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、管線及高溫反應爐等安全隱患的發(fā)生，以及發(fā)生事故時協(xié)助救援方案的制定。然而傳統(tǒng)的測溫技術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)應運而生。

  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，會導致接續(xù)點測得的溫度出現跳變。

  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)中多模光纖在實際應用中的問題，利用自身在光纖設計制造方面的經驗和技術能力，對測溫多模光纖進行了改進。

  (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，以及實際工程中不可避免的光纜接續(xù)點溫度一致性。

  性能優(yōu)化后的測溫多模光纖結合長飛DTS主機測試結果顯示，溫度曲線平整，測溫距離在25km時，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，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(模式差分群時延)引入的脈沖展寬導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，不存在模間色散導致的脈沖展寬，其劣勢在于有效模場面積較小，為了避免產生受激拉曼散射，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)較為復雜、成本較高(需要進行分布式放大并進行復雜的信號處理)。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計，具有模間色散極小的優(yōu)勢。利用少模光纖作為傳感光纖，結合現有的單模光纖拉曼系統(tǒng)，可在保證高空間分辨率的同時，有效延長現有分布式溫度傳感器的傳感距離，并無需增加系統(tǒng)復雜度。

  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行了理論分析與計算，找出了優(yōu)化的溫度解調算法，研制出了高效的少模光纖耦合設備，并將少模光纖與現有單模光纖設備高效結合，研制出了分布式拉曼測溫的相應模塊。該少模DTS系統(tǒng)中，準基模運行避免了模間色散導致脈寬展寬，同時大有效面積大大提高了入纖光功率，最終實現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)產品。如下圖，長飛少模光纖結合少模DTS主機測試，測溫距離大于20km時，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，很好地將特纖技術與傳感技術相結合，高效地推進了分布式光纖測溫系統(tǒng)的性能優(yōu)化。產品已廣泛應用于國內外電力、隧道及管廊的監(jiān)測，如新鄭機場長鷹隧道中的溫度監(jiān)測。長飛公司將繼續(xù)推進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，引領市場的優(yōu)質發(fā)展！