分布式溫度傳感系統(tǒng)--基本知識
光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有著巨大的優(yōu)點：光纖具有電絕緣性、耐腐蝕、信號傳輸距離長、損耗低等固有屬性，由光纖傳感器組成的系統(tǒng)可以抗雷電，并且不受強(qiáng)電磁場、高壓、大電流的干擾；由于光纖本身比較柔軟，所以可以將光纖植入到實際的應(yīng)用環(huán)境， 這有效的解決了傳統(tǒng)傳感器不能提供應(yīng)用場合的瓶頸，為工程提供了一個可行、可靠的解決方案，這是傳統(tǒng)傳感器的。
分布式光纖傳感器與光纖光柵傳感器相比也有眾多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：分布式光纖傳感器可以沿著光纖感溫，它可以應(yīng)用于工程中以線、面甚至立體組成的感溫系統(tǒng)；而光纖光柵是單點式的， 光纖光柵的每個探頭都需要進(jìn)行特殊保護(hù)， 因而，光纖光柵系統(tǒng)往往總體造價較高、工程安裝也不那么方便。在很多場合，分布式溫度傳感器是光纖光柵傳感器理想的替代品。
DTS 分布式溫度傳感系統(tǒng)（DTS， distributed temperature sensing）是根據(jù)激光脈沖在光纖中傳輸產(chǎn)生非線性散射效應(yīng)來檢測的，它的兩個關(guān)鍵技術(shù)分別是拉曼散射效應(yīng)（Raman Scattering Effect）和光時域反射技術(shù)（OTDR, Optical Time Domain Reflectometer）, 早在1981年英國的SouthHampton大學(xué)研究組就進(jìn)行了相關(guān)研究， 近年內(nèi)，隨著激光技術(shù)、光信號探測與處理技術(shù)的提高，產(chǎn)品和相應(yīng)技術(shù)日趨成熟，分布式溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。 我公司就是結(jié)合當(dāng)今流行技術(shù)，從而開發(fā)出性、可靠性的分布式溫度傳感系統(tǒng)產(chǎn)品。
下面介紹一下DTS系統(tǒng)的兩個關(guān)鍵技術(shù)：
1. 拉曼散射效應(yīng)（Raman Scattering Effect）---實現(xiàn)測溫
在光脈沖入射到傳感光纖后，光子在光纖中的傳播由于受到光纖的密度、應(yīng)力、光纖中的參雜、溫度、彎曲變形等因素的影響，有一部分的散射光會沿入射光反向的方向傳播，稱之為背向散射光。在背向散射光中，根據(jù)反射光的頻率特性，可以分成下列幾種：
瑞利（RayLeigh）散射：占散射光的主要成分，是由光纖折射率的微小變化引起的，其頻率和入射光一致；
布里淵（Brillouin）散射：由光子與光纖內(nèi)彈性聲波低頻聲子相互作用引起，其頻率與入射光脈沖相差11GHZ左右。在光纖中波長變化約為0.88nm，光強(qiáng)度與瑞利散射光相比約-15db。布里淵散射可用來測量溫度和應(yīng)變。
拉曼（Raman）散射：是由光子與光聲子相互作用引起的，其頻率與入射光相差13.2THZ左右。光強(qiáng)度與瑞利散射光相比約為-30db（1000分之一），是一種非常微弱的信號。拉曼效應(yīng)僅僅可用來測量溫度。
在實際測量中，可以得到經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電平值，就能由上式求溫度T。經(jīng)過理論計算得到溫度與拉曼散射強(qiáng)度比的關(guān)系。h是波朗克（Planck）常數(shù)，h=6.626 068 76.52×10-34J.s（1998年基本物理常數(shù)數(shù)據(jù)）, 是一光纖分子的聲子頻率為13.2THz，k是波爾茲曼常數(shù)，k=1.380 650324×10-23JK-1,T是凱爾文（Kelvin）jue對溫度，T0是定標(biāo)光纖的溫度。
被測光纖的溫度和拉曼（Raman）散射的Stokes及Anti-Stokes的光強(qiáng)關(guān)系如下：
2. 光學(xué)時域反射測量技術(shù)（OTDR）---實現(xiàn)定位
光學(xué)時域反射器（OTDR）是用于檢測光纖損耗、定位光纖故障的常用設(shè)備，它廣泛用于通訊工程的光纜鋪設(shè)上，是光纖的定位雷達(dá)。其工作原理是通過向被測光纖發(fā)射光脈沖， 通過檢測背向散射的瑞利散射在不同時域的光強(qiáng)，從而得到在光纖空間上的損耗定位；定位的距離和時域關(guān)系如下：
D= c×t / 2×n
其中，c是光在真空中的速度，t是光信號發(fā)出后到散射信號接收回來的時間，n是光纖的折射率。所以，通過采集和分析光脈沖從光纖的一端注入后在光纖內(nèi)傳播時產(chǎn)生的Raman背向光的時間各強(qiáng)度信號，得到相應(yīng)位置的溫度信息， 從而就可以得到沿光纖整根的不同位置的溫度曲線。
