長飛特種光纖系列之四:用於分布式測溫系統的多模光纖和少模光纖

一、分布式光纖測溫系統需求

   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生，以及發生事故時協助救援方案的制定。然而傳統的測溫技術由於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監測的需要。因此，可以很好的解決以上難題，兼具精度要求及連續監測功能的分布式光纖測溫系統（簡稱DTS）應運而生。

   由於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採用多模光纖作為傳感光纖。但傳統的通信多模光纖僅優化了波長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解析度的劣化。此外，普通多模光纖因其幾何一致性較差，會導致接續點測得的溫度出現跳變。

 二、分布式測溫系統用多模光纖和少模光纖

   長飛公司針對傳統測溫系統中多模光纖在實際應用中的問題，利用自身在光纖設計製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化，提高了長距離測溫的信噪比；

（2）C波段帶寬的優化提高了長距離DTS的空間解析度，解決了目前DTS系統在長距離傳輸中空間解析度劣化；

（3）幾何一致性的優化，提高了系統的測溫精度，以及實際工程中不可避免的光纜接續點溫度一致性。

性能優化後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，溫度解析度優於2℃，空間解析度約2-3米。另外，此光纖還做了抗彎和耐高溫塗層處理，使該光纖更適合成纜以及高溫應用。

   基於多模光纖的分布式拉曼傳感系統，其優勢在於多模光纖具有較大的有效模場面積和較高的拉曼增益係數，易於通過自發拉曼散射獲得光纖沿線的溫度信息。其劣勢在於多模光纖的損耗較大，更重要的是由於多模光纖模間色散（模式差分群時延）引入的脈衝展寬導致長距離傳感的空間解析度不足，這在需要較高空間解析度的溫度測量場景下實際上限制了光纖的傳感距離（通常多模系統長度局限於8～10km）。基於單模光纖的分布式拉曼傳感系統，其優勢在於損耗較小，不存在模間色散導致的脈衝展寬，其劣勢在於有效模場面積較小，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。因此基於單模光纖的長距離分布式光纖溫度傳感器系統較為複雜、成本較高（需要進行分布式放大並進行複雜的信號處理）。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，由於其特殊的折射率設計，具有模間色散極小的優勢。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，可在保證高空間解析度的同時，有效延長現有分布式溫度傳感器的傳感距離，並無需增加系統複雜度。

   長飛公司提出基於少模光纖的分布式光纖測溫系統，從拉曼散射的原理出發，對少模光纖中的斯託克斯拉曼散射與反斯託克斯拉曼散射進行了理論分析與計算，找出了優化的溫度解調算法，研製出了高效的少模光纖耦合設備，並將少模光纖與現有單模光纖設備高效結合，研製出了分布式拉曼測溫的相應模塊。該少模DTS系統中，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，最終實現了基於少模光纖的長距離高空間解析度分布式光纖測溫系統產品。如下圖，

長飛少模光纖結合少模DTS主機測試，測溫距離大於20km時，溫度解析度優於4℃，空間解析度約3米。 

   長飛公司專注特纖技術20餘年，利用特纖研發與製造的優勢，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的性能優化。產品已廣泛應用於國內外電力、隧道及管廊的監測，如新鄭機場長鷹隧道中的溫度監測。長飛公司將繼續推進分布式光纖測溫系統中多模與少模光纖的優化及測溫系統的產業商用化，發揮長飛公司在特纖與特纖傳感市場的旗幟作用，引領市場的優質發展！