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《基于拉曼散射的分布式光纤温度测量系统及其在电缆温度测量的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、基于拉曼散射的分布式光纤温度测量系统及其在电缆温度测量的应用刘吉20071202035摘 要:首先介绍了拉曼散射的原理,并对拉曼散射分布式光纤温度传感器进行了理论分析，最后介绍了拉曼散射分布式光纤温度传感器的系统设计，并提出了此系统在电缆温度测量中的应用。Abstract:TheprincipleofRamanscatteringisintroducedfirst,andtheRamanscatteringdistributedfiber-optictemperaturesensorisanalyzedtheoretically.Fi
2、nally,thesystemdesignofRamanscatteringdistributedfiber-optictemperaturesensorandtheapplicationofRamanscatteringdistributedfiber-optictemperaturesensorareintroduced.引言光纤传感技术是在上世纪七十年代伴随着光纤通信的蓬勃发展而提出来的,它与光时域反射技术密切结合迅速崛起,经过几十年的发展而在多个领域广泛应用。与传统的传感器相比,光纤传感器具有轻质,耐腐蚀,耐高温,防水防潮,抗
3、电磁干扰等一系列优点,因此在恶劣环境中颇具用途。而分布式光纤传感技术除具备上述特点以外,还具备实时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的测量分布信息的能力。准确的说,它可以精确测量光纤沿线上任一点的温度信息,如果把光纤纵横交错连接成网状,则可以构成规模庞大的地毯式动态监测网,实现对目标的实时全方位检测。特别是在我国，每年发生的有关电器的火灾事故大多是因为电线或电缆长期运行过热烧穿绝缘所引起，所以对于温度的监测十分重要，这也是本文设计的分布式光纤温度测量系统的重要应用。结构与测量原理分布式光纤温度传感器获取空间温度分部信息的原理是利用光
4、在光线中传输能够产生向后散射。在光线中诸如一定能量和宽度的激光脉冲，它在光线中传输的同时不断产生后向散射光波，这些广播的状态受到所在光纤散射点的温度影响而改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来，并且由光线中光波的传输速度和背向光回波的时间可对这些信息定位。1拉曼散射原理微观世界中任何分子和原子都在不停地运动,光纤的分子和原子也不例外,存在着分子振动。泵浦光通过分子时打破了分子振动原有的平衡,振动分子将与之发生能量交换。当产生光子的能量小于泵浦光子的能量(分子振荡吸收泵浦光子的能量)时,
5、称为斯托克斯散射。当产生光子的能量大于泵浦光子的能量(分子振荡的能量传给光子)时,称为反斯托克斯散射。斯托克斯散射和反斯托克斯散射统称为拉曼散射。拉曼散射过程的能级示意图如图1所示。其中,E1、E2分别表示分子振动的两个能级,两个能级之间相差hΔν,即E2=E1+hΔν。散射出ν0频率光子的散射称为瑞利散射;散射出ν0-Δν频率光子的散射称为斯托克斯散射;散射出ν0+Δν频率光子的散射称为反斯托克斯散射。2泵浦光对拉曼散射的影响拉曼散射是由泵浦光子与光纤分子相互作用产生的,当泵浦光的强度小于阈值时,拉曼散射光与泵浦光成正比,这种拉曼散
6、射叫自发拉曼散射。自发拉曼散射光中的反斯托克斯散射光强度受温度调制,而斯托克斯散射光基本上与温度无关,两者比值只与散射区温度有关。当泵浦光的强度大于阈值时,光纤分子的热平衡受到破坏,在光纤中出现非线性光学现象,叫做受激拉曼散射。受激拉曼散射不再受温度调制。因此,自发拉曼散射光中反斯托克斯散射光受温度调制的特性是分布式光纤温度传感器系统的理论基础。3分布式光纤温度传感器系统的结构组成分布式光纤温度传感器系统如图所示。主要有传感光纤、激光器及驱动电路、双向耦合器、波分复用器、光电检测器、信号放大电路、高速采集卡和计算机组成。激光器发出的脉
7、冲光作为泵浦光,经过耦合器注入传感光纤,脉冲光在传感光纤中向前传播的同时,产生向后传播的后向散射光。后向散射光通过光滤波滤出反斯托克斯光和瑞利光,再经过光电转换和放大电路,放大后的信号被高速数据采集卡采集,经过数据处理和定标,解调出温度。4分布式光纤温度传感器的关键技术 分布式测量的实现—光时域后向散射技术分布式光纤温度传感器能够对数千米范围内空间点的温度进行实时测量,是借助光时域后向散射(OTDR)技术来实现分布式测量。如图所示,从激光器发出的脉冲持续时间为ΔT的泵浦光从F处注入光纤,以速度v向前传输,经过时间t,激光脉冲传输到L。
8、在L～L+dL段(dL对应ΔT时间内激光在光纤中传播的距离),部分能量被转化为后向散射返回到光纤始端F处,由探测器接收和处理。则由dL段返回始端的时间为:t=2L/v=2Ln1/c=10-8L(1)(普通石英光纤n1=1
