拉曼WDM在DTS中的应用

摘要：光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤

拉曼 WDM: Raman Wavelength Division Multiplexer，拉曼波分复用器

DTS: Distributed Temperature Sensing，分布式温度传感

一、历史背景

光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

而分布式光纤传感技术主要包括基于干涉原理的分布式传感技术和基于瑞利、布里渊以及拉曼等散射机制的分布式传感技术，这些技术的单独或结合使用不仅能实现高精度和高空间分辨率传感，而且还能实现多物理参数的同时测量，例如它可以同时测量温度和应变。

此次介绍的是基于拉曼散射的分布式光纤传感技术， DTS是一套基于光纤中的拉曼散射效应来实现分布式温度监控的系统，利用光纤中拉曼散射光的强度与光纤的温度状态有关的原理对温度进行实时监测。

二、DTS的基本原理

2.1 拉曼效应

也称拉曼散射(Raman Scattering)，是印度物理学家拉曼(C.V.Raman)于 1928 年发现。当光照射在介质上，除被介质反射、吸收和透射以及与入射光波长相同的瑞利散射，还有一部分与入射光波长不同的散射光，称之为拉曼散射。

瑞利散射(Rayleigh scattering)(见图 1)：当分子从振动基态E0被入射光激发到能级 E0+ hv0的虚态(virtual state)，又回到振动基态E0，散射出频率为v0的光子；当分子从振动激发态En被激发也是同理；瑞利散射全程没有发生过能量变换。

拉曼散射又可以分为两类(见图 1)：

1.斯托克斯散射(Stokes Raman Scattering，以下简称SR)，当分子从振动基态E0被入射光激发到虚态，然后回到振动激发态En，产生能量为h(v0 -v)的拉曼散射，散射光子的频率为v0 -v ；

2. 反斯托克斯散射(Anti-Stokes Raman Scattering，以下简称ASR)，当分子从分子振动的激发态En被入射光激发到虚态，然后回到振动基态 E0，产生能量为h(v0+v)的拉曼散射，散射光子的频率为v0+v 。

图2 瑞利散射、拉曼散射的特性差异

2.2 拉曼测温原理

目前调制方式都是利用SR解调 ASR的方法，将 ASR作为信号通道，将 SR作为参考通道，检测两者光强的比值，就可以解调出散射区的温度信息，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的影响。

假设在光纤L处发生拉曼散射，则有

SR光子通量:

ASR光子通量:

Rs(T)：斯托克斯系数

Ras(T)：反斯托克斯系数

从公式3、4可以看出， Rs(T)的数值随着温度T的变化始终接近1，代表几乎不受温度的影响；而Ras(T)的数值随着温度T的变大，会从0开始慢慢变大，这代表Ras(T)受温度影响很大，例如温度从300K升高到600K时，Ras(T)的值也从0.0004增加到0.0217，可以看到相对变大了几十倍。

以上可得出结论，ASR对温度敏感，其强度受温度调制；而SR强度也与温度有一定的关系，但受温度影响很小，所以这就是市场上利用SR解调 ASR的方法，将 ASR作为信号通道，将 SR作为参考通道的主要原因。这一特性是分布式光纤温度传感技术的核心 —— 通过测量的Ras(T)/Rs(T)比值可精确反推温度。

2.3 WDM原理

在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息的技术称之为波分复用技术（WDM）。WDM是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带着各种信息），在发送端经过合波器（Multiplexer）汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输，而在接收端经分波器（Demultiplexer）将各种波长的光信号分离出来，然后由光接收机进一步处理恢复为原信号。

在拉曼 WDM 模块中将三种关键波长在单根光纤中复用传输,确保三种波长独立传输、互不干扰，避免信号串扰导致温度解调误差，参数规格如图3，通道光谱图可见图4-6：

1550 nm通道：接收发射脉冲光到传感光纤中，激发光纤分子振动并产生拉曼散射；

1660 nm通道：输出拉曼散射中的SR，可连接APD将光信号转化成电信号，使光强能够被采集并分析；

1450 nm通道：输出拉曼散射中的ASR，可连接APD将光信号转化成电信号，使光强能够被采集并分析。

图3拉曼WDM的参数规格

2.3 拉曼WDM光谱参考

图4

图5

图6

三、什么是DTS

DTS可以理解成一种 “能测一整条线温度的‘超级体温计’”—— 比如一根长光纤，它能告诉你这根光纤上每一个点的温度（比如从起点到终点，每隔 1 米甚至几厘米的温度都能知道），而不是像普通温度计只能测一个点。

DTS其核心逻辑是：将泵浦光（如 1550nm）导入到传感光纤中，激发传感光纤产生拉曼散射，而拉曼散射可形成SR(1660nm)和ASR(1450nm)两种波长光，通过APD将这两个拉曼光由光信号转化成电信号，通过信号采集的方式，并使用软件分析两个拉曼光的强度比值，Ras(T)/Rs(T)，通过这一比值计算温度，通过这一系列方式就可以实时监控到某一位置具体的温度。而拉曼 WDM 在其中需要保证多波长并行传输、多测点复用，并将泵浦光（如 1550nm）与信号光（如 1450nm ASR、1660nm SR）分波长传输，减少串扰，提升信号信噪比。