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)的各項技術(shù)指標，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，實時測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)的進行傳感，同時又具備抗電磁干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、安全性好、性價比高等優(yōu)點，因此被廣

2、泛的應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測、油氣油井里溫度分布監(jiān)測、倉庫高層建筑的火災(zāi)防護以及各大發(fā)電機組的溫度測量等生活與工業(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，然后通過探測器對背向拉曼散射光進行探測，基于光纖拉曼散射的溫度效應(yīng)將溫度信號解調(diào)出來并利用otdr技術(shù)對溫度信號空間定位，最后，對采集到的溫度信息處理并實時顯示出來。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)時由于入射光與分子運動相互作用會引起的頻率發(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，同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對應(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動引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點的溫度信息。反斯托克斯光的幅度強烈依賴于溫度，而斯托克斯光則不是。則通過測量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測到溫度的變化。首先測出整段光纖在某一個時刻t0時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時刻測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的溫度信息，其結(jié)果消除了光源波動、光纖彎曲

4、等因素的影響，只與沿光纖的溫度場有關(guān)，因此可長時間保證測溫精度。3.otdr(光時域反射技術(shù)） otdr是指光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，會產(chǎn)生散射、反射信號，從發(fā)射光脈沖信號到接受反射回來的信號所用的時間，再確定光在光纖中傳播的速度，就可以計算出這段距離，如公式所示： 時間的不同對應(yīng)著光纖位置的不同，這就意味著光探測器探測到的光功率為光纖位置的函數(shù)，隨著l的逐漸增加，探測器就實現(xiàn)了對光纖分布場的空間分布式測量。4.技術(shù)指標 對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、時間分辨率、測量精度等共同表征，各個指標互相影響，而系統(tǒng)的設(shè)計是在這些聯(lián)系中找到一種平衡來完成設(shè)計的。

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)實現(xiàn)準確測量的程度。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） 時間分辨率定義為整個系統(tǒng)完成一次測量所需要的最短時間。系統(tǒng)為了實現(xiàn)準確測量，一般采用多點平均方法提高系統(tǒng)的信噪比，一次完整測量中由光脈沖發(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)歷的時間即時間分辨率。（4） 測量精度主要包括測量空間某點位置的定位精度以及對拉曼散射信號大小測量的準確精度，測量終端定時誤差影響定位精度

6、和頻帶的寬度都會影響測量精度。5.系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 首先由計算機發(fā)出電信號，啟動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進行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)前置放大和主放大后，由ad轉(zhuǎn)換，進行數(shù)字信號處理，重復(fù)發(fā)射泵浦脈沖m次后，對提取出來的數(shù)字信號進行數(shù)字平均、小波變換等方法，可以有效的消除噪聲，最后通過軟件計算出沿傳感光纖的各點溫度值，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，我們就需要用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法將有用的信號提取出來，改善信號的信噪比。（

7、1） 累加平均法：對信號進行多次采集，利用信號的確定性和噪聲的隨機性，對多次采集的信號進行累加平均，使信噪比提高，但需要耗費時間（3） 小波變換法：小波分析運用在信號去噪處理，主要是針對信號經(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),達到去除噪聲的目的。（4） 相關(guān)檢測：利用信號周期性和噪聲隨機性，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算，達到去除噪聲檢測出信號的目的。（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，比如在累加進行小波變換，可減少累加次數(shù)，從而縮短測量周期?？偨Y(jié) 基于拉曼散射的光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)是光機電算一體化的測量系統(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，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：1 侯培國. 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的理論與實驗研究：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