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作者：骏龙科技现场应用工程师
光纤测温是伴随着光纤以及光纤通信技术发展而产生的一种新的应用传感技术。目前市面上的光纤测温主要分为两种：
本文主要介绍分布式光纤测温DTS以及ADI的相关应用。
分布式光纤测温VS传统测温方式
光纤传感器用光作为信息的载体，用光纤作为传递信息的媒质。相比传统测温方式，分布式光纤测温具有以下优点：
- 不受电磁干扰，耐腐蚀
- 无源实时监测，绝缘性好，防爆性好
- 体积小，重量轻，可弯曲
- 灵敏度高，使用寿命长
- 测量距离远，维护方便
分布式光纤测温的应用场景
电力电缆的实时在线温度监测
- 运行状态监测，有效检测电缆在不同负载下的发热情况，积累历史数据
- 老化监测，发现电缆局部过热点
高压架空线的增容
- 对关键地点架空导线的温度监测，提高架空线路的输送容量
交通运输领域的火情监测预警（如隧道、地铁、铁路、机场）
- 当产生报警输出时，强制启动通风设备，开启应急通道，通知医疗救援和指挥中心
堤坝等特殊场合的渗漏监测
- 此应用中需要特质光纤并且添加有源激励。当堤坝发生渗漏时，水分带走热量，光纤周围产生温度差异，从而可以定位到渗漏的具体地点
气体运输管道的漏气监测
- Joule-Thomson效应：当气体由高压区向低压区自由扩散的时候，气体的温度会发生一个瞬间跌降。通过绝热气体方程，可以大致计算该温度的跌降数值。该温度变化可以通过光纤测温得到测量。
行业标准及市场情况
国家关于光纤测温出台的行业标准是：GB/T 21197-2007《线性光纤感温火灾探测器》，而各个行业关于分布式光纤测温也出台了对应的标准。
下表（表1）是电力行业标准：DL/T1573-2016《电力电缆分布式光纤测温系统技术规范》。
表1 分布式光纤测温的电力行业标准
市面上不同行业出台的标准是略微差别，终端设备厂家目前设计的产品大多数可以涵盖到不同的行业标准。
分布式光纤测温的原理
分布式光纤测温系统DTS是基于光纤拉曼散射现象。激光器光源发出的光脉冲与光纤分子相互作用从而发生散射。散射光有多种类型：
- 瑞利（Rayleigh）散射
- 布里渊（Brillouin）散射
- 拉曼（Raman）散射
其中拉曼散射是与光纤分子的热振动相关联的，因而对温度敏感，可以用来进行温度测量。在拉曼散射中，频率小于入射光频率的光称为斯托克光（stokes），频率大于入射光频率的光称为反斯托克光（anti-stokes）；斯托克光以及反斯托克光在频谱上的分布是对称的，反斯托克光对温度敏感，其强度受温度调制，温度越高，散射光强越高；斯托克光与温度无关，两者光强的比值只与散射区的温度有关。
通常反斯托克光用作信号通道，斯托克光用作参考通道，检测两者的光强比值，就可以解调出温度；同时还可以有效地消除光源的不稳定，以及光纤传输过程中的耦合损耗、光纤接头损耗、光纤弯曲损耗和光纤传输损耗等影响。
图1 光纤中光的反射光谱
温度位置的确定是基于光时域反射的OTDR技术，测量散射信号的回波时间，即可确定散射信号在光纤中的具体位置。激光脉冲在光纤中传输时，入射光经过散射返回光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走的时间为2L，得出以下公式：
2L=V*t V=C/n
V为光在光纤中的速度；C为真空中光速；n为光纤折射率。
图2 利用OTDR技术进行测温定位
了解以上原理之后，对于分布式光纤测温，我们会有大概的整体框架认知，如下图（图3）所示：
图3 分布式光纤测温整体框架
分布式光纤测温终端常见技术要求
下表（表2）是分布式光纤测温终端常见技术参数以及具体技术要求。
表2 分布式光纤测温终端常见技术要求
分布式光纤测温设计的常见问题解答
光纤脉冲激光器脉宽多大合适？
工程师经常使用的光纤激光器，脉宽有的是3ns，有的是5ns，还有的是10ns甚至更大，这个值究竟是和什么有关呢？它会对信号链路的测量带来哪些影响？
我们首先要明白：脉宽大，发射的功率就比较大；脉宽小，发射的功率就比较小。发射的功率大，所能测量的距离就更远，但是发射功率不能无节制地增大，到达一定程度时会出现光功率的饱和（光纤放大器），无法正确测量。
脉宽小，定位精度高，信号强度变弱，温度变化带来的信号变化也不明显，反应会比较迟钝，对ADC的要求更高。所以需要从测量距离，定位精度，ADC选择方面综合考虑来选择脉宽，常见的是5ns-10ns。
选择什么样的ADC才能满足系统要求？
假如要求系统长度分辨率达到1m，已知光在光纤中的传播速度200, 000, 000 m/s的情况下，根据以下公式进行计算：
Fs=V/2L（L=Vt/2）
ADC的转换速率至少需要达到100Msps（从理论上讲，如果采集信号的频率足够高，对时间t 的分辨足够小，则可以测出光纤上每一点的温度，即实现温度的分布式测量）。
ADC的位数影响最终获得的温度和测量精度，位数大的话测量更精确，误差更小，设备更灵敏；但同时也会带来处理数据量的增加，成本的提高。大多数情况下，工程师会选择ADC12位，少数会参考ADC14位。一般采集到的拉曼散射光非常微弱，为了提取有效信号，需要进行消噪处理，累加平均法是光纤测温中常用的消噪手段，这部分可通过软件完成。
累加法提高信噪比
在沿光纤反馈回来的信号中，除了光源的自身信号瑞利散射外，还有斯托克斯和反斯托克斯信号，二者分布在中心波长的两侧。正是这两个拉曼分量构成了解度温度信息的要素。
幅度方面，瑞利信号比斯托克斯要高 2-3 个数量级，反斯托克斯信号比斯托克斯低 1 个数量级。幅度上的巨大差异，加大了从强的瑞利背景中提取喇曼分量的工作难度。
常规的提取方法是采用干涉滤光片，由于单片的滤光比参数不可能达到要求，只能是采用多片叠加的办法，来尽量减弱瑞利信号，从而达到初步提高信噪比的目的。取样积分累加是提高信噪比的另外一种方法，如下图（图4）所示：
图4 随着累加次数提高的噪声效果图
激光驱动部分电路以及部分ADI推荐型号
图5 激光驱动部分电路
分布式光纤温度测量系统采用半导体激光器作为其光源，其输出光功率受驱动电流控制。半导体激光器的输出是其驱动电流的单调函数，只要电流超过其阈值，激光器就开始处于受激辐射状态发出激光，从上图（图6）可见，稳定驱动电流即可稳定出光功率。
APD接收部分电路以及部分ADI推荐型号
图7 APD接收部分电路
图8 LT3571 APD偏置
APD偏置电压通常为45V左右，因为APD的温度敏感性比较高，部分工程师会根据温度的不同选择，不同的偏置电压作为补偿。环温检测方面，大多数工程师采用的是NTC方案，推荐参考数字温度芯片；不同偏置电压可以通过数字电位计进行设置，如图8中红色框内电阻位置。
信号调理部分电路以及部分ADI推荐型号
图9 信号调理部分电路
图10 高速信号链中时钟抖动Tj对SNR的影响
ADC一般情况下内置了高精度的基准电压源，如果要达到更高的精度，也可以外部单独配基准；高速ADC对时钟输入信号的质量比较敏感，在输入信号频率为Fin情况下，时钟抖动Tj会影响到最终的SNR：
SNR=-20log (2Π*Fin*Tj)
低抖动的时钟源则推荐AD9510(40fs) LTC6950。
电源部分电路以及部分ADI推荐型号
电源部分主要包括以下几个方面：APD偏置部分电源；模拟信号链电源；FPGA以及主控电源。
图11 电源部分电路
总结
分布式光纤测温相比传统的测温方式有其独特的优点，深入理解其原理才能在进行产品设计时得心应手。ADI作为模拟芯片方面的领导者，在DTS设计的每一个环节，均可为您提供一系列相关的解决方案。欲了解更多技术细节和 ADI 相关方案，请与骏龙科技当地的办事处联系，或发送邮件至inquiry.cytech@macnica.com，骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。
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