拉曼散射和布里淵散射資料

1、1拉曼介紹光在光纖中傳輸時，入射光子與光纖分子相遇會發(fā)生彈性或非彈性碰撞：在非彈性碰撞過程中， 入射光子會吸收或釋放聲子，入射光子與光纖分子之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，結(jié)果會產(chǎn)生與入射光子頻率不同的反斯托克斯和斯托克斯光子。布里淵原理光纖中的布里淵散射效應(yīng)是入射光波場與光纖中的彈性聲波場間相互耦合作用而產(chǎn)生的一種非線性光散射現(xiàn)象，其主要特點是散射光的頻率相對入射光頻 率發(fā)生變化，頻移量的大小與散射方向以及光纖內(nèi)的聲波特性有關(guān)。根據(jù)入射光 強度的不同，光纖中會產(chǎn)生自發(fā)布里淵散射或受激布里淵散射。倆者聯(lián)系布里淵散射是布里淵于1922年提出的，可以研究氣體，液體和固體中的聲學(xué)振動，但作為一 種實用的研究手段，

2、是在激光出現(xiàn)以后才發(fā)展起來的。布里淵散射也屬于喇曼效應(yīng)，即光在介 質(zhì)中受到各種元激發(fā)的非彈性散射，其頻率變化表征了元激發(fā)的能量。與喇曼散射不同的是， 在布里淵散射中是研究能量較小的元激發(fā)，如聲學(xué)聲子和磁振子等。2各自優(yōu)缺點利用光纖中的布里淵散射實現(xiàn)分布式溫度測量的系統(tǒng)，由于工作在非線性受 激散射狀態(tài)下，所產(chǎn)生的布里淵散射光強較大，而且具有較高的溫度靈敏度，因 而是一種很有應(yīng)用發(fā)展前景的方案。但采用該方案的系統(tǒng)，要求激光器的功率能 夠達到使光纖產(chǎn)生受激布里淵散射，而且布里淵散射光相對于入射光的頻移很 小，相應(yīng)的分光和檢測器件不容易實現(xiàn)，增大了測量難度。最主要的是，布里淵 散射光同時對光纖受到的應(yīng)

3、變、應(yīng)力敏感，所以在用于溫度傳感時必須設(shè)法補償 這一響應(yīng)量，也使整套系統(tǒng)變得復(fù)雜，增加了成本。利用后向自發(fā)拉曼散射的方案，在理論上比較成熟，因為是測量拉曼散射光 強度的變化，相應(yīng)的光電探測器件也比較多，所以系統(tǒng)容易實現(xiàn)。而且采用反斯 托克斯與斯托克斯光強度的比值作為溫敏信號的方案能消除光纖彎曲、壓力等非 溫度因素對光強的影響。就是后向反斯托克斯光比較弱，增加了檢測難度，但只 要保證足夠的入射功率，采用截止特性足夠好的濾光片，在一定程度上能夠獲得 足夠強的信號。而且隨著現(xiàn)代光電子器件的快速發(fā)展，光電管的靈敏度和放大倍 數(shù)都得到了很大提高，所以光電探測方面也沒有問題。在系統(tǒng)中，硬件方面采用 具有較

4、高探測靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器件，設(shè)計低噪聲放大電路，數(shù)據(jù)處理方面運用 數(shù)據(jù)累加平均和小波去噪等措施，可以使系統(tǒng)的信噪比達到一個比較理想的水 平。目前，采用該方案的系統(tǒng)，商品化程度最高。本論文也采用該方案，即基于 光纖中的后向拉曼散射實現(xiàn)的分布式溫度測量。3拉曼幾項關(guān)鍵技術(shù)將拉曼放大技術(shù)應(yīng)用于DTS系統(tǒng)，用拉曼增益部分抵償光纖的傳輸損耗，使系統(tǒng)的傳感長度達到50 km；對脈沖激光器進行211位循環(huán)編碼，在接收時采用相關(guān)運算解 調(diào)，顯著提高系統(tǒng)的信噪比，使測溫不確定度達到1c；采用 雙波長自校正技術(shù)提高了系統(tǒng)的空間分辨率，達到2 m；在DTS 系統(tǒng)中嵌入光開關(guān)，使測溫通道成倍擴展，有效延伸了傳感光 纖

5、的總長度，組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理分布式拉曼光纖溫度傳感系統(tǒng)的性能指標(biāo)是受信噪比水平限制的，數(shù)據(jù) 處理，特別是噪聲處理對系統(tǒng)實用性的作用顯得尤為突出。系統(tǒng)噪聲的 來源多種多樣，很大一部分噪聲是系統(tǒng)器件引入的隨機噪聲，突出表現(xiàn) 為APD探測器在光電轉(zhuǎn)換與信號放大時引入的暗電流噪聲、散粒噪聲、 熱噪聲以及附加噪聲。這些噪聲互不相關(guān)，其幅度、波形、相位變化毫 無規(guī)律，均看作白噪聲進行處理。我們知道白噪聲的典型特征是它具有 零均值的統(tǒng)計特性，采用多次累加平均的處理方式能最有效地抑制這類 噪聲的影響，達到改善信噪比的目的，同時系統(tǒng)使用脈沖激光器，其產(chǎn)生 的信號周期性良好，十分適合進行累加平均處理。通常采

6、用數(shù)據(jù)累加平均算法進行去噪處理，該方法簡單，易于實現(xiàn)，也 能獲得一定的去噪效果，但該方法存在下列不足：因為數(shù)據(jù)累加平均需 要較長的運算時間，所以該方法是以增加系統(tǒng)的測量時間為代價，換取 信噪比的提高；存在一個極限，即當(dāng)數(shù)據(jù)累加平均次數(shù)到達一定值后， 信噪比幾乎不再得到改善；對信號中混有的高頻噪聲成分處理效果不明 顯。小波變換濾波法有強制消噪法、小波域閾值濾波法和小波變換模極大值法43。小波變換 模極大值濾波法是依據(jù)不同小波分解尺度上信號和噪聲對應(yīng)的模極大 值的傳播特性的差異，濾除噪聲的模極大值的同時保留信號的模極大值, 最后通過余下的模極大值進行小波信號重構(gòu)。小波變換模極大值濾波法 的優(yōu)點是能

7、夠完整地保留原始信號的突變信息，并且經(jīng)過濾波后的信號 基本沒有多余的噪聲波動，十分適合于去除拉曼溫度傳感信號中的高頻 噪聲；其缺點是對低頻信號或者瞬時脈沖信號的濾波效果并不突出。4.布里淵根據(jù)散射信號產(chǎn)生方式的不同，將布里淵分布式光纖傳感器分為BOTDA和BOTDRo 前者是基于受激布里淵散射原理實現(xiàn)的。散射光功率較高，但要在光纖雙端都注入信號 機構(gòu)較為復(fù)雜。后者是基于自發(fā)布里淵散射原理實現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)簡單,但散射光功率較弱， 對信號處理的要求較高。根據(jù)個這兩種傳感器的優(yōu)勢不同，應(yīng)用于不同場合。傳感光纖檢測單元(a)為普通BOTDR的簡圖，光源發(fā)出的光經(jīng)調(diào)制后成為脈沖激厲力光，由摻鉺光纖放大器(m

8、)FA)放大后輸入傳感光纖的一端，其后向的自發(fā)布里淵散射光被光電 探測器接收，經(jīng)過光電信號處理，輸入計算機進行數(shù)值計算，根據(jù)布里淵頻移量和散射 光幅度來計算溫度/應(yīng)變信息,并根據(jù)接收散射信號的時間以及光在光纖中傳播的速度 來判斷具體的傳感位置。泉浦光耦合器 一 g I傳感光纖檢測單元探測光圖1. 1 (b)為普通BOTDA的簡圖，對比(a)與(b)，可知，BOTDA不同于BOTDR，因為受激布里淵散射需要探測光和激勵光同時在傳感光纖中傳輸，因此，在光纖的尾端，輸入探測光,其與脈沖激勵光有一個布里淵頻移。二者在光纖中發(fā)生受激布里淵散射效應(yīng),相對于自發(fā)布里淵散射效應(yīng)，有更大功率的散射光被光電探測器

9、接收，然后經(jīng)過光 電信號處理,輸入計算機進行計算。增益型和衰減型在BOTDA （如圖1-1 （b）中,需要檢測由脈沖激勵光和直流探測光的非線性作用產(chǎn)生的受激布里淵散射信號。根據(jù)激勵光和探測光采用的不同頻差可分為激勵光頻率高于探測光的增益型BOTDA和激勵光頻率低于探測光的衰減型BOTDA。改變傳感機制即改變兩路光的頻差。由于受激布里淵散射作用引起的脈沖光功率損失的影響增益型BOTDA的傳感距離和信噪比受到一定限制。然而對于衰減型布里淵分布式光時域分析，受激布里淵散射作用是把直流探測光的能量轉(zhuǎn)移給脈沖激勵光從而在一定程度上減少了由于脈沖激勵光功率損失帶來的性能下降，相對提高了傳感距離和傳感精度。

10、目前一些對于改進分布式布里淵光時域分析的方法已被提出，例如通過結(jié)合拉曼放大效應(yīng)增強受激布里淵信號，使得傳感距離大幅增加;通過兩種不同脈寬的脈沖調(diào)制兼顧了空間分辨率和檢測信號強度的關(guān)系使得在保證空間分辨率的情況下提高了傳感距離13;通過引入消偏振衰落技術(shù)，提高了 BOTDA的測量精度布里淵關(guān)鍵技術(shù)（拉曼放大技術(shù)對長距離BOTDR的傳感性能有顯著改善）在BOTDR中，單純地利用EDFA對初始脈沖進行放大，難以有效解決光在長距離光纖中衰減量過大的問題?？刹捎梅植际降睦糯髞淼窒饫w衰減的作用。拉曼放大是基于光纖的受激拉曼散射（SRS）來實現(xiàn)，利用傳感光纖作為增益介質(zhì)，使得信號在傳輸?shù)倪^程中得到放大,同時具有噪聲系數(shù)低、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點21。如圖2.7,短波長的拉曼泵浦光（波長為Xi）發(fā)生散射,將能量轉(zhuǎn)移給長波長的斯托克斯光（波長為入2）,對處于拉曼增益帶寬內(nèi)的信號有放大作用。如弱光與強拉曼系浦光同時在光纖中傳輸并且弱光位于強泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi),弱光將被放大。其作用主要是利用光纖作為 增益介質(zhì)，在傳輸?shù)倪^程中，對弱光信號進行持續(xù)放大，削弱了光纖對光信號的衰減,使得