电子科技大学：《光电信息检测 Optical Information Detection》课程教学资源（课件讲稿）工程案例七：基于拉曼的分布式光纤温度传感系统

工程案例：基于拉曼的分布式光纤温度传感系统 。内容提要： 在光电信息检测的行业工程应用实践部分，设置 “基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统”。 首先介绍拉曼分布式光纤温度传感系统的基本组 成，再从工作原理、技术途径、关键技术、难点 技术及解决措施四个方面进行阐述，最后展示了 系统实物图和关键性能指标。 6

工程案例：基于拉曼的分布式光纤温度传感系统 内容提要： ⚫ 在光电信息检测的行业工程应用实践部分，设置 “基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统”。 首先介绍拉曼分布式光纤温度传感系统的基本组 成，再从工作原理、技术途径、关键技术、难点 技术及解决措施四个方面进行阐述，最后展示了 系统实物图和关键性能指标。 6

引言： 。行业工程应用实践是《光电信息检测》课程和实际 应用相结合的一个成果展示。本工程案例来源于我 们的科研项目，拟从研究背景、组成原理、技术实 现途径、关键技术、研制难点及解决措施等方面对 该案例进行详细的阐述

引言：  行业工程应用实践是《光电信息检测》课程和实际 应用相结合的一个成果展示。本工程案例来源于我 们的科研项目，拟从研究背景、组成原理、技术实 现途径、关键技术、研制难点及解决措施等方面对 该案例进行详细的阐述。 7

需求背景：（1)大型基础设施检测 转债光纤光烟 德松保测星练献程松附近床境温度变化来列新菌 油漏位景 8

8 需求背景：（1）大型基础设施检测 光 纤

需求背景：（1)大型基础设施检测 《国家中长期科学和技术发展规划纲要》已将重大灾害监测预警定位 为未来十五年影响我国国民经济建设与发展的关键支撑技术 ■重大工程（如石油管道、隧道、煤矿等)火灾灾区防灾减灾、监测预 警是我国国家公共安全的重要组成部分，是重要的基础性、公益性事 业，事关人民生命财产安全和经济社会可持续发展 ■当市政供气、供水、供热等管道发生泄漏时，泄漏点的温度会明显与 周围环境的温度有差异，根据管道沿线温度的变化，就可以判断管道 是否发生泄漏并及对泄漏点进行定位。 ■对封闭式隧道或矿井进行实时温度监测，当发生火灾之前，起火点的 温度会明显与周围环境的温度有差异，根据光纤沿线温度的变化，就 可以判断是否有发生火灾的危险，并做出及时判断与预警 9

9 ◼ 《国家中长期科学和技术发展规划纲要》已将重大灾害监测预警定位 为未来十五年影响我国国民经济建设与发展的关键支撑技术 ◼ 重大工程（如石油管道、隧道、煤矿等）火灾灾区防灾减灾、监测预 警是我国国家公共安全的重要组成部分，是重要的基础性、公益性事 业，事关人民生命财产安全和经济社会可持续发展 ◼ 当市政供气、供水、供热等管道发生泄漏时，泄漏点的温度会明显与 周围环境的温度有差异，根据管道沿线温度的变化，就可以判断管道 是否发生泄漏并及对泄漏点进行定位。 ◼ 对封闭式隧道或矿井进行实时温度监测，当发生火灾之前，起火点的 温度会明显与周围环境的温度有差异，根据光纤沿线温度的变化，就 可以判断是否有发生火灾的危险，并做出及时判断与预警 需求背景：（1）大型基础设施检测

需求背景：（2)时代迫切需要 ·我国“十四五”规划时期，新一代信息技术、深海空天开发、智慧 交通强国、智慧城市建设等前沿科技和产业变革领域将被进一步发 展壮大，传感技术作为核心科技之一具有无可替代的战略价值和巨 大的经济效益。 ·分布式光纤传感可实现温度、应变、振动等物理参量的大范围高精 度监测，是各国竞相发展的新一代传感技术。 10

10 10 需求背景：（2）时代迫切需要 ▪ 我国“十四五”规划时期，新一代信息技术、深海空天开发、智慧 交通强国、智慧城市建设等前沿科技和产业变革领域将被进一步发 展壮大，传感技术作为核心科技之一具有无可替代的战略价值和巨 大的经济效益。 ▪ 分布式光纤传感可实现温度、应变、振动等物理参量的大范围高精 度监测，是各国竞相发展的新一代传感技术

需求背景：(3)光纤传感技术的优势 被测参量 传感探头 信号处理 具有抗电磁干扰、电绝缘、 耐腐蚀、本质安全，适用于 恶劣环境 光纤 。灵敏度高，适合超微弱信号 传感 利用光纤敏感结构或元件，将 。分布式测量，可对光纤沿线 被测参量转换为相应光信号的 任一位置点的温度进行连续 新一代传感技术 监测。 6

11 需求背景：（3）光纤传感技术的优势 6 光敏材料 光纤 被测参量 传感探头 信号处理 利用光纤敏感结构或元件，将 被测参量转换为相应光信号的 新一代传感技术  具有抗电磁干扰、电绝缘、 耐腐蚀、本质安全，适用于 恶劣环境  灵敏度高，适合超微弱信号 传感  分布式测量，可对光纤沿线 任一位置点的温度进行连续 监测

主体内容： 。从拉曼散射分布式光纤温度传感系统(RDTS)六个方面 来阐述 ·基本原理 ● 系统组成 。关键技术及实现途径 。难点技术 ● RDTS测试方法 ●关键性能指标 12

12 主体内容：  从拉曼散射分布式光纤温度传感系统(RDTS)六个方面 来阐述 ⚫ 基本原理 ⚫ 系统组成 ⚫ 关键技术及实现途径 ⚫ 难点技术 ⚫ RDTS测试方法 ⚫ 关键性能指标

分布式光纤拉曼温度传感系统的基本原理： 激光器 定向耦合器 传感光纤 分光 驱动 斯托克斯光 反斯托克斯光 光电转换 光电转换 双高速AVD 计算机 基于拉曼散射的分布式温度传感系统采用光纤作为传感介质，利用 拉曼反斯托克斯线和斯托克斯后向散射，通过光时域定位原理，准确测 出光纤各处温度的大小和空间位置，实现光纤沿线的分布式温度传感。 13

13 分布式光纤拉曼温度传感系统的基本原理： 基于拉曼散射的分布式温度传感系统采用光纤作为传感介质，利用 拉曼反斯托克斯线和斯托克斯后向散射，通过光时域定位原理，准确测 出光纤各处温度的大小和空间位置，实现光纤沿线的分布式温度传感

系统组成： 测试光纤 激光器 环形器 调制器 L 入射光→ Stokes Rayleigh Anti-stokes 拉曼波分复用器 脉冲信号源 光信号 电信号 入射光 Stokes 导果0导0果 Rayleigh Anti-stokes 电脑 探测器 14

14 Rayleigh Stokes 入射光 Anti-stokes Rayleigh Stokes Anti-stokes 光信号 电信号 入射光 激光器 调制器 环形器 测试光纤 电脑 脉冲信号源 拉曼波分复用器 探测器 系统组成：

关键技术及实现途径 ,RDTS分布式光纤拉曼温度传感系统的空间分辨率的提 升 空间分辨率主要取决于光源脉冲宽度。降低脉冲宽度可以优化系统 空间分辨率，但同时会恶化系统的SR。这种现象使得拉曼分布式光纤 传感技术存在着$NR与空间分辨率无法兼顾的问题，限制了拉曼分布式 光纤传感系统的应用。本系统通过对光源进行编码调制来抑制由于光纤 非线性效应产生的光源噪声，以此提高耦合至传感光纤的光通量，再通 过减小激光脉冲脉宽达到提高空间分辨率的目的，以此来同时提高系统 SNR和系统空间分辨率性能。 16

关键技术及实现途径 16 ➢ RDTS分布式光纤拉曼温度传感系统的空间分辨率的提 升 空间分辨率主要取决于光源脉冲宽度。降低脉冲宽度可以优化系统 空间分辨率，但同时会恶化系统的 SNR。这种现象使得拉曼分布式光纤 传感技术存在着SNR与空间分辨率无法兼顾的问题，限制了拉曼分布式 光纤传感系统的应用。本系统通过对光源进行编码调制来抑制由于光纤 非线性效应产生的光源噪声，以此提高耦合至传感光纤的光通量，再通 过减小激光脉冲脉宽达到提高空间分辨率的目的，以此来同时提高系统 SNR和系统空间分辨率性能