拉曼背向散射信号特性研究

摘 要在光纤中所探测到的含有温度信息的拉曼后向散射光十分微弱，甚至完全淹没在噪声中，所以分布式光纤温度传感器信号处理的研究是比较重要的，这样才能对拉曼光谱进行详细的分析，才能更好的应用。光纤中的散射光主要包括瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射。在本论文中概述了散射原理并对拉曼散射的基本原理做了详细的叙述。在光纤的传输过程中，损耗是一个主要问题，文中重点研究了光纤传输损耗，并用 matlab 对传输过程中的损耗进行了仿真模拟分析。本文在温度对光谱产生的作用方面也做了阐述，分析了拉曼分布式光纤温度传感器性能指标。通过以上的了解提出拉曼分布式温度传感器温度信号的三种解调方法，并比较三种解调方法的优缺点。利用对拉曼光谱特性的模拟，并通过对仿真图的数据分析指出拉曼散射与外界个因素之间的关系。关键词： 分布式光纤 拉曼光谱 温度效应 解调方法Title MATLAB-based Fiber Optic Sensor Signal propagatio characteristics of the assassination of Raman Simulation study AbstractIn the fiber containing the temperature information detected by the Raman backscattering of light is very weak or even completely submerged in the noise, so the distributed optical fiber temperature sensor signal processing research is more important, so as to details of the Raman spectra Analysis, in order to better applications.The scattered light fiber includes Rayleigh scattering, Brillouin scattering and Raman scattering. In this paper the scattering theory outlined the basic principles of Raman scattering and a detailed description. In optical fiber transmission process, the loss is a major problem, the paper focuses on the transmission loss and transmission using matlab on the process of loss and the mutation occurred in a simulation analysis. In this paper, the effect of temperature on the spectrum have also done a paper analyzes the distributed optical fiber Raman temperature sensor performance. Through the above understanding of the proposed Raman distributed temperature sensor temperature signal of the three demodulation method, and compare the advantages and disadvantages of the three demodulation. Use of Raman spectral characteristics of the simulation, and through the simulation analysis of the data graph that Raman scattering and the relationship between external factors.Keywords Distributed optical fiber Raman spectroscopy Temperature effect Demodulation目 录摘 要 .IAbstract.II1 引言 .11.1 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的发展现状 .11.2 本论文的主要研究内容和组织安排 .22 光纤中的散射光分类及拉曼散射的原理 .32.1 光纤中散射的分类 .32.2 拉曼散射的原理 .52.3 Raman 散射理论模型 .73 拉曼光谱的传输特性 .83.1 拉曼光谱的基本特征 .83.2 损耗的机理 .83.3 光纤拉曼增益系数的测量 .123.4 拉曼光谱的数据处理 .134 拉曼光谱的温度敏感特性 .164.1 基于拉曼散射的测温原理 .164.2 Raman 散射型分布式光纤温度传感器系统的温度标定 .164.3 拉曼分布式光纤温度传感器性能指标 .204.4 拉曼散射的温度效应 .225 拉曼分布式光纤温度传感器的温度信号解调方法 .255.1 利用反斯托克斯拉曼散射光功率曲线自解调方法 .255.2 利用斯托克斯拉曼散射光功率曲线的解调方法 .265.3 利用瑞利散射光功率曲线的解调方法 .275.4 三种解调方法的比较 .286 基于 MATLAB 的模拟仿真 .30结 论 .35致 谢 .36参 考 文 献 .37附 录 .391 引言光纤传感技术是 20 世纪 70 年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径迅速发展起来的一种崭新的传感技术。光纤中的散射光包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中拉曼散射光的强度很小，需要把瑞利和布里渊散射滤除以后才能提取出拉曼散射光进而进行分析。拉曼散射广泛的应用于化学、生物学、物理学和医学等各个领域，有力得推动了对分布式光纤温度传感器的研究和应用。把分布式光纤温度传感器埋入材料结构中，组成智能材料结构可以实现结构本身的实时自检测和自诊断，用于航空 航天飞行器的在线、动态检测和机器人的神经网络系统。这种崭新的学术思想将会使材料与工程科学产生革命性的变化，尤其是在航空航天的现代化工程领域具有特别重要的意义和广阔的前景。本文通过对拉曼光谱的基本特征的分析及研究，实现光信号的稳定性和信号解调的可靠性，提高传感系统的可靠性。1.1 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的发展现状 121928 年印度科学家拉曼(Raman)发现，当光子与流体和气体分子相互作用时，在入射光频率的两端会出现新的谱线，这一现象称为散射效应，即拉曼散射光谱。拉曼散射效应可以用入射光与散射介质的相互作用、能量转移加以解释，入射光与散射介质发生非弹性碰撞，在相互作用时，入射光可以放出或吸收一个与散射介质分子振动相关的高频声子，称作为 Stokes 散射或 Anti-Stokes散射。激光器的出现，有力地推动了对拉曼散射的研究，并发现了新的拉曼散射效应，如共振拉曼散射、非线性拉曼散射、超拉曼散射、受激拉曼散射、相干 Anti-Stokes 散射。拉曼散射广泛地应用于化学、物理学、生物学和医学等各个学科领行定性和定量分析和测量环境温度。近年来，一些科学家利用Rayleigh 散射精细结构谱的强度与 Rayleigh 散射的强度比作为一种新型的分布光纤传感器原理，进行了探索。1985 年，英国的 J.P.Dankin 等人首次成功地利用光纤的拉曼散射温度效应和光时域反射原理实现了采用拉曼散射的分布式测温技术以来，在世界范围内众多研究人员展开了基于拉曼散射的传感系统的研究，并取得了可喜的成绩。目前，基于拉曼散射的温度传感技术主要集中在二个方面：一是基于拉曼光时域反射技术的分布式光纤传感技术；二是基于拉曼光频域分析技术的分布式光纤传感技术。基于 Raman 散射的分布式光纤温度传感器系统的技术已相对成熟,需要大力开展应用和应用技术研究,在工业自动化过程检测和控制中,应用分布式光纤测量网络,开拓产业市场,发展高科技产业。1.2 本论文的主要研究内容和组织安排论文主要是利用基于拉曼散射的测温原理及精度分析对拉曼散射光的温度敏感特性进行探讨，并对传输过程中光纤的损耗特性进行了详细的研究；最后应用 MATLAB 进行了模拟仿真和数据分析，基于仿真结果提出了合理的拉曼光谱信号检测和解调方案，并比较各方案的优缺点。内容安排如下:第二章是光纤中散射光的分类及原理。首先介绍了光纤中的各种散射光，并利用图形来说明各类散射光的散射原理，位置分布和散射强度。其次，重点介绍了拉曼散射的原理。第三章是拉曼光谱的传输特性。首先介绍了拉曼光谱的基本特征；然后重点介绍了光纤传输的损耗机理；最后介绍了拉曼光谱的数据处理（主要是噪声谱的消除和减少） 。第四章是拉曼光谱的温度敏感性。首先介绍了光纤的测温原理及精度分析；其次介绍了基于拉曼散射的测温原理和性能指标；再次是分析拉曼散射的温度效应。第五章是拉曼分布式温度传感器的温度解调方法。分别介绍了三种不同的解调方法，并进行了比较。第六章用 MATLAB 对拉曼光谱的各种特性进行模拟仿真的程序设计和对模拟结果的分析。最后为全文总结，简要概括了本文的主要工作及研究的主要结论。2 光纤中的散射光分类及拉曼散射的原理在本章中，主要分析光纤散射和散射的原理。光纤中的散射包括瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射；并用了一个光纤散射光谱图对这三种散射的强度，波长做了明确的说明。在散射原理中重点讲述了拉曼的散射原理，拉曼散射的理论模型。 32.1 光纤中散射的分类光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。光波在光纤中传播时，由于光纤的非结晶材料在微观空间的不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。光强随传播距离的减弱仍符合指数衰减规律，只是比单一吸收时衰减得更快罢了，则其关系为(2-1-1)ll saeIeI)(00式中， 为光的原始强度；I 为光束通过厚度为 l 的试件后，由于散射，在光前进方向上的剩余强度； 、 分别称为吸收系数和散射系数，是衰减S系数的两个组成部分。散射分为弹性散射和非弹性散射：散射前后，光的波长(或光子能量)不发生变化的散射称为弹性散射。从经典力学的观点，这个过程被看成光子和散射中心的弹性碰撞。散射结果只是把光子碰到不同的方向上去，并没有改变光子的能量。弹性散射的规律除了波长(或频率)不变之外，散射光的强度与波长的关系可因散射中心尺度的大小而具有不同的规律。弹性散射中典型的就是瑞利散射。假如以 Is 表示散射光强度， 表示入射光的波长，一般有关系。 当 时,4。换言之，当散射中0心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的 4 次方成反比 。)/1(4SI这一关系称为瑞利散射定律。图 2.1 瑞利散射强度与波长的关系当光束通过介质时，从侧向接收到的散射光主要是波长(或频率)不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。除此之外，那些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为“非弹性散射” 。弹性散射和非弹性散射的光谱如图 2.2 所示。图中与入射光频率相同的谱线为瑞利散射线，其近旁两侧的两条谱线为布里渊散射线，与瑞利线的频差一般在 -100cm 量级。距离瑞利线较远些的谱线是拉曼(Raman)散射线，它们10与端利线的频差可因散射介质能级结构的不同而在 100104cm 之间变化。出现在瑞利线低频侧的散射线统称为斯托克斯(Stokes)线，而在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯托克斯(anti-Stokes)线。拉曼散射和布里渊散射都可以分别产生斯托克斯线和反斯托克斯线。图 2.2 弹性散射和非弹性散射的光谱光波在光纤中的传播过程中产生的散射主要有三种：瑞利散射、布里渊散射和喇曼散射。三种光散射信号的频谱分布如图 2.3 所示：1）瑞利散射：是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光与入射光的频率相同。2）布里渊散射：是光纤中的光学光子和光纤中的声学声子发生非弹性碰撞而产生的，强度比瑞利小 2030dB,布里渊频移为 11GHz 左右。3）喇曼散射：是光纤中的光学光子和光纤中的光学声子发生非弹性碰撞而产生的，强度比布里渊散射还小一个数量级，频移上 T 级。喇曼散射和布里渊散射均同时包含斯托克斯和反斯托克斯光，在频谱中也是成对出现的。由于光纤中存在成分和密度的不均匀，使得折射率的微观分布呈现不均匀性，当激光在光纤中传输时会产生散射。其中背向散射包括由光纤折射率变化引起的瑞利散射、光学声子引起的拉曼 (Raman)散射和声学声子引起的布里渊(Brillouin)散射三种类型，其频谱如图 2.3 所示: 其中（纵轴为光的强度，横轴为光的波长） 。图 2.3 光纤中的背向散射光频谱瑞利散射是光纤的一种固有特性，是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。拉曼散射是入射光波的一个光子被一个声子散射成为另一个光子，同时声子完成其两个振动态之间的跃迁。在光谱图上，拉曼散射频谱具有两条谱线，分别分布在入射光谱线的两侧，其中波长大于入射光为斯托克斯光，波长小于入射光为反斯托克斯光。由于光纤内部存在着与入射光方向同向和反向传播的自发声波，由多普勒效应，散射光中包含了比原入射光频率低的斯托克斯光( )，以及比入射光频率高的pB反斯托克斯光( )两个频率的光波分量pB2.2 拉曼散射的原理 4当光照射的物质上时，会发生非弹性散射，散射光中除有与激光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。由分子振动、固体的光学声子等元素激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱。拉曼散射强度是十分微弱的，大约为瑞利散射的千分之一。当光脉冲沿光纤传输时，在光纤的每一点都会产生拉曼散射，该散射是各向同性的，其中一部分将沿光纤返回。根据电磁场理论可知，由于光纤纤芯介质材料密度的微观变化和成分起伏的影响，入射光子与介质分子相互作用，除产生与入射光同频的瑞利散射外，由于介质的非线性效应，入射光子与分子还发生非弹性碰撞。在非弹性过程中光子与分子之间发生能量交换，光子不仅仅改变了运动的方向，同时光子的部分能量传递给分子，或者分子振动和转动的能量传递给光子，从而改变光子的频率。这一过程为拉曼散射。从量子理论能级的观点来看，拉曼散射是由光子的非弹性碰撞产生的。以双原子分子的 v=1 能级为例，拉曼散射过程的能级如下图所示，图中 E1、E2 分别表示分子振动的基态和激发态。假定注入光纤的激光频率为 ，光子的能量0h ；当分子从振动基态 (或振动激发态 )被入射光激发到能级 +h (或01E2E1E0+ h )的虚态,又回到振动基态(或振动激发态)，散射出频率为 的光子，2E这一过程称为瑞利(Reyleigh)散射。当振动基态的分子被入射光激发到虚态，然后回到振动激发态 ，产生能量为 h( )的 Raman 散射，散射光子的2E0频率为 ，这种散射称为斯托克斯 (S