1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、 分布式光纤测温系统应用现状与发展趋势

温度传感器是检测温度的器件，其种类最多、应用最广且发展最快。分布式光纤温度传感器是近年来发展起来的一种新兴传感器。基于光纤中后向散射现象和光时域反射理论，利用分布式光纤传感器，可以在整条光纤的长度上，以距离的连续函数形式测量出光纤上各点的温度值，得到整个被测光纤区域的一维温度分布图^[1]。分布式光纤温度传感器中的光纤既是传输介质又是传感介质，可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，它还具有抗电磁干扰、防燃、尺寸小、对被测温度场的影响小等其它传感器无法比拟的优点，以其独特的技术优势广泛应用于工业、国防、航空航天、交通运输和日常生活等各个领域^[2][3]。

分布式光纤测温系统的发展趋势为^[4][5]：

(1).实现单根光纤上多个物理参数（温度和应变）或化学参数的同时测量。

(2).提高信号接收和处理系统的检测能力，提高系统的空间分辨力和测量不确定

度。

(3).提高测量系统的测量范围，减少测量时间。

(4).新的传感机理的研究。

二、 分布式光纤测温系统的介绍

1. 光纤测温原理

当激光脉冲在光纤中传输的过程中与光纤分子相互作用，发生多种形式的散射，有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。由于瑞利散射对温度不敏感；布里渊散射对温度和应力都敏感，容易受外界环境干扰，影响测量的准确度^[6]。所以一般分布式光纤测温系统的测温原理是依据背向拉曼散射的温度效应。拉曼散射效应可以用入射光与散射介质的相互作用、能量转移加以解释，入射光与散射介质发生非弹性碰撞，在相互作用时，入射光可以放出一个与散射介质分子振动相关的高频声子，称作为斯托克斯光(Stokes)，入射光可以吸收一个与散射介质分子振动相关的高频声子，称作为反斯托克斯光(Anti#8212;Stokes)。长波一侧波长为λ_S (λ_S=λ₀ Δλ)的谱线称为斯托克斯线(stokes)，短波一侧波长为λa (λa=λ₀-Δλ)的谱线称为反斯托克斯线，其中斯托克斯光与温度无关，而反斯托克斯光的强度则随温度变化。测量入射光和反射光之间的时间差，可得发射散射光的位置距入射端的距离，这样就实现了分布式的测量^[7]。

2. 系统结构

分布式光纤测温系统由测温主机、传感光纤和温度解调软件组成，测温主机是本系统中的核心设备。测温主机的主要器件有脉冲半导体激光器（PLD）模块、拉曼1*3波分复用(WDM)组件、含高压驱动的光电雪崩二极管(APD)模块、信号放大模块、数据采集和处理模块、恒温控制模块以及温度解调软件等。分布式光纤测温系统的结构如下图所示^[8]。

作用过程如下: 由计算机控制发出周期脉冲电信号,启动半导体激光器(LD)的脉冲驱动电源和半导体光源LD工作。LD发出的脉冲光功率,经过定向耦合器耦合到传感光纤中,传感光纤则置身于待测温度场中。在传感光纤中传播的光脉冲,其传播过程中各点位置上引发的散射光(拉曼散射光中的反斯托克斯和瑞利散射)中的后向散射部分再次经过光纤传输通道进入定向耦合器耦合到接收通道,通过滤光片滤波后,分离出载有温度信息的反斯托克斯光和参考用的瑞利散射光,分别被光电接受APD实行光电信号转换,再经过前置放大和主放大后,被高速APD转换器接收转换,转换由计算机发出脉冲启动LD驱动源后,同时启动数字信号处理(数字多点信号平均器、存贮、周期信号的线性累加)部分,然后计算机再次发送出脉冲。重复上述过程M次后,即实现了数字平均、抑制了噪声、提高了信噪比,通过温度对信号的对应关系、配合显示、运算软件,完成了对待测温度场的分布式温度测量,并打印及显示在计算机屏幕上或报警^[9][10][11]。

3. 系统特性优点

(1).大范围、高密度的分布式温度测量^[12]

分布式光纤温度传感系统可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可以达到米的量级，测温精度可达1摄氏度，非常适合用于大范围多点测温的场合。因此这种光纤传感系统在高压、大型发电等环境下应用十分广泛。

(2).在线自动测量^[13]

分布式光纤温度传感系统由于温度测量不带电，所以不会影响被测对象的电磁工作环境，也不会受到被测对象的电磁干扰，所以能够在设备运行的过程中测温，实时监测电缆及其接头和相关设备的实际温度情况。

(3).光机电一体化 ^[14]

光机电一体化是在激光技术与微型计算机为代表的微电子技术迅速发展，向机电工业领域迅猛渗透，与机电技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术，微电子技术，信息技术，自动控制技术，传感控制技术，电力电子技术，接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，在高功能，高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的系统工程技术。

三、分布式光纤测温系统的应用及前景

分布式光纤温度传感器的应用前景十分广阔，自问世以来，主要应用于以下几个方面^[15][16][17]。

1.煤矿、隧道的灾害防治及其报警系统；

2.地下和架空高压电力电缆的热点检测：

3.各种大、中型变压器、发电机组的温度分布测量、热保护和故障诊断；

4.火力发电所的配管温度、供热系统（暖水、暖气）的管道、输油管道的热点检测和故障诊断；

5.医院的ICU、CCU监护病房的温度监测和火灾监测；

6.油库、油罐、危险品仓库、大型仓库和大型轮船的货仓火灾及报警系统；

7.化工原料，照相材料及油料生产过程的在线、动态检测；

8.高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等灾害性在线、动态检测、防护及报警；

9.把分布式光纤温度传感器埋入材料结构中，组成智能材料结构可以实现结构本身的实时自检测和自诊断，用于航空、航天飞行器的在线、动态检测和机器人的神经网络系统^[18]。

这种新的学术思想将会使材料与工程科学产生革命性的变化，尤其是在航空航天的现代化工程领域具有特别重要的意义和广阔的前景^[19]。正是因为有着广泛而迫切的社会需求，传统的温度传感器又难于满足这些需求，使得分布式光纤温度传感器以其自身的独特优点，而越来越受到重视^[20]。同时，我们也清楚地看到分布式光纤测温系统还有待进一步完善提高。所有这些都说明，我们对其的研究具有重要的现实意义。

参考文献

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[20] 刘文.基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统的研究[D].湖北.华中科技大学.2005

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题要解决的问题

首先选择大功率半导体脉冲激光器,然后根据光在光纤中拉曼散射的特点，利用光的斯托克斯散射和反斯托克斯散射，得出光时域反射原理图。

研究光的分波合波技术，研究系统的光探测子系统，设计一个低噪声高增益的apd探测放大电路，设计一个完整的系统，最终得到系统结构图。