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单晶体光纤分布式超高温传感系统的设计与实现
摘 要
现代高温过程，如化石能源生产、核反应堆和化学反应堆，缺乏强大的分布式传感系统来绘制这些高价值的严酷环境中的温度图。常规的基于二氧化硅纤维的分布式温度传感（DTS）系统通常只在800°C以下工作。在本文中，我们提出了设计、实现，并利用拉曼散射强度对一种从室温到1400°C以上的分布式超高温传感系统进行了测试。考虑了热辐射、荧光和无包层单晶光纤的多模性的影响，对系统进行了优化。比较了皮秒和亚纳秒激光的结果。用2米蓝宝石光纤进行测量，这是商业上可用的最长长度。空间分辨率为12.4cm，位置标准偏差为0.28mm，最高测试温度为1400°C，这是分布式温度传感系统的新记录。
关键词：高温、光纤应用、拉曼散射、时域分析
一、介绍
与电子传感器相比，光纤温度传感器具有独特的抗电磁性、耐腐蚀性、重量轻、体积小的优势，以及同时测量多个参数的潜力。光纤传感器类别可分为点传感器，准分布传感器，全分布传感器。使用单晶光纤的点传感器已被证明可以在室温下工作到1800 ℃，温度分辨率为1 ℃，使用辐射或荧光寿命检测方法。最流行的准分布传感的例子是光纤布拉格光栅（FBG），在几十年来的工业里，已被开发和使用。在二氧化硅光纤中，I型FBG可以工作到450°C左右，而II型光栅在1000°C以上的温度下是稳定的，但存在显著的散射损耗[3]。蓝宝石光纤光栅将传感温度提高到1400°C左右[4-7]。通过硅纤的全分布温度传感系统（DTS）已被应用于煤矿健康监测[8]，大型油罐油藏[9]，长距离油气管道泄漏检测[10]。这些DTS技术通常基于瑞利散射、布里渊散射或拉曼散射。基于瑞利的光频域反射测量（OFDR）提供最高的空间分辨率（直到毫米级），传感范围有限（可达几百米）[11]。在某些情况下，可采用联合方法将传感范围扩大到100公里以上[12]。基于瑞利和布里渊的DTS系统以其多参数传感能力而闻名，而基于拉曼的DTS系统则只对温度敏感，这消除了其他变化参数的干扰。所有这些系统都在感知长度和空间分辨率之间进行权衡。在基于拉曼的DTS系统中，当总传感长度超过10公里时，空间分辨率为1米。然而，通过使用超短激光脉冲和纳米线光电探测器，空间分辨率可以提高到约1厘米[13]。此外，拉曼DTS测量通常是从斯托克斯和反斯托克斯信号的比率中得出的，这消除了激光功率波动、不同耦合效率和光纤污染的影响。这种自我补偿进一步提高了长期测量的稳定性，使拉曼更适合于在恶劣环境下的分布式传感应用。
因为二氧化硅玻璃吸收其他物种，遭受掺杂迁移，并经历高温变形；基于二氧化硅纤维的传感器只能在恶劣环境中的应用较长时间内工作到300°C左右[14-16]。有了适当的保护层，如金或铝，最高工作温度可以延长到700°C左右[17]。这些中温纤维非常适合于井下油井监测。在800°C以上的温度条件下，只有单晶纤维才能存活较长的周期。单晶蓝宝石光纤比二氧化硅光纤具有更高的机械强度、激光损伤阈值、功率传递能力和更好的耐蚀性。不幸的是，大多数与二氧化硅纤维良好工作的DTS方法都不适用，或者在多模单晶纤维中表现出显著的性能退化。最近，基于拉曼的光学时域反射法（OTDR）被证明在高达1200°C的温度下工作良好，平均温度分辨率为3.7 °C，空间分辨率为14 cm [18]。在此，将讨论这一具体实现的设计细节，为未来的工程师提供必要的工具，以实现拉曼DTS在单晶纤维。
拉曼DTS系统有两种主要类型。第一个（也是最负担得起的）拉曼DTS系统使用连续波（CW）调强激光器和光电探测器。通过监测后向散射光的响应，系统可以利用逆傅里叶变换[19]沿光纤导出温度信息。该方法利用低相干连续激光器，从不同调制频率下的响应中得到长度信息。因此，这种方法也被称为基于拉曼的非相干光频域反射法（RIOFDR）。第二种DTS方法在激光脉冲沿着t的长度传播时利用脉冲激光激发拉曼散射。在较短的测量间隔期间，收集了反向散射光强度的时间历史。拉曼斯托克斯带和反斯托克斯带由两个相同的光电探测器选择和监测。由于结果是在时域测量的，这种方法通常被称为拉曼OTDR。激光脉冲与采集到的散射信号之间的飞行时间与传感光纤（SOF）中的群速度直接相关。在基于拉曼的DTS系统中，拉曼散射强度的特征量是下面的方程式1和2中的玻色-爱因斯坦统计量。取斯托克斯和反斯托克斯辐射功率的比值，得到一个与激光功率无关的表达式（方程式3）。
（1）
（2）
（3）
其中和是反斯托克斯分量和斯托克斯分量的微分截面；是反斯托克斯波长；是斯托克斯波长；是拉曼位移；是激发光的频率；是温度；是玻尔兹曼常数，是普朗克常数，是真空中的光速。
在选择合适的方法构建高温分布式传感系统后，需要设计出具有良好性能的单晶蓝宝石光纤传感系统。虽然光纤能够在恶劣的环境中生存，但它在实现工作测量系统方面提出了一些设计挑战。在克服强热辐射、小拉曼收集效率和高模量精确测量方面存在重大挑战[20]。在本文中，我们利用拉曼散射对蓝宝石光纤分布式超高温传感系统进行了系统设计。对拉曼增益、热辐射和荧光的理论分析和实验结果进行了比较，以优化系统。提出了下一代DTS系统的建议和展望。
系统设计
拉曼DTS系统是一个脉冲的时域测量系统。在532nm处的高功率短脉冲激光器将光耦合到SOF中，由两个相同的雪崩光电探测器（APD）分离和监测反向散射。拉曼DTS系统图如图1所示。激光首先通过激光线清理过滤器。一个50：50分束器将激光束分成两束功率大致相等的光束。第一束由光电二极管（PD）测量，其输出作为数据收集的触发信号。第二个光束耦合到 SOF中。SOF是一种从微材料公司购买的单晶蓝宝石纤维。来自SOF的向后散射光被同一分束器反射到检测系统。散射光首先由停止线滤波器（或瑞利滤波器）过滤，它在泵浦波长处去除光。一个770nm的边阻短通滤波器（Semrock，FF01-770/SP-25）作为一个热抑制滤波器，以阻挡较长波长的热辐射。使用运动学2位镜（翻转镜）来允许使用辅助光谱仪进行周期性光谱测量。这允许仔细地表征系统中的热辐射或荧光。当翻转镜处于反射位置时，背散射光耦合到光谱仪中。当翻转镜在非反射位置离开时，光被传送到剩余的滤波器和APD中。每个APD都会收到一个光谱宽为25nm，分别以520nm和543nm为中心的部分光谱。这允许同时测量由光纤散射的集成斯托克斯和反斯托克斯辐射。
虽然这里显示的系统是一个自由空间系统，而不是一个基于光纤的系统本身，但一个商业上更合适的配置最终可能在一个全光纤配置中实现。不幸的是，在这种实现成为可能之前，必须考虑几个光纤组件。使用自由空间配置的主要原因是由于普通光学循环器与单晶光纤之间的巨大拉曼增益差异。图1中，硅基梯度折射率光纤（GIF）、硅基阶跃折射率光纤（SIF）和蓝宝石光纤（SF）以相同的激光功率和配置激发。它们的拉曼光谱如图2所示，将y轴强度归一化为相同的光纤长度。与非晶态二氧化硅纤维拉曼相比，蓝宝石光纤拉曼增益很弱。在图中，蓝宝石纤维的强度乘以10。梯度折射率二氧化硅纤维的拉曼峰下面积分别比蓝宝石纤维强100倍和10倍。梯度折射率多模光纤的拉曼增益增强被认为是由于核心中的锗掺杂[21]。目前，大多数循环器都是由二氧化硅纤维制成的，它将显示出比蓝宝石纤维大得多的拉曼信号。如果单晶被对接耦合或拼接到循环器上，由于APD的死区效应，蓝宝石光纤的拉曼信号在检测时会失真[21]。此外，大多数光纤循环器都是为电信中的近红外应用而设计的，对可见光表现出较高的损耗。在构建全光纤配置之前，必须制造一个可见波长的光纤循环器，它可以处理高峰值功率，并且是为低损耗操作而设计的。
除了光束路径的考虑外，拉曼DTS系统的构建还需要考虑其他几个重要方面，如图3所示。要指定的系统中的关键设备包括激光器、测量光纤或SOF、探测器和滤波器。受元件选择影响的性能参数包括温度分辨率、空间分辨率和检测极限。每个组件都显示一定的参数，这些参数将影响系统的性能或影响其他系统组件。例如，激光波长将决定斯托克斯波长下热辐射的电位强度、荧光强度、SOF的衰减、拉曼增益和光电探测器的量子效率。在下面的小节中，将讨论每个设计选择。
脉冲宽度和空间分辨率
在选择激光脉冲宽度时，了解用时域测量系统测量的空间分辨率的物理现象是非常重要的。首先，我们将空间分辨率（如其他DTS研究人员所做的[18，21]）定义为10%至90%的响应长度。这是光在SOF中传播的距离，在光纤输入完美的阶跃函数的情况下，探测器从10%到90%的全尺度进行。在蓝宝石光纤拉曼DTS系统中，光纤位置处的空间分辨率可以表示为[22]：
（4）
其中是光纤芯的折射率，是激光脉冲持续时间（3dB），是光纤的有效数值孔径。
空间分辨率是在方程式4中导出的，它由两个术语组成。第一项受激光脉冲持续时间的限制，而第二项则是由于多模光纤中的脉冲展宽所致。在梯度指数多模光纤中，第二项通常可以忽略不计，因为梯度指数剖面消除了脉冲展宽效应。然而，这种效应在阶跃指数纤维中可以显著更大，例如这里研究的无包层蓝宝石纤维。对方程式的检验使人相信，高空间分辨率更喜欢最短的激光脉冲。在实践中，激光脉冲持续时间不能太小，因为较短的脉冲持续时间意味着在相同脉冲能量下具有较高的峰值功率。较高的峰值功率很容易损坏光纤端面。对于激光波长为532nm、脉冲持续时间为50ps的块状蓝宝石，需要9.3 J/cm2左右的通量才能引起损伤[23]。因此，建议激光脉冲持续时间从100ps到1ns，以避免在合理的功率水平下的损伤状态。第二项表明，空间分辨率与沿波导的数值孔径（NA）和测量位置（L）有关。由于脉冲展宽，随着激光脉冲沿着光纤传播，空间分辨率会降低。图4（a）绘制了空间折射率、光纤长度以及折射率为1.774的蓝宝石光纤在532nm激光波长下的激光脉冲持续时间之间的关系图。在125mu;m商用蓝宝石纤维中，本模拟中的NA值为0.147。这可能会造成一些混乱，因为对于未包层蓝宝石光纤的NA没有很好的定义。观察空气与蓝宝石的指数差，我们认为未包层蓝宝石的NA接近1，这表明从轴向的任何角度传输到90度。在实际应用中，传播角度较大的高阶模态的传输损耗远大于低阶模态的传输损耗。因此，随着光纤长度的增加，数值孔径不断减小，对于特定的结构，必须考虑一些平均数值孔径。图4（b）显示了当使用0.7ns激光脉冲时，估计的空间分辨率与3米长光纤的NA之间的关系。
如果我们为特定的空间分辨率指定激光脉冲和探测器，我们还必须指定一个电子测量系统，该系统记录能够以相同分辨率测量的APD信号。众所周知，示波器的上升时间大致遵循以下规律：
（5）
测量系统的空间分辨率（）可以从上升时间导出如下：
（6）
其中是系统中最慢电气元件的频响极限，是真空中的光速，是光纤的折射率。在这个计算中，我们必须考虑APD本身的最大频率，以及测量示波器；因为最慢的分量最终会限制空间分辨率。图4（c）绘制关系图 在电气元件的带宽和可测量的空间分辨率之间。请注意，大约500兆赫示波器能够达到6厘米的空间分辨率。系统设计的最小空间分辨率为3cm，受APDs的限制。
B.激光波长和热辐射
由于拉曼DTS系统是为超高温操作而设计的，热辐射是干扰拉曼信号检测的主要挑战。热辐射离子是所有材料固有的,并且随着温度的升高而急剧增加。我们通常在400°C左右开始观察热物体（在昏暗的房间里）的热辐射，在1400°C附近，颜色和强度会转变为白热。理想情况下，热辐射遵循普朗克定律表示的热辐射函数[24]：
（7）
其中表示光谱辐射，是绝对温度，是波长。观察到的实际热辐射也取决于材料的发射率，这往往被近似为窄波长范围内的常数。因此，观察到的热辐射遵循热函数的形状，但由于非理想发射率，强度有所降低。热函数给出了热辐射的最大估计值。
热辐射通常被归一化为单位波长的光谱辐射。物体在不同温度下的理论光谱辐射如图5所示。结果表明，热辐射的峰值与温度有关。在较高的温度下，这种峰值向较短的波长移动，表明较短的波长系统将经历较少的热干扰。研究人员已经证明，短波长泵浦激光器可以有效地避免大部分强烈的热辐射，从而在高温下进行拉曼测量[25]。
进行了一个简短的加热实验，以验证热辐射强度，并确定未包覆蓝宝石纤维在收集热辐射和传输给检测系统的效率。将75mu;m直径的蓝宝石纤维插入管式炉（MTI公司，GSL1500X），并且在光纤的另一端用微型光谱仪（海洋光学，USB4000）测量热发射时，温度升高。测量的热辐射光谱如图6（a）所示。如果我们将一个常数与普朗克定律的结果相乘（由于耦合效率和光纤损耗），我们发现模拟结果和实验结果非常吻合（图6（b））。理论和实验结果都表明，即使在较低的炉膛温度下，热辐射也很大，并且随波长和温度呈指数增长。例如，1550nm的热辐射比1400°C的532nm处高约23dB。因此，成功的拉曼DTS操作将需要短可见波长激光器来测量感兴趣的最高温度范围。
C.激光波长和蓝宝石荧光
我们对热辐射收集的研究最初表明，激光波长应该在可见光谱的蓝/绿端附近，但为了更仔细地指定一个合适激光波长下，我们必须考虑蓝宝石光纤本身产生的荧光的影响。在1000°C以上的温度下，热辐射是主要的挑战，而在较低的温度下，荧光通常更受关注。在第一个红宝石激光器发明之后，单晶蓝宝石变得非常令人向往。Ruby激光器使用掺杂Cr3 的蓝宝石作为激光介质 在694.3nm处发光。蓝宝石中的Cr
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