放大器噪声 激光器噪声 A/D采集量化噪声 APD散粒噪声 1.测温精度和温度分辨率 系统的测温精度本质上由系统的信噪比决定，系统的信号由探测激光器的脉冲光子能量决定，与脉冲宽度、峰值功率相关，系统的噪声主要与随机噪声与接收器光电雪崩管的噪声、前置放大器的带宽、噪声和信号采集与处理系统的带宽、噪声有关。 但增加入射光纤的激光功率受到光纤产生非线性效应的阈值限制。 在不影响系统空间分辨的前提下，适当地控制系统的带宽，也可抑制系统的噪声。 系统的温度分辨率由测温系统或仪器最小分度指示值来表征温度分辨率。 运算放大器噪声 激光器噪声 A/D采集量化噪声 APD散粒噪声

DTS核心指标 探测器响应时间 脉宽 采样率 2.空间分辨率和采样分辨率 通常用最小感温长度来表征。 系统的空间分辨率主要取决于脉冲激光器的宽度、光电接收器的响应时间和放大器（主要是前置放大器）的带宽和信号采集系统的采样率。 要提高空间分辨率，必须压缩探测激光脉宽，这必然减少了脉冲抽运激光的强度，也减弱了脉冲信号，降低了系统的信噪比。系统的采样分辨率由信号采集处理系统的采样速率确定。 脉宽 采样率 探测器响应时间

DTS核心指标 3.测量时间和采样次数 4.测量长度 5.测温范围 系统的温度信号是淹埋在噪声中的，由于信号是有序的，噪声是随机的，因此可以采用多次采样、累加的办法提高信噪比，信噪比的改善与累加次数的均方根成正比，累加的采样次数确定后到底需要花多少时间来完成测量，主要由信号的采集、累加系统和计算机的传输速度决定。 因此在实际系统中测量时间比用采样次数显示更加方便。 4.测量长度 在系统的信噪比确定后，测温光纤长度与系统所选用的光谱波段、光纤的种类相关，通常系统的信噪比与光纤的损耗决定测温光纤的长度。 5.测温范围 Raman测温方法不受限制，因此测温范围由光纤、光缆材料的耐温性质决定，光纤涂层的工作温度范围如表２所示，特种涂层材料的光纤可达500℃以上。

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DTS常见概念 ★光脉冲 ★中心波长 ★峰值功率 ★重复频率 ★触发方式 ★采样率 ★通道数 ★测量距离 ★累加次数

DTS核心概念 ★定位精度 ★空间分辨率 ★测温精度 ★温度分辨率 ★响应时间 ★信噪比 ★ROTDR ★受激拉曼 ★菲涅尔反射 ★波分复用

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DTS技术现状 近10多年来，光通信科学技术的成熟和电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、煤矿、油气田和油气管道等各种设施在线温度监测应用上的需要，推动了分布式光纤传感技术和光纤Raman传感产品的发展，在国内外已形成系列产品，在国外生产全分布式Raman温度传感器的主要有英国的Sensa公司，Sensornet公司，美国的Sensortrian公司，MOI公 司，Agilent公司（现 Apsensing公司）和日本的横河公司（Yokogawa），国内生产全分布式光纤Raman温度传感器的主要有宁波振东公司、上海华魏公司、上海欧忆公司、上海波汇公司、威海北洋电气集团、杭州聚光科技和杭州欧忆光电科技公司等，并且生产其他不同类型的分布式光纤拉曼温度传感器。

DTS发展方向 自从20世纪80年代中期，英国开发出分布式光纤传感产品以来，技术日趋成熟，国内外已有各种类型的分布式光纤传感器产品，并开始嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、煤矿、油气田和油气管道等各种设施中，组成光纤测温传感网。在全分布式光纤传感技术的应用和发展过程中，根据科技发展的趋势和国家应用的需求，全分布式光纤传感技术发展的主要技术要求有以下几方面: １） 超长距离 目前，分布式光纤传感产品测温光纤长度还局限在30km范围内，还不能满足电力电缆、油气管道等超长距离温度测量和监控的需要，虽然可以采用光纤开关时分复用方法，但影响测温的实时性。 ２） 高空间分辨率 近年来，分布式光纤传感产品的空间分辨率技术已达到小于1m，但还不能满足石化管道、电力高压开关和电力电缆热保护等应用要求，实现分米级的空间分辨率，虽然可以采用光纤绕组的点探头测温，但受热区随机性的影响，无法预计。 ３） 高精度 近年来，分布式光纤传感产品的测温精度已达到小于1℃，但还满足不了石化反应0.1℃的需要。 ４） 高可靠性 系统在恶劣、有害的环境下运行，作为报警系统要求高可靠性。 ５） 多参量 温度、应力、振动和位移等多参量的检测。 ６） 智能化 分布式光纤传感系统通过光纤开关时分复用可以组成星形、环形光纤温度测量的局域传感网，大多数光纤传感网具有显示、报警功能，但尚不能联网实现智能化监控。

DTS研究思路 １） 探索新的传感机理 要在光纤传感技术领域得到长足的发展，必须全面解决一系列重要的基础科学问题，关键在于机理创新。原有的分布式光纤传感器主要是利用单一的光纤非线性散射效应，张在宣等提出基于光纤非线性散射效应的融合原理，利用两种以上的光纤非线性散射效应实现温度、应 变测量，利用受激Raman放大效应实现超长距离检测。 ２） 发展新的传感技术与方法 采用Raman相关双光源方法解决了光纤色散与损耗光谱对DOFS系统空间分辨率和测温精度的严重影响。采用脉冲编码调制技术提高了系统的信噪比。2010年Newson研究团队提出采用温度补偿的基于布里渊光时域反射（BOFDR）的分布式光纤Brillouin传感器，实现了24cm空间分辨率。

DTS研究思路 ３） 采用新的信号采集处理技术 采用高速信号采集处理技术提高系统的信噪比、空间分辨率、可靠性和缩短测量时间。 采用激光短脉冲技术与脉冲细分测量及小波变换等变换技术提高系统的空间分辨率。 Simplex矩阵 编码增益

DTS研究思路 ４） 组网技术 与传统的传感器相比，光纤传感器本身不带电，具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀等优点，是本质安全型的，光纤传感器具有多参量（温度、应力、振动、位移、转动、电磁场、化学量和生物量）、灵敏度高、重量轻、体积小、可嵌入（物体） 的特点，随着信息科学和光纤通信技术的发展，光纤传感器是近代科学技术、工业过程控制、灾害预防和健康检测的重要手段，把传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种设施中，把局域光纤传感网接入计算机进行联网，组成智能化光纤传感网。

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