基于拉曼散射的溫度傳感器系統(tǒng)

1、基于拉曼散射的溫度傳感器系統(tǒng)摘要：分布式光纖傳感技術(shù)于20世紀(jì)70年代問世以來，逐步成為傳感領(lǐng)域最有前途的技術(shù)之一，并在各種工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。本文介紹了一種基于拉曼散射的光纖分布式溫度傳感系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，給出了系統(tǒng)框圖，最后討論了提高系統(tǒng)信噪比的數(shù)據(jù)處理方法。關(guān)鍵詞：拉曼散射，otdr，光纖分布式傳感，數(shù)據(jù)處理1.引言 拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)是一種利用光波在光纖中的傳輸特性，實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測(cè)量的傳輸介質(zhì)，由于系統(tǒng)可以在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)的進(jìn)行傳感，同時(shí)又具備抗電磁干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、安全性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣

2、泛的應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測(cè)、油氣油井里溫度分布監(jiān)測(cè)、倉庫高層建筑的火災(zāi)防護(hù)以及各大發(fā)電機(jī)組的溫度測(cè)量等生活與工業(yè)領(lǐng)域中。拉曼分布式光纖傳感系統(tǒng)首先將高功率窄光脈沖送入光纖，然后通過探測(cè)器對(duì)背向拉曼散射光進(jìn)行探測(cè)，基于光纖拉曼散射的溫度效應(yīng)將溫度信號(hào)解調(diào)出來并利用otdr技術(shù)對(duì)溫度信號(hào)空間定位，最后，對(duì)采集到的溫度信息處理并實(shí)時(shí)顯示出來。2.光纖背向拉曼散射的溫度效應(yīng)在任何分子介質(zhì)中，光通過介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用會(huì)引起的頻率發(fā)生變化的散射，此過程為拉曼散射。拉曼散射的量子力學(xué)描述如下：分子吸收頻率為 v0的光子，發(fā)射v0-vi的光子，同時(shí)分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對(duì)應(yīng)斯托克斯光）；分子吸

3、收頻率為v0的光子，發(fā)射v0+vi的光子，同時(shí)分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。 拉曼散射由分子熱運(yùn)動(dòng)引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點(diǎn)的溫度信息。反斯托克斯光的幅度強(qiáng)烈依賴于溫度，而斯托克斯光則不是。則通過測(cè)量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測(cè)到溫度的變化。首先測(cè)出整段光纖在某一個(gè)時(shí)刻t0時(shí)的反斯托克斯散射光功率曲線和斯托克斯散射光功率曲線，即：然后在任意溫度t時(shí)刻測(cè)的反斯托克斯散射光功率曲線和斯托克斯散射光功率曲線，即： 得到這四條曲線后，再做如下比較： 從式中可以反算出溫度分布曲線，即： 由上可知，通過這種方法就可以得到光纖上各點(diǎn)的溫度信息，其結(jié)果消除了光源波動(dòng)、光纖彎曲

4、等因素的影響，只與沿光纖的溫度場有關(guān)，因此可長時(shí)間保證測(cè)溫精度。3.otdr(光時(shí)域反射技術(shù)） otdr是指光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散射、反射信號(hào)，從發(fā)射光脈沖信號(hào)到接受反射回來的信號(hào)所用的時(shí)間，再確定光在光纖中傳播的速度，就可以計(jì)算出這段距離，如公式所示： 時(shí)間的不同對(duì)應(yīng)著光纖位置的不同，這就意味著光探測(cè)器探測(cè)到的光功率為光纖位置的函數(shù)，隨著l的逐漸增加，探測(cè)器就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖分布場的空間分布式測(cè)量。4.技術(shù)指標(biāo) 對(duì)于基于拉曼散射分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能由空間分辨率、溫度分辨率、時(shí)間分辨率、測(cè)量精度等共同表征，各個(gè)指標(biāo)互相影響，而系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在這些聯(lián)系中找到一種平衡來完成設(shè)計(jì)的。

5、（1） 空間分辨率描述了傳感器系統(tǒng)沿著光纖長度方向所能辨識(shí)的最小距離?？臻g分辨率的大小主要由泵浦光脈沖的寬度、光電轉(zhuǎn)換的響應(yīng)速度和ad轉(zhuǎn)換速度來決定。（2） 溫度分辨率是指溫度示值的最小單位，體現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的程度。提高系統(tǒng)溫度分辨率的關(guān)鍵在于提高系統(tǒng)的信噪比。（3） 時(shí)間分辨率定義為整個(gè)系統(tǒng)完成一次測(cè)量所需要的最短時(shí)間。系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，一般采用多點(diǎn)平均方法提高系統(tǒng)的信噪比，一次完整測(cè)量中由光脈沖發(fā)出到數(shù)據(jù)的采集完成再到所有數(shù)據(jù)處理完成所經(jīng)歷的時(shí)間即時(shí)間分辨率。（4） 測(cè)量精度主要包括測(cè)量空間某點(diǎn)位置的定位精度以及對(duì)拉曼散射信號(hào)大小測(cè)量的準(zhǔn)確精度，測(cè)量終端定時(shí)誤差影響定位精度

6、和頻帶的寬度都會(huì)影響測(cè)量精度。5.系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 首先由計(jì)算機(jī)發(fā)出電信號(hào)，啟動(dòng)激光二極管向傳感光纖內(nèi)發(fā)射光脈沖，在光纖內(nèi)傳播過程中會(huì)產(chǎn)生后向拉曼散射，在接受通道內(nèi)被光學(xué)濾波器濾掉瑞利散射從而分別提取出兩路拉曼散射光，經(jīng)由apd進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)前置放大和主放大后，由ad轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，重復(fù)發(fā)射泵浦脈沖m次后，對(duì)提取出來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字平均、小波變換等方法，可以有效的消除噪聲，最后通過軟件計(jì)算出沿傳感光纖的各點(diǎn)溫度值，并顯示。6.數(shù)據(jù)處理 在數(shù)據(jù)的單次采集過程中，由于拉曼散射光過于微弱，往往淹沒在各種噪聲之中，這時(shí)，我們就需要用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法將有用的信號(hào)提取出來，改善信號(hào)的信噪比。（

7、1） 累加平均法：對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采集，利用信號(hào)的確定性和噪聲的隨機(jī)性，對(duì)多次采集的信號(hào)進(jìn)行累加平均，使信噪比提高，但需要耗費(fèi)時(shí)間（3） 小波變換法：小波分析運(yùn)用在信號(hào)去噪處理，主要是針對(duì)信號(hào)經(jīng)由小波變換后在不同分辨率下呈現(xiàn)不同規(guī)律,在不同分辨率下設(shè)定不同閾值門限,調(diào)整小波系數(shù),達(dá)到去除噪聲的目的。（4） 相關(guān)檢測(cè)：利用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性，通過自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到去除噪聲檢測(cè)出信號(hào)的目的。（5） 在基于拉曼散射的光線分布式溫度傳感器系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的處理往往是把多種方法揉合在一起使用，比如在累加進(jìn)行小波變換，可減少累加次數(shù)，從而縮短測(cè)量周期。總結(jié) 基于拉曼散射的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)是光機(jī)電算一體化的測(cè)量系統(tǒng)，本文介紹了系統(tǒng)的基本原理和基本結(jié)構(gòu)，并提出了相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，最后討論了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理相關(guān)內(nèi)容。參考文獻(xiàn)：1 侯培國. 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究：博士學(xué)位論文，燕山大學(xué)，2003.2 宮衍香,呂剛,馬傳濤.拉曼光