光纤带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率影响的实验研究

摘 要

本文通过实验分析了多模光纤带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响。实验结果表明，多模光纤带宽处于500MHz*Km至6000MHz*Km范围内时，测温系统空间分辨率呈现先升高，后下降的趋势。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据支持。

【关键词】分布式光纤测温系统 光纤带宽 空间分辨率

1 引言

传统温度传感器由于测量原理的限制，易受外界环境，特别是电磁干扰的影响，无法长时间连续测量。使用光纤光栅等新型点式光学温度传感器，由于成本的限制，无法实现真正的分布式测量，限制了其应用范围。

近年来，使用普通光纤作为传感介质的新型光学传感器由于具有本征无源，抗电磁干扰，响应快速等特点，逐步取代了传统的探测方法，成为研究的热点。

同时，分布式光纤测温系统受激光脉冲在光纤中的展宽等因素的影响，空间分辨率指标无法得到有效提升。传统的方式是通过压缩入射光脉冲宽度，提高脉冲光峰值功率的方式来提高系统的空间分辨率，但此方式实现难度较高，并不能无限压缩光脉冲宽度，并且随光脉冲宽度的降低，加工难度和成本也随之大大提高，限制了系统的实际应用效果和应用范围。

本文在前期研究的基础上，利用已有的分布式光纤测温系统，展开了相关实验研究。测量了多种不同带宽光缆对应空间分辨率指标，并做了相关数据分析。试验结果表明：光纤的带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率有较大影响，并在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先升高后降低的趋势。

2 实验原理与系统

系统基本架构如图1所示；

系统的工作过程如下：分布式光纤温度传感系统工作时，在同步控制单元的控制下，脉冲驱动电路产生电流脉冲，该脉冲驱动半导体激光二极管产生的光脉冲注入到激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路再进入传感光纤。光在光纤中发生散射后，其携带有温度信息的拉曼后向散射光返回到波分复用系统，波分复用系统不但可以将发射的光直接耦合进光纤，而且可以将散射回的不同于发射波长的斯托克斯和反斯托克斯光分离后送入两个光电探测器。光电探测器将光信号转换成电流信号，电流信号再被放大电路转换成电压信号并且放大后送入采集卡。采集卡将信号数字化后送入上位机，按照特定的算法计算出温度信息。

在上述系统的基础上，采用不同带宽的50/125μm多模探测光缆作为测试对象，验证了系统空间分辨率变化情况。

3 实验结果

实验中，共测试了不同带宽的多模50/125μm的光纤对应的系统空间分辨率，光纤及相关实验参数如表1。

注：空间分辨率恶化系数的计算方法如下：

空间分辨率恶化系数=空间分辨率绝对变化量/光纤长度

根据上述数据可以得知，多模光纤带宽与系统空间分辨率的关系如图2所示。

从图中可以看出，系统空间分辨率在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先变好后变差的趋势，并在1600MHz*Km左右达到最优。

4 理论分析

在分布式光纤测温系统中，系统的空间分辨率主要受光脉冲宽度、电路带宽、光电探测器响应时间等因素制约，在其它因素确定的条件下，光脉冲宽度称为影响空间分辨率的重要因素。光脉冲在传感光纤中传输，受到色散的影响，会出现不同程度的展宽效应。具体而言，在多模光纤中，光纤材料、波导结构和多种模式的光脉冲信号在光纤中传输，色度色散和模间色散是引起光脉冲展宽的主要因素。

其中分别是模式色散和波导色散。模式色散一般存在与多模光纤中，由于在多模光纤中同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向的传播速度不同，到达终端时就有先后，出现时延差，从而引起脉冲展宽。时延差越大，色散就越严重。而波导色散取决于光纤的折射率剖面结构。

两种色散共同决定了光脉冲展宽的程度，而光纤的3dB带宽与脉冲宽度δ是从不同角度描述光纤色散特性的两个参数，因而它们之间存在一定的关系。

光纤的带宽越宽，脉冲展宽约小，但这只是理论公式，通过实验数据表明，当光纤带宽小于1600MHz*Km时，满足该公式的关系，当超过该值时，脉冲展宽随带宽增加而增加。

5 结论

本文通过对不同带宽光缆对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响进行测试，确认了在一定范围内光纤带宽指标影响系统空间分辨率的变化规律，并进行了理论分析。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据及理论支持。

参考文献

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作者简介

王建强（1966-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

夏俊玲（1969-），女，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

史振国（1981-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

作者单位

威海北洋光电信息技术股份公司 山东省威海市 264209