分布式光纤测温五大核心指标相互矛盾相互制约?
分布式光纤测温技术,目前有五大核心指标,分别是测量时间,测温精度,测量长度,定位精度,感温空间分辨率。
测量时间:
这个比较好理解,将此通道所有光纤温度全部更新一遍,需要多长时间,在消防领域对测量时间要求较高,通常情况下,一个通道1-3秒时间内需要将通道所有光纤温度全部更新并实时判断是否有火灾报警。但是在石油领域,因为井下测温,对时间没有要求,可以2分钟甚至更长时间更新一次光纤的温度数据。
测温精度:
测温精度,通常理解为光纤测量温度数据的噪声波动,比如在标定好温度以后,环境温度为25度情况下,光纤测温也是25度,但是光纤测温会在25度上下波动0.1度,则表示温度精度峰峰值为0.1度。测温精度直接影响后续的报警与定位识别,非常关键。
测量长度:
测量长度是指单通道所能配的光纤长度,光纤越长,测量时间越长,同时测温精度会随着光纤长度往后不断降低。在10km以内,头尾相当约2-4倍左右,在20km时,头尾相当约为6-10倍左右。即头端温度精度高,尾端温度精度低。配接光纤越长,光纤本身也会发生受激反应,需采取措施降低光功率,此时光纤温度精度会受到影响,同时光纤越长,测量时间也会增加,相互矛盾。
定位精度:
定位精度是整个系统的定位能力,一般主要受限于设备数据采集速度的能力,是真正的要求跑赢光速的能力。比如光在光纤中跑0.5米就可以快速抓到数据,那此系统的定位精度可以达到0.5米,如果光在光纤中跑0.05米(5公分)就可以抓到,那此系统的定位精度可以达到0.05米(5公分)。此部分在光纤传感系统中极其考验设备高速采集能力。
感温空间分辨率:
感温空间分辨率是整个系统中最考验设备性能的部分,目前国内外普遍受此性能指标的困扰,而迟迟达不到技术应用突破的原因,分布光纤测温系统的感温空间分辨率高低,就像是图像的像素分辨率180P,480P,720P,1080P、2K、4K、8K之间的关系,是最重要参数指标,因为如果感温空间分辨率过低,小热点在早期升温时得不到及时预警,当真正发生火灾了才报警火灾的位置与温度已经为时已晚,做不到“防患于未燃”,分布式光纤传感系统的价值得不到体现。但是提高感温空间分辨率又是极其困难的,主要困难有以下几点:
第一感温空间分辨率受限于设备高速数据采集的能力,没有高速数据采集能力的保证,感温空间分辨率无法有任何的提升;
第二受限于光脉冲宽带的影响,光脉冲宽带每缩减1倍,信号质量下降1倍,并且现有的器件无法发出5ns以下的光脉冲,也就是感温空间分辨率无法提升到0.5米以上(对应于5ns脉冲宽度)仍然停留在米级的感温空间分辨率,相当于图像像素停留于480P而再也无法提升;
第三受限于高速数据采集的位数限制,12Bit及以上位数的高速数据采集位数配合高速数据采集速度是空间分辨率的保证,因信号极小,如果位数过低会造成无法识别散射光信号,12Bit的GHZ以上的数据采集成本极高且无法直接获得;
第四受限于信号带宽,因信号带宽越宽则信号噪声越大,信号宽带越窄则信号噪声越小,在如此小的光信号的情况,仍然要保证超高的信号带宽以确保携带了空间信息的散射信号能够通过,显示极为困难;
第五受限于光电探测能力,微弱的光信号,需要非常强大的光探测能力支撑,普通的光电倍增管已无法满足需求,光子计数方案是可选方案之一,但是光子计数方案成本高,难以与系统匹配;第六高速且微弱的光信号,最终会变成噪声极大且强烈畸变的数据信号造成数据错误,无法拾取光纤环境温度,同时也无法有限定位。
以上五个核心指标,相互矛盾,相互制约,参数表的指标按照专业的做法是任何一个指标测量的结果,需要特别注明在其它指标在何种情况下测量的。如配接10km光纤的情况下,定位精度±0.5米,感温分辨率±0.5米,3秒测量时间内,5km位置点光纤的峰峰值温度精度为±0.5℃。

布里渊科技的技术团队,深耕分布式光纤传感领域长达15年之久,基于以上难点,克服层层关卡,避开以上直接矛盾。从物理光学的第一性原理First principle thinking出发,采用光频域激光编码配合NPU神经网络解调方案,一举攻克以上难题,全方位提升了整体性能。在测量时间不变的情况下,将测温精度提升到±0.05℃,定位精度提升至±0.05米(5公分),空间感温分辨率±0.05米(5公分),测量长度达到3.2km,测量通道16通道,总配接光纤里程50km,单台设备等效总配接光纤温度传感达到100万以上,可以满足大部分应用场景。同时也可以通过分型降频,光纤长度达到20km以上,多达16通道,单台设备总配接光纤里程达到320km左右,空间分辨率±1米,噪声水平控制在±1℃以内。从微观与宏观将分布式光纤传感技术提升到一个新的层级。宏观上长达几十公里,仍然能保持使用的价值,微观可以将定位精度和空间分辨率提升至±0.05米(5公分)。