激光脈沖在光纖中傳輸時, 由于光纖存在的微觀不均勻性會導致光在光纖中產生后向散射現象, 從而可以依據不同時間獲取的不同強度的后向散射光來進行光纖的定位, 再講光纖鋪設至監測環境中即可以實現對監測環境中進行長距離的精確定位。

光在光纖中的散射光分為瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射三種。其中瑞麗散射強度最強但其強度值對溫度值不敏感, 因此無法用于溫度監測;布里淵散射強度排列第二, 但是其強度對光纖的溫度以及所受的應力有雙重的敏感性, 且布里淵散射光的波段有一部分與瑞利散射的波段重合, 因此若使用布里淵散射監測溫度, 不僅需要消除應力對光強的影響, 還要消除瑞利散射光對布里淵散射光的影響, 這對系統的硬件有著較高的要求以及后期軟件中的數據處理帶來較大的難度;拉曼散射在三種散射光中強度最弱, 但是其波段與瑞利散射和布里淵散射的波段相差較遠, 不會受到其它兩種散射光的影響, 并且拉曼散射光僅對溫度有敏感性, 因此利用拉曼散射對溫度的敏感并結合光時域反射技術即可以完成對整個光纖上的溫度分布式測量。

拉曼散射, 是由于光纖纖芯介質材料成分起伏以及密度的微觀變化等因素的影響, 介質分子與入射光子互相作用, 由于介質的非線性效應, 入射光光子與分子發生非彈性碰撞, 在碰撞的過程中, 光子與分子之間發生能量交換, 光子不僅改變了運動方向, 同時光子的部分能量傳遞給分子, 或分子振動的部分能量傳遞給光子, 從而改變了光子的頻率。

基于后向拉曼散射的物理原理是光子和光纖分子的熱振動相互作用發生能量交換, 如果一部分熱振動轉換為光能, 發出了一個比光源波長短的光, 成為反斯托克斯光, 如果一部分光能轉換成了熱振動, 則發出一個比光源波長長的光, 稱為斯托克斯光。他們在頻譜圖上大致是對稱分布的, 反斯托克斯光對溫度的敏感度比斯托克斯光要大很多, 因此可以將斯托克斯光作為參考光, 反斯托克斯光作為信號光, 將兩者進行對比即可得到溫度的信號, 并通過光時域反射技術即可將溫度與空間位置所對應, 實現分布式測溫的目的。

兩種光強比值為:

分別是Anti-Stokes和Stokes的光強, , 分別是他們的波長, h為普朗克常量, c為光速, 為拉曼頻移波數, 為玻爾茲曼常數, T為絕對溫度。

實際測量中, 這兩種不同波長光的衰減差異和探測器對兩種光的響應差異, 要通過設定定標區來消除, 一般定標區設置在光纖的前200m, 把它放入恒溫箱作為參考光纖, 設置其溫度為T₀, 則有。則在測溫系統標定之后, 通過測定R (T) 就可確定沿光纖各測量點的溫度值。

分布式光纖測溫技術特點

分布式光纖測溫技術應用于長距離場景其所擁有的優勢是傳統點式測溫所無法企及的, 作為一種高新技術, 分布式光纖測溫已經在水利交通、冶金化工得到了廣泛的應用, 在電力電子方面在近些年來也得到了相應的關注。隨著科學技術的發展, 對于傳感技術的要求也會越來越高, 因此, 在整個分布式光纖測溫系統中有仍然有許多技術要點需要得到關注并進一步優化, 如光源工作時中心波長、峰值功率、脈沖寬度的變化對采樣的影響;更高的增益的運放電路;更快速地信號采集以及更加效率準確的溫度解析算法等都需要得到進一步的改善優化。