長飛特種光纖系列之七：用于分布式測溫系統(tǒng)的多模光纖和少模光纖

  一、分布式光纖測溫系統(tǒng)需求

  溫度是最重要的物理量之一，在我們的生產(chǎn)和生活中，溫度的測量非常重要。溫度變化的監(jiān)測，可以有效的避免隧道、管線及高溫反應(yīng)爐等安全隱患的發(fā)生，以及發(fā)生事故時(shí)協(xié)助救援方案的制定。然而傳統(tǒng)的測溫技術(shù)由于感溫電纜測溫精度和定位精度差等原因不能滿足要求;精確度較高的點(diǎn)式測溫儀或熱電偶又解決不了線性與連續(xù)監(jiān)測的需要。因此，可以很好的解決以上難題，兼具精度要求及連續(xù)監(jiān)測功能的分布式光纖測溫系統(tǒng)(簡稱DTS)應(yīng)運(yùn)而生。

  由于多模光纖的拉曼增益高、受激閾值高，因此成熟的分布式測溫產(chǎn)品多采用多模光纖作為傳感光纖。但傳統(tǒng)的通信多模光纖僅優(yōu)化了波長850nm和1300nm處的衰減，較高的C波段衰減嚴(yán)重影響了長距離測量的信噪比，另一方面較大的模間色散會造成長距離測試下空間分辨率的劣化。此外，普通多模光纖因其幾何一致性較差，會導(dǎo)致接續(xù)點(diǎn)測得的溫度出現(xiàn)跳變。

  二、分布式測溫系統(tǒng)用多模光纖和少模光纖

  長飛公司針對傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)中多模光纖在實(shí)際應(yīng)用中的問題，利用自身在光纖設(shè)計(jì)制造方面的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)能力，對測溫多模光纖進(jìn)行了改進(jìn)。

  (1) DTS工作波長處衰減的優(yōu)化，提高了長距離測溫的信噪比;

  (2) C波段帶寬的優(yōu)化提高了長距離DTS的空間分辨率，解決了目前DTS系統(tǒng)在長距離傳輸中空間分辨率劣化;

  (3) 幾何一致性的優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的測溫精度，以及實(shí)際工程中不可避免的光纜接續(xù)點(diǎn)溫度一致性。

  性能優(yōu)化后的測溫多模光纖結(jié)合長飛DTS主機(jī)測試結(jié)果顯示，溫度曲線平整，測溫距離在25km時(shí)，溫度分辨率優(yōu)于2℃，空間分辨率約2-3米。另外，此光纖還做了抗彎和耐高溫涂層處理，使該光纖更適合成纜以及高溫應(yīng)用。

  基于多模光纖的分布式拉曼傳感系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于多模光纖具有較大的有效模場面積和較高的拉曼增益系數(shù)，易于通過自發(fā)拉曼散射獲得光纖沿線的溫度信息。其劣勢在于多模光纖的損耗較大，更重要的是由于多模光纖模間色散(模式差分群時(shí)延)引入的脈沖展寬導(dǎo)致長距離傳感的空間分辨率不足，這在需要較高空間分辨率的溫度測量場景下實(shí)際上限制了光纖的傳感距離(通常多模系統(tǒng)長度局限于8～10km)。基于單模光纖的分布式拉曼傳感系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于損耗較小，不存在模間色散導(dǎo)致的脈沖展寬，其劣勢在于有效模場面積較小，為了避免產(chǎn)生受激拉曼散射，輸入光功率受限從而探測距離受限。因此基于單模光纖的長距離分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)較為復(fù)雜、成本較高(需要進(jìn)行分布式放大并進(jìn)行復(fù)雜的信號處理)。而少模光纖和單模光纖相比，在只激勵起基模的情況下，對比單模光纖而言，具有較大的模場面積，對比多模光纖而言，由于其特殊的折射率設(shè)計(jì)，具有模間色散極小的優(yōu)勢。利用少模光纖作為傳感光纖，結(jié)合現(xiàn)有的單模光纖拉曼系統(tǒng)，可在保證高空間分辨率的同時(shí)，有效延長現(xiàn)有分布式溫度傳感器的傳感距離，并無需增加系統(tǒng)復(fù)雜度。

  長飛公司提出基于少模光纖的分布式光纖測溫系統(tǒng)，從拉曼散射的原理出發(fā)，對少模光纖中的斯托克斯拉曼散射與反斯托克斯拉曼散射進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，找出了優(yōu)化的溫度解調(diào)算法，研制出了高效的少模光纖耦合設(shè)備，并將少模光纖與現(xiàn)有單模光纖設(shè)備高效結(jié)合，研制出了分布式拉曼測溫的相應(yīng)模塊。該少模DTS系統(tǒng)中，準(zhǔn)基模運(yùn)行避免了模間色散導(dǎo)致脈寬展寬，同時(shí)大有效面積大大提高了入纖光功率，最終實(shí)現(xiàn)了基于少模光纖的長距離高空間分辨率分布式光纖測溫系統(tǒng)產(chǎn)品。如下圖，長飛少模光纖結(jié)合少模DTS主機(jī)測試，測溫距離大于20km時(shí)，溫度分辨率優(yōu)于4℃，空間分辨率約3米。

  長飛公司專注特纖技術(shù)20余年，利用特纖研發(fā)與制造的優(yōu)勢，很好地將特纖技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，高效地推進(jìn)了分布式光纖測溫系統(tǒng)的性能優(yōu)化。產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外電力、隧道及管廊的監(jiān)測，如新鄭機(jī)場長鷹隧道中的溫度監(jiān)測。長飛公司將繼續(xù)推進(jìn)分布式光纖測溫系統(tǒng)中多模與少模光纖的優(yōu)化及測溫系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)商用化，發(fā)揮長飛公司在特纖與特纖傳感市場的旗幟作用，引領(lǐng)市場的優(yōu)質(zhì)發(fā)展！