（计算机应用技术专业论文）分布式高速数据采集系统研究.pdf

i i i ii iii iii i ii i ii iu 1 ， 17 8 4 2 3 2 、j ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g d e s i g n o fh i g hs p e e dr a m a n o p t i c a l f i b e rt e m p e r a t u r ed a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m c a n d i d a t e ：x uw e i s u p e r v i s o r ：p r o w a n gr u i h o n g s p e c i a l i t y ：c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n o l o g y h e i l o n g ji a n gi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y h a r b i n ，p r c h i n a ，15 0 0 2 7 j u n e2 0 1 0 ， r - 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 、 研究生签名：秀身：& 日期：勉垃：。z 矽 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保 留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授 权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签名：龃导师签名： 日期：塑“屈 黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 光纤传感技术是伴随着光纤制造技术和光通讯技术的发展而逐 步形成的。分布式光纤温度传感系统是专门为大范围多点温度测量 的应用而设计的。它可以测量长达数公里的传感光纤沿线的温度场 的分布。同时分布式光纤传感器具有防燃、防爆、耐高压、防电磁 干扰等优点，因而它的研究引起了世界范围内的广泛重视。现有温 度传感系统的精度和实时特性均受数据采集系统的限制。因此，必 须根据实际需求，设计一套高速数据采集和数据处理的电路系统。 本课题就是针对这一需求而提出的。 本文应用新型的可编程器件和d s p 器件实现分布式光纤温度传 感信号的高速采集和实时处理，解决目前传感系统中信号处理系统 实时性差的问题。系统以新型的d s p 器件b f 5 3 3 为控制核心，由可 编程器件f p g a 对斯托克斯和反斯托克斯原始信号进行高速采集和 并行数据处理，预处理结果由d s p 进行精确的数值计算。系统具有 u s b 数据存储和液晶显示功能，还可通过高速网络接口将测量数据 发送到监控计算机，实现高性能的温度监控系统。 关键词：拉曼测温；b f 5 3 3 ；f p g a ：并行数据处理 ， 黑龙江科技学院硕士学位论文 a bs t r a c t t h et e c h n o l o g yo fo p t i cf i b e rs e n s i n gw a sf o r m e dg r a d u a l l yw i t h t h ep r o g r e s so ft h ep r o d u c eo fo p t i c a lf i b e ra n dt h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h ed i s t r i b u t e do p t i cf i b e rt e m p e r a t u r es e n s i n g s y s t e m i s d e s i g n e df o r t h ea p p l i c a t i o no fal a r g e - s c a l em u t i p o i n t m e a s u r m e n to ft e m p e r a t u r e t h i ss y s t e mi s c a p a b l eo fm e a s u r i n gt h e d i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ea l o n gt h es e n s i n gf i b e r t h ed i s t r i b u t e d o p t i c f i b e r s e n s i n gs y s t e m h a ss u c h a d v a n t a g e s a s i m m u n i t yt o f l a m m a b i l i t y ，e x p l o s i o n ，h i g hv o l t a g ea n de l e c t r o m a g n e t i s m t h e r e f o r e ， t h es t u d yo ni ta r o u s et h ef o c u sa l lo v e rt h ew o r l da n dh a v em a d eal o t o fa c h i e v e m e n t s t h ea c c u r a c ya n dr e a l - t i m eo ft h ec u r r e n ts e n s i n g s y s t e mw e r e r e s t r i c t b y t h ec u r r e n ta c q u i s i t i o n s y s t e m s o ，i t i s n e c e s s a r yt od e s i g nan e ws y s t e mf o rh i g h - s p e e da c q u i s i t i o na n dd a t a p r o c e s s i n g t h i sa r t i c l ea c h i e v e s h i g h s p e e da c q u i s i t i o n a n dr e a l - t i m e p r o c e s s i n go ff i b e ro p t i cd i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r es e n s i n gs i g n a lb a s e d o na p p l i c a t i o no fn e wp r o g r a m m a b l ed e v i c e sa n dd s pd e v i c e s ，s ow e s o l v et h ep r o b l e mo fp o o rr e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi nt h e c u r r e n ts e n s i n gs y s t e m t h es y s t e mc o n t r o lc o r ei st h en e wd e v i c ed s p b f 533 ，p r o g r a m m a b l ed e v i c e sf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ) c o n d u c t st h es t o k e sa n da n t i - s t o k e so r i g i n a l s i g n a l f o rh i g h s p e e d a c q u i s i t i o na n dp a r a l l e ld a t ap r o c e s s i n g ，t h ep r e - p r o c e s s i n gr e s u l t sd o a c c u r a t en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nb yt h ed s p t h es y s t e mh a st h ef u n c t i o n o fu s bd a t as t o r a g ea n dl c d ，i ta l s oc a ns e n dm e a s u r e m e n td a t at ot h e m o n i t o rc o m p u t e r b yv i ah i g h - s p e e dn e t w o r ki n t e r f a c e ，s oi tc a n a c h i e v et h eh i g hp e r f o r m a n c et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：r a m a nm e a s u r e m e n tt e m p e r a t u r e ；b f 5 3 3 ；f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y sf p g a ；p a r a l l e ld a t ap r o c e s s i n g 黑龙江科技学院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第l 章绪论1 1 1 光纤传感器的特点1 1 2 分布式光纤拉曼测温的应用前景3 1 3 光纤拉曼测温采集系统的发展现状4 1 4 课题研究的目的及意义6 1 5 课题研究的内容6 1 6 本章小结7 第2 章拉曼测温系统的原理及组成8 2 1 拉曼测温的原理8 2 2 拉曼测温传感器1 7 2 3 测温系统的组成19 2 4 本章小结2 0 第3 章数据采集系统的设计方案2 1 3 1 数据采集系统方案2 l 3 2 器件的选取2 2 3 3 本章小结2 9 第4 章数据处理算法及接口设计3 l 4 1 数据处理算法31 4 2 接口设计3 5 4 3 本章小结4 3 第5 章测量结果与数据分析4 4 5 1 测量结果4 4 5 2 数据分析4 7 1 1 1 黑龙江科技学院硕士学位论文 一一 i v 献介凯玑教椭结致参作 黑龙江科技学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 光纤传感器的特点 光纤传感器是2 0 世纪7 0 年代伴随着光纤通信技术的发展而迅 速发展起来的，以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外界被测 量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传 播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优 势。光波不被电磁干扰、易为各种光探测器件接收、可方便的进行 光电或电光转换、易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。 光纤工作频带宽、动态范围大、适合于遥测遥控，是一种优良的低 损耗传输线。在特定条件下，光纤极容易接受被测量或场的加载， 是一种优良的敏感元件。光纤本身不带电、体积小、质量轻、易弯 曲、抗电磁干扰、抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受 严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用i ij 。 因此，光纤传感器一问世就受到了极大重视，几乎在各个技术 领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃 发展。特别是利用光纤作为分布式传感器的监测系统，在国民经济 建设中发挥着不可替代的作用。利用它可以实现在重大场合中对可 能引发灾难性事故的温度异常、火灾、应力异常等情况的预警，不 仅保护了重要的固定资产，而且也能保护在那些场合工作的人员的 生命安全【2 1 。例如在重要大坝的建设过程中对温度进行的实时监测， 现有的电子类温度传感器都很难在大坝的施工现场安装并进行实时 监测，并且这些传感器都是只能测量有限的几个到几十个点，很难 达到工程安全检测的要求，我们利用光纤分布式温度监测系统就很 容易的实现对埋入混凝土内的光纤的温度进行实时监测了p j 。在关 键性的动力电路的监测中电子类温度传感器是不可能使用的，存在 很大的安全隐患，很容易造成短路和干扰，导致人民的生命和财产 安全受到威胁，但是如果我们利用光纤分布式温度监测系统进行监 测，就不会存在以上所说的这些类似的问题了，而且既不会受电磁 干扰，也不回短路，并可快速的获取被测关键性动力电路详细的温 黑龙江科技学院硕士学位论文 度曲线，还可以对任何温度异常点进行及时地预警，进而消除安全 隐患【4 1 。 光纤传感器技术是利用光波所具有的诸多特征参量由于受到外 界因素直接或间接作用而发生变化，通过测量这些特征参量，从而 获得待测量或场的某方面物理特性的技术。其中光波的特征参量主 要包括光波的强度、相位、频率、偏振态等；待测场主要包括温度 和压力两个方面，其它如物理场都可以间接的转换为温度和压力场 【5 】 0 光纤分布式传感器与传统的传感器相比最根本的优势在于光纤 分布式传感器是以光变量作为传输和传感载体。而传统的传感器大 多都是以电信号作为传感测量的载体，用电信号进行监测时在特定 的环境下就会很难达到工作要求，存在诸多不确定性和不稳定性【6 j 。 利用光纤来监测和传输信号，主要具有四方面的优势：首先是 抗电磁干扰。所谓的电磁干扰是指我们在实际的工作环境中，由于 存在着因自然因素或人为因素而产生的电磁能量，如果电子设备在 该环境中工作，这些能量就会通过一定的途径进入电路，产生电子 设备正常工作所不需要的信号；同时，电子设备内部也会产生影响 自身正常工作的信号，这类信号统称为电噪声( 简称噪声) ，这些影 响电子电路正常工作的噪声即为电磁干扰，简称干扰。简单地说， 电磁干扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生 命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。但是在通常情况下电磁 辐射的频率与光波的频率相比还相差得很多，所以，在光纤中传输 的光信号不易受到外界电磁干扰的影响。这个优点在实际应用中的 作用是一般电子设备不能替代的1 7j 。 其次是绝缘性好，光纤是由二氧化硅等绝缘材料制成的，其中 传输的是光信号，不会导致短路或明火现象，这就很适合应用于石 油化工、煤矿等易燃易爆的特殊环境中【引。 其三，耐腐蚀和高温的特性也是不容忽视的，光纤是材质是石 英，这种材质是具有极高的化学稳定性，由它制成的传感器能够很 好用于核辐射、冶金等一些特别恶劣的工作环境中。 其四是成本低廉，传感和传输元件都是光纤，价格便宜，容易 购买。这更有力促进这一先进技术在国名经济的应用和推广。随着 光纤通信技术的发展，光纤很容易形成复杂的传感器网络，打破以 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 往的单点测量的缺点，逐步形成分布式测量，并且还可以利用已有 的设备和设施，形成复用网络【9 1 。 1 2 分布式光纤拉曼测温的应用前景 众所周知，我们今天的工业已经得到了飞速的发展，基本建成 了现代工业化大国。随着工业化的进一步发展，人们对温度的精确 测量越来越重视，在工业生产和工程建设中的每一个环节都离不开 对温度的监测。在现代化工业的今天，温度细微变化信息的获取有 着更加现实的意义。随着光纤通信等技术的迅猛发展，人们对温度 的精确实时测量也提出了更多、更高、更细的要求，也在不断寻找 新的温度的精确实时测量方法和技术。 虽然已有的温度传感器已经发展的比较成熟，具有结构简单、 成本低等优点，已经广泛应用于科研、国防等工程建设中，取得了 较好的效果如热电偶、热敏电阻等温度传感器。但是这些传感器都 是以电信号为工作基础的传统温度传感器，具有抗强电磁干扰弱、 易燃、易爆等缺点，这在实际应用中受到很大的限制，特别在工业 高速发展的今天，对抗干扰和防燃防爆环境条件越来越多，这些温 度传感器已经无法满足人们的需要。 根据以上所述的实际，科研人员提出了温度的分布式测量方法。 与此同时光纤制造技术和传感理论的发展，材料成本大幅度减低， 使得它能够飞速发展，光纤具有体积小、重量轻、可挠、电绝缘性 好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等优点，对传统的 传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，完成前者很难完 成甚至不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量，除了具有以 上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、 防爆、防燃、抗电磁干扰等优点。因此，光纤温度传感技术受到各 国科技人员的高度重视并开展了深相关的深入研究【i 。 在实际应用中，人们首先考虑到的是点式光纤温度传感器，例 如吸收型、荧光衰减型和热色效应等光纤温度传感器，由于它们具 有技术上容易实现、抗干扰能力强、灵敏度高等优点，得到了飞快 的发展。但是这种传感器只能测量到某个点或很小的某一部分区域 黑龙江科技学院硕士学位论文 的温度变化状态，没办法实现较大区域温度的分布测量。如果我们 在较大区域阵列式的温度传感器的逐点监测测量，虽然理论上是可 行的，但是在实际操作中不仅成本太高不经济而且是不可能实现的。 目前研究的分布式光纤温度传感器就可实现沿光纤连续分布的温度 场的测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，而且空间分辨率高、 误差小，并与单点或多点准分布测量相比具有较高的性能价格比。 此外分布式光纤温度传感器还具有很多优点：电绝缘性好，适合易 燃、易爆等恶劣环境；光信号的抗强电磁干扰能力强，可用于电磁 和关键动力电路温度的监测；光纤纤细柔软，易于安装。 在当今的工业生产和工程建设中，有很多场合需要确定温度的 分布情况，例如，长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的 沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布，桥梁、大坝、 仓库、大型建筑、隧道、高压容器、航天器机身等的温度分布。在 电子、冶金、化工等许多行业的生产中，也都需要对多个温度点同 时进行监控，如测量存储易燃、易爆或其它物质大型存储罐温度分 布，结构复杂的大型设备以及回转设备的温度分布等i l 2 。 因此，分布式光纤温度传感器以其自身的优点受到了广泛的重 视，研究分布式光纤温度传感器具有重要的理论意义与应用价值。 1 3 光纤拉曼测温采集系统的发展现状 l9 2 8 年，印度科学家拉曼( r a m a n ) 发现了并合散射效应，即我们 现在广泛应用的拉曼散射光谱。所谓的拉曼光谱是指当我们把光看 作的一个个独立的光子，这些光子与流体和气体分子发生相互作用 时，我们就可以通过光谱仪观测到入射光谱线两侧会出现新的谱线。 这些谱线的发现，也证实了19 2 3 年g g s 斯梅卡尔的理论预言。这 个现象的发现，科学家们相继用不同的理论加以解释，其中最为合 理解释还是属于量子力学理论的，量子力学理论中说道：拉曼散射 效应主要是由于入射光和散射介质之间的相互作用、能量转移而形 成的，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 s t o k e s 散射或a n t i s t o k e s 散射i l 川。 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 拉曼散射效应发现初期人们就广泛地应用于科学研究、工业生 产和工程建设等诸多领域，但主要还是用以研究和测定分子的结构、 对物质成分进行定性和定量分析。利用这一效应研制的分布式光纤 传感测温系统在国内虽未大量应用，但在国外早己有较广阔的市场， 多家公司采用此项技术进行开发。二十个世纪八十年代中期，英国 首次成功地完成了光纤拉曼测温系统的研制，创造性的将光纤拉曼 散射的温度效应和光时域反射原理相结合，这在当时世界范围内开 辟了一条测温的新方法，各国的科研人员都相继的展开了这方面的 研究，不同程度的取得了较丰硕的成果。例如，英国y o r k 公司研 制成功的d t s 1 、d t s 2 型分布式光纤温度传感器，该系统在2 k i n 的光纤上实现了空间分辨率7 5 m ，温度分辨率1 ；日本藤仓公司 研制成d f s 1 0 0 0 分布式光纤温度传感器系统，该系统在2 k m 的光 纤上实现了空间分辨率3 5 m ，温度分辨率3 的传感测量。近年来， 国外将15 5 0 n m 通信光纤激光器、e d f a 光纤放大器等技术应用于拉 曼分布式光纤温度传感器监测系统，也取得了较好的结果驯。随着 光纤技术的成熟，其适用范围得到进一步拓展。采用光纤进行分布 式温度测量的光纤传感系统在国内外均有研究报道。上个世纪末， 我国著名的科学家张在宣等人率先开展了拉曼光子温度传感效应的 研究，观测到光纤瑞利背向散射精细结构的温度效应。这为后来国 内光纤拉曼测温的研究奠定了坚实的基础。近几年来，在国内中科 院、北京理工大学、哈尔滨工业大学、黑龙江大学和重庆大学等高 校和科研单位根据应用的需要，先后都开展了分布光纤温度传感器 的研究，并已经在一些工程建设中试验运行，取得了骄人的硕果。 例如，二十世纪九十年代初，重庆大学光电精密机械研究所黄尚廉 等研制成功多模拉曼分布式光纤温度传感器系统，该系统在l k m 的 光纤上实现了空间分辨率7 m ，温度分辨率3 的传感测量。稍后，中 国计量学院光电子研究所张在宣等研制成功f g c w 1 激光拉曼分布 式光纤温度传感器系统，该系统测量距离l k m ，多模方式工作，空间 分辨率1 0 m ，温度分辨率2 川。 以上所述的拉曼光纤温度监测系统，虽然已经有了较大、较快 的发展，在一些工程实践中取得了不同的可喜成果，但是想要更进 一步的推广和广泛使用，还存在一个致命的瓶颈，那就是系统的数 据采集系统。由于光纤作为传感元件，并以光信号为传感载体，而 黑龙江科技学院硕士学位论文 光信号的传播和转换远远高于电信号，这就导致拉曼光纤温度监测 系统的运行速度明显减慢，极大的影响了系统的实时性。随着光纤 技术的发展，我们对数据采集系统的采样速率和采样精度的要求也 越来越高，不仅要求其能够对各类微弱信号、高频信号以及复杂信 号进行快速、精确测量，并且还要要求其能够对信号进行实时记录 以进行后续的分析与处理，所以高速、高精度的数据采集系统越发 显得重要。 1 4 课题研究的目的及意义 现有温度传感系统的精度和实时特性均受数据采集系统的限 制，从而必须根据实际要求，设计套高速数据采集和数据处理的 电路系统。本研究课题的目的就是针对这一需求而提出、设计并实 现一套全新的光纤拉曼测温数据采集系统，使传感数据在最快的时 间内得到处理，提高系统对突发事件监控的实时性。因此本研究课 题具有很强的实践意义。 1 5 课题研究的内容 为解决目前分布式光纤拉曼传感系统中信号处理和系统实时性 差的问题。我们以新型的d s p 器件b f 5 3 3 为控制核心，由可编程器 件f p g a 对斯托克斯和反斯托克斯原始信号进行高速采集和并行数 据处理，预处理结果由d s p 进行精确的数值计算。系统具有u s b 数 据存储和液晶显示功能，还可通过高速网络接口将测量数据快速、 及时地发送到监控计算机，实现高性能的温度监控系统。具体的研 究内容主要包括以下五个方面： 、课题背景。简单介绍了光纤传感器的特点，光纤拉曼测温 的广阔的应用前景，现有的采集系统的发展现状，以及现有的测温 系统的数据采集方式和需要改进几个方面。 二、拉曼测温系统的基本原理及组成框图。详细介绍了拉曼测 温系统的基本原理，主要包括拉曼测温的理论分析和拉曼测温传感 器。测温系统的组成框图包括传感器数据采集和处理系统两个方面。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 三、数据采集系统的设计方案。这是本课题的重点，主要包括 数据采集系统方案、器件的选取( 如d s p 、f p g a 、a d 9 0 5 4 、d m 9 0 0 0 、 l c d 等) 和实现的目标( 采集速度、精度、双路并行采集和处理、 网络传输、液晶显示、报警功能) 。 四、数据处理算法及接口设计。这部分主要包括数据处理算法、 接口设计，其中接口设计主要指的是a d c 接口、双端口存储器数据 读取、彩色液晶显示接口、10 0 m 网络接口等。 五、实验测量结果与数据分析处理。 1 6 本章小结 本章主要介绍了光纤传感器的特点和优势，分布式光纤拉曼测 温的应用前景及其采集系统的发展现状，最后，对本课题的主要研 究内容做以简要宏观的介绍。 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 第2 章拉曼测温系统的原理及组成 光纤分布式拉曼测温系统的原理简单的说是光纤中激发的自发 拉曼光谱中的反斯托克斯散射光携带有传感光纤周围环境温度信 息，并利用特殊的光时域后向散射( o t d r ) 技术逐点获取光纤中自发 拉曼散射信息来实现待测场空间温度的实时监测。 2 1 拉曼测温的原理 拉曼测温原理重要包括拉曼散射理论、拉曼阈值、光纤中的受 激散射和自发散射、光纤中自发拉曼受激散射的温度效应以及光时 域后向散射技术几个方面，以下就对这几个方面进行详细的介绍。 2 1 1 拉曼散射理论 我们首先从量子力学角度对拉曼散射理论进行分析和讨论，在 量子力学中光可以被看成一份一份的光子组成的，在光子和分子相 互作用时，会发生碰撞，跟经典理论一样，光子和分子之间的碰撞 也遵守能力守恒定律，只能发生弹性和非弹性碰撞，弹性碰撞发生 时光子和分子之间没有能量交换，只改变它们的运动方向，但是当 非弹性碰撞发生时光子和分子之间就会有能量的交换，表现形式就 是吸收或释放声子，以上只是从能量守恒的角度加以分析，在光谱 图上就可以观测到光子和分子之间的相互作用时，会出现微小的入 射光的谱线平移。在频域上表现为斯托克斯( s t o k e s ) 散射光子和反斯 托克斯( a n t i s t o k e s ) 散射光子。这一过程称为拉曼散射效应。拉曼散 射效应主要集中在一级拉曼散射和二级拉曼散射。一级拉曼散射常 称为晶体的热散射，其特征是具有小的频率变化，而其变化强烈地 依赖于散射角度。此处所讨论的是二级拉曼散射，本质上是一种三 阶非线性光子效应。 光子与光纤分子的相互作用可用能级图来表示，如图2 1 所示。 黑龙江科技学院硕士学位论文 。c o s l l i k ，、 ) o 办州 1了a l ( 6 ) h ( c o 爿s - - c o o ) 图2 1 光纤拉曼散射效应能级图 f i g u r e 2 - 1e n e r g yl e v e ld i a g r a mo ff i b e rr a m a ns c a t t e r i n ge f f e c t 如图2 1 ( a ) 所示，在斯托克斯区，光纤分子吸收入射光子能量从 e l 能级跃迁到虚拟能级e 3 ，然后在向e 2 能级跃迁的同时释放出一 个低频光子和一个声子，该过程表述为公式( 2 1 ) ： h c o ，= 7 l 一z k e ( 2 1 ) 如图2 1 ( b ) 所示，在反斯托克斯区，光纤分子吸收入射光子能量 从e 2 能级跃迁到虚拟能级e 4 ，然后在吸收一个声子的同时跃迁到 e 1 能级并释放出一个高频光子，该过程表述为公式( 2 2 ) ： 壳加2 h c o o + 丝 ( 2 2 ) 式中：魄、a s 、吣分别为入射光、反斯托克斯拉曼散射光和 斯托克斯拉曼散射光的频率；缸= h a y ，a v 为拉曼频移量，该拉曼 频移量只由光纤材料决定，对于石英光纤a v = 1 3 2 t h z ；充= h 2 r r ，h 为普朗克常数。 2 1 2 拉曼阈值 根据耦合波方程，通过考察泵浦光和斯托克斯光之间的非线性 作用，就可以得到拉曼阈值条件，泵浦光和斯托克斯光所遵循的两 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 个耦合波方程如下： _ i s = g r i t , i s - i s ( 2 3 ) 孕：生g 月厶一0 l ， ( 2 4 ) 式中：i s n i e 分别表示斯托克斯光和泵浦光的强度，g r 表示拉曼增益 系数，c o s 和分别为斯托克斯光和泵浦光波长，o l s 和a 尸为斯托克斯光 和泵浦光频率处的光纤损耗1 引。在没有光损耗的情况下可以改写为 旦f ，立+ 立 ：o ( 2 - 5 ) d z l 啦0 3 p ，j 我们能从式( 2 - 5 ) 中看出，在拉曼散射过程中，泵浦光中的光子和斯 托克斯光中的光子是相等的。理论上说，光泵浦总是在消耗光能量， 使得很难完整的描述拉曼散射过程，所以我就只能取得拉曼散射的 近似阈值，忽略泵浦所消耗的能量，近似的认为泵浦光不消耗能量， 表现在表达式上就是忽略方程( 2 5 ) 中表示泵浦消耗的右边的第一 项，这样这个方程就很容易解出来了。然后将( 2 - 5 ) 的解代入方程 ( 2 4 ) ，就可以得到下面的表达式 d ix d z = g r i o e x p ( - - ap z ) l 一伐s i s ( 、2 - 6 、) 其中，1 0 是z = o 处的入射泵浦光强。方程( 2 6 ) 很容易求解，其结果 为： l ( ) = i , ( o ) e x p ( g 月i o 够一a 。) ( 2 - 7 ) 其中 = 1 一e x p ( - - 仅j p ) 仅j f ， ( 2 8 ) 表达式( 2 8 ) 表示，表示有效光纤长度，这就说明我们在实验过程 中使用的光纤长度不是我们理论计算所用的长度，这是由于光纤对 泵浦光的吸收损耗所造成的，由于吸收损耗无法消除，所以这个误 l o 黑龙江科技学院硕士学位论文 差无法消除，只能补偿。即在计算的过程中我将l 减至坳。在使用 方程( 2 8 ) 时z = 0 处入射光强，。( 0 ) 是必须要知道的。 拉曼闽值定义为，在光纤的输出端斯托克斯功率与泵浦功率相等 时的入射泵浦功率值 只( ) = 昂( 三) 三p oe x p ( - - a j p l )( 2 - 9 ) 其中，e o = i o 锄是泵浦光功率的值，岛表示光纤纤芯有效面积。假 设仅，0 l p ，阈值条件可以表示为： 瑶e x p ( g 足e o l e e a i r ) = 异 2 1 3 光纤中的受激拉曼散射效应 ( 2 1 0 ) 光纤中的受激拉曼散射本质上是一种三阶非线性光子效应，就 是强激光与介质分子相互作用产生的受激声子对入射光的散射。当 泵浦光的能量小于上小结所说的阈值条件时成为自发拉曼散射，而 泵浦光的能量大于阈值条件时，就会产生受激拉曼散射。同样的受 激拉曼散射也可以从量子方面进行描述：入射光波的一个光子被介 质分子散射成为另一个低频光子( 成为s t o k e s 光) ，同时完成分子振 动态之间的跃迁，或者说入射光导致介质分子的振动散射，调制入 射光场成为一个频率下移的宽带s t o k e s 光，从而这个较低频率的 s t o k e s 光具有了增益特性。石英光纤的这种场致振动频率范围约为 4 0 t h z ，峰值频率下移量约为13 t h z 。另外，这种非能级跃迁机理的 放大器具有天然的低噪声指数，故成为w d m 放大器的有力竞争者。 2 1 4 光纤中的自发拉曼散射 泵浦光注入光纤后，其部分能量转为拉曼散射光，当泵浦光的 能量小于阈值时，光纤分子的热平衡没有被破坏，这种拉曼散射叫 自发拉曼散射。自发拉曼散射光中的反斯托克斯散射光对温度敏感， 黑龙江科技学院硕士学位论文 其强度受温度调制，而斯托克斯光基本上与温度无关；反斯托克斯 光强对温度的灵敏度比斯托克斯光约大6 倍左右。光纤中的背向自 发拉曼散射光功率可由下列二式来表示： 斯托克斯光的表达式为： 只( r ) 2 晶r 石聂( 而聊n 羽3 e x p 一b 。+ 仅s 皿 ( 2 1 1 ) 反斯托克斯光的表达式为： 焖= 扣箦豁l 7 1 1 r 1 2 r 1 3 e x p 心江 ( 2 - 1 2 ) 式中只、只。分别表示斯托克斯和反斯托克斯光功率，v 表示光纤中 的光速，e o 表示入射光脉冲的能量，t 表示温度，r 。为单位长度上 的光散射系数，与材料和光纤几何参数有关，t 1 l 、1 1 2 、1 1 3 分别表示光 路中各部分的光通过率，0 l 。、o 【，和仅。分别表示入射光、斯托克斯光 和反斯托克斯光在光纤中的光损耗系数，l 表示光纤中的位置【1 7j 。 由以上的分析可以看成，只要将这两者的光强进行比较，就可以的 到光纤所在散射区域的值温度的空间分布情况，这是由于斯托克斯 光的散射基本上与温度没有关系，但是反斯托克斯光的散射跟散射 区域温度的变化比较敏感，只要它们之间作比较就只剩下温度的变 化情况了。自发拉曼散射光中反斯托克斯光受温度调制的特性是分 布式光纤拉曼测温系统的理论基础，其中反斯托克斯和斯托克斯光 之间的比值关系为： 尺( c ) = 4 s l = ( v 爿s v s ) 4e x p ( 一h v ，k t ) ( 2 1 3 ) 2 1 5 光纤中自发拉曼散射的温度效应 光纤中的拉曼散射包括两种：斯托克斯散射和反斯托克斯散射。 瑞利散射是光纤中散射最为强烈的一种散射，其中只有反斯托克斯 的散射光强与散射区域的温度有关，瑞利散射和斯托克斯散射光的 光强与散射区域的温度没有关系，但是它们三个一般都是同时产生， 在同样的条件下产生，所以我就可以通过瑞利散射和斯托克斯散射 1 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 把反斯托克斯的温度效应解调出来，即减小成本又可以消除光源波 动和光纤损耗等因素引起的误差。这样就有三种解调光纤中自发拉 曼散射的温度效应的方法了，第一种是反斯托克斯自己解调自己， 第二种是利用瑞利散射光进行解调，第三种就是本课题所使用的利 用斯托克斯散射光进行解调，首先我们列出这三种散射光的表达式： 斯托克斯光的表达式为： 只( 7 1 ) 2 1 五薪丽1 功n 扪3e x p - ( o 【。+ 伐s ) l i ( 2 - 14 ) 反斯托克斯光的表达式为： 只。( 丁) = 争佤i e i x p 石( - f h 瓦a y 而k t ) l , j 1 i q y be x p 卜b 。+ 仅加皿 乓( 丁) = 兰晟k e x p ( 一2 0 l 。 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 、 式中 只、只。、最分别表示斯托克斯、反斯托克斯以及瑞利散 射光功率，v 表示光纤中的光速，e o 表示入射光脉冲的能量，t 表示 温度，r 为单位长度上的光散射系数，与材料和光纤几何参数有关， t 1 i 、t 1 2 、q 3 分别表示光路中各部分的光通过率，仅o 、a ，和仅彳s 分别表 示入射光、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的光损耗系数，l 表示光纤中的位置。 1 反斯托克斯光自解调的方法，具体所就是先在t = t o 时刻测量 出反斯托克斯的曲线，再在t 时刻测量出反斯托克斯曲线，这两个 曲线进行比较，就可以得出反斯托克斯曲线的变化，从而求出反斯 托克斯效应曲线。 只，( 瓦) = 争& 亡耄尝龋l a , t i y l 3 e x p 一 。+ a 爿，皿】 ( 2 - 1 7 ) 匕( 功= 争e 0f 兰尝器l y h r l y l 3 e x p 卜b 。+ 爿，皿】 ( 2 - 1 8 ) 将上两式作比较的可以得出 黑龙江科技学院硕士学位论文 p 蹦a s ( 瓦t ) i = 面e x p ( 面h a v 面k t o 汀) - 1 ( 2 19 ) 只s ( 兀)e x p 协v 七丁) 一1 、7 通过( 2 19 ) n - f i 以推算出温度分布曲线为： 丁： 丝坐 2 0 ) 卜k ln1+ex孽p(hav蔡kto一)-1p a s ( t o ) ( 2 - 2 0 )匕文j 这种方法的缺点在于，它虽然结构简单很容易实现，但是它对 系统的稳定性要求很高，系统一旦出现微小的不稳定，就会产生较 大的误差，所以一般不考虑采用这种解调方法。 2 利用斯托克斯拉曼散射光功率曲线的解调方法，此方法首先测 出整段传感光纤在t = t o 时的反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和斯托 克斯拉曼散射光功率曲线，即 ( 瓦) 2 扣五而碉1 功m 。e x p 帆皿】 ( 2 2 1 ) 只，( 瓦) = v e o e x p ( - 、h a y k t o ) 五l ，t h t l 2 r 1 3e x p 一 。+ 仪小江 ( 2 2 2 ) 将两条曲线作比较得 器= e x p ( - 川- ，- 百f a s e 枷，飞舳( 2 - 2 3 ) 然后在任意温度t 时测得反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和斯 托克斯拉曼散射光功率曲线，即 只( 耻扣五而丽1 啊r l y he x p 一( x oq 0 l s 讧 ( 2 - 2 4 ) 只，( r ) = l y e e x p ( - ，h a y k t ) 可l f l i t l 2 1 3e x p 一q 。+ 0 【4 ，江 ( 2 2 5 ) 将两条曲线作比较得 船一p ( h a y k t ) 晋e x p q s - - o a s ) l 】 ( 2 - 2 6 ) 1 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 p a s ( t ) p a s ( t o ) ：e x p ( - h a y _ k t ) ( 2 2 7 ) b ( 丁) b ( t o )e x p ( - h a v k r o ) 、 从而由( 2 2 7 ) 可反算得温度分布曲线，即 z 2 i i 再h a v t 巫。甄 2 - 2 8 ) 上一向v k 不l n 【二d 兰2 上迎】 、。7 ”。只s ( z o ) p s ( r o ) 。 这种解调方法能够巧妙的消除光源的不稳定性以及光纤传输过 程中的耦合损耗、光纤接头损耗、光纤弯曲损耗和光纤传输损耗等 所带来的影响，从而有效地消除因此传统的拉曼分布式光纤温度传 感器采用的都是这种解调方法对信号进行解调。 3 利用瑞利散射光功率曲线的解调方法 此方法首先测出整段传感光纤在t = t o 时的反斯托克斯拉曼散射 光功率曲线和瑞利散射光功率曲线，即 只，( r ) = v e o e x p ( - h a v k t ) 可l t h r h r h e x p 一 。+ 0 【加江 f 2 - 2 9 ) 乓( t o ) = - ；e o f re x p ( - 2 c t o 工) ( 2 - 30 将两条曲线作比较得 器= 型1e x p 竺( - h a 筠yk f s 辄。吨一】 ( 2 - 3 ) 最( 瓦) 一 尼毛) 一一 “。 。 然后在任意温度t 时测得反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和瑞 利散射光功率曲线，即 只，( 丁) = v e o 了一e x e p x ( p - ( 一h a 五v v k t 七丁) ) f 爿y h r h r l se x p 一b 。+ a 加) ( 2 3 2 ) 乓( t o ) = v e o r e x p ( - 2 t x o 三) ( 2 - 3 3 ) 将两条曲线作比较得 而p a s ( t ) = 五e x p 而( - h 丽a y k t ) 百f a se x p 【缸, - o t a s ) l 1 h a y k t ( 2 - 3 4 ) 乓( 丁)一e x p 【一) b 1 “ 、 得到这两条曲线后，再将二者作比较得 黑龙江科技学院硕士学位论文 榴，榴=丽exp(h丽a,kv丽o)-a(to ( 2 - 3 5 ) 乓( 丁)乓)e x p 【力v 七死) 一1 、 7 从而由( 2 3 5 ) 7 反算得温度分布曲线，即 卜面萼h 茅a y 骊 ( 2 3 6 ) 仔细比较( 2 - 2 3 ) 和( 2 3 6 ) 两式发现，两种解调方法最后得到的温 度解调曲线是完全相同的。这种解调方法既能有效地消除光源的不 稳定性以及光纤传输过程的耦合损耗、光纤接头损耗、光纤弯曲损 耗和光纤传输损耗等所带来的影响，又能提高系统的测温灵敏度【1 引。 所以是最为理想的解调方法。 2 1 6 光时域后向散射技术 早期人们就已经意识到分布式测温技术的重要性，但是由于技 术条件的限制就只能用某种特殊方式来调制集光系数和不同于散射 损耗的其它损耗机制来实现，但是这些方案只能传感有限长度( 或点 数) ，仅适用于很短距离的分布系统。对于较长距离的分布测温应用， 基于散射机理的