（电路与系统专业论文）基于虚拟仪器技术的分布式光纤测温系统的研究.pdf

摘要 摘要 分布式光纤传感技术于2 0 世纪7 0 年代被提出，经过了多年的发展与研究， 这项技术在各个领域得到了广泛应用。尤其是作为其中一个分支的分布式光纤温 度传感技术，是分布式光纤传感技术中最有发展前途的技术之一。 分布式光纤温度传感器可以在根光纤上同时测量多点的温度，利用光时域 反射技术对空间温度场进行空间定位。换言之，就是可以方便地测量空间温度场 的温度，光纤既作为传输介质，又作为传感介质。较之传统的温度测量系统，在 信号的安全性、稳定性方面有无法比拟的优势。因此，分布式光纤温度传感器可 以广泛应用于以下场合，如：易燃易爆等场合如煤矿井下的温度测量、隧道的灾 害防治及其报警系统；地下和架空高压电力电缆的热点监测和控制；各种大中型 变压器、发电机组的温度分布测量、热保护和故障诊断等。 本课题采用了美国n i 公司的l a b v i e w 8 2 的开发环境对采集来的染噪温度信 号进行去噪处理，采用时域积累平均和小波多分辨率分析相结合的方法，提取有 用的温度信号并有效地提高了信噪比。本文在分析和研究拉曼分布式光纤温度传 感器测量原理的基础上，了解了系统各部分工作器件的性能参数和选择，阐述了 系统的总体构成。 在本研究课题中，完成了系统的硬件电路设计，实现了对显示被测空间温度 场信号的采集，并研究完成了l a b v i e w 开发环境下时域积累平均和小波多分辨率 分析算法的实现，通过这两个方法的结合对采集来的信号进行去噪提取。放弃使 用传统的光谱分析仪器、示波器等设备，用虚拟仪器技术来实现部分传统仪器的 功能，并与有强大数据分析能力的m a t l a b 软件相结合，大大提高了系统的数据 处理能力，避免了复杂的分析软件编程，有效地利用了计算机资源，加快了系统 的开发速度，系统便于维护与调试，适应实际分布式温度测量系统和监控环境的 要求。 本课题的研究重点是对染噪的信号在l a b v i e w 8 2 开发平台上实现去噪处理， 并进行数据的存储和显示，提高了系统的实时性。 图 3 0 】表 1 】参 7 9 】 关键词：光纤拉曼散射；分布式测温；时域积累平均；多分辨率分析；l a b v i e w 分类号：t p 3 9 t n 2 9 安徽理：i ：人学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r es e n s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e di n 19 7 0 s ，w i t hm a n yy e a r sd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h ，t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s f 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 g ，ab r a n c ho f d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y , i so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gi no p t i c a lf i b e r s e n s i n gt e c h n o l o g i e se s p e c i a l l y t h ed i s t r i b u t e d o p t i c a l f i b e rt e m p e r a t u r es e n s o rc a nm o n i t o rm a n y p o i n t s t e m p e r a t u r ea l o n gas i n g l eo p t i c a lf i b e rs i m u l t a n e i t y , a n dt h ep o s i t i o no ft e m p e r a t u r e f i e l dc a l lb el o c a t e dw i t ho t d rt e c h n o l o g y i no t h e rw o r d s ，t h es e n s o rc a nm e a s u r et h e t e m p e r a t u r ef i e l de a s i l y , t h ef i b e ri sn o to n l yt r a n s p o r tm e d i ab u ta l s os e n s i n gm e d i a c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lt e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e m ，d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e r t e m p e r a t u r es e n s o rs y s t e mh a sa na d v a n t a g ei ns i g n a ls e c u r i t ya n ds t a b i l i t y i nv i e wo f t h e s e u n i q u ea d v a n t a g e s ，d i s t r i b u t e do p t i c a lt e m p e r a t u r es e n s o rc a nb e u s e di n f l a m m a b l ea n d e x p l o s i v eo c c a s i o n ss u c h 嬲t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nc o a lm i n e ； d i s a s t e rp r e v e n t i o na n dw a r n i n gs y s t e mo ft h et u n n e l ；i nt h eu n d e r g r o u n da n dh o ts p o t m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h eo v e r h e a dh i 曲一v o l t a g ep o w e rc a b l e s ；d i s t r i b u t e d t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , t h e r m a lp r o t e c t i o n , f a u l td i a g n o s i so fv a r i e t i e sm e d i u ma n d l a r g et r a n s f o r m s ，g e n e r a t o ra n ds oo n t h i sd i s s e r t a t i o nu s e sl a b v i e w8 2w o r k b e n c h d e v e l o p e db ya m e r i c a nn a t i o n a l i n s t r u m e n tc o r p o r a t i o n ，w i t ht h ew o r k b e n c ht h et e m p e r a t u r es i g n a lw h i c hi sg a t h e r e db y t h es e n s o rc a nb ed e n o i s e d ，c o m b i n i n gw i t ht i m e d o m a i na c c u m u l a t e da v e r a g ea n d w a v e l e tm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i sm e t h o d st h eu s e f u lt e m p e r a t u r es i g n a li se x t r a c t e da n d t h er a t i o no fs i g n a lt on o i s e ( s n r ) i si m p r o v e de f f e c t i v e l y b a s e do nt h ea n a l y s i sa n d r e s e a r c ho nt h er a m a nd i s t r i b u t e do p t i c a lt e m p e r a t u r es e n s o rp r i n c i p l e ，t h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sa n dc h o i c eo fs o m es y s t e md e v i c e sc a nb ef o u n d ， a n dt h eo v e r a l l c o m p o s i t i o n o ft h es y s t e mi sa l s od e s c r i b e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e mi s d e s i g n e d ，a n dt h e d i s p l a y i n ga n dg a t h e r i n go f t h et e m p e r a t u r ef i e l ds i g n a li sa c h i e v e d , a l s ot h em e t h o d w h i c hc o m b i n e st h ew a v e l e tm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i sa n dt i m e d o m a i n a v e r a g e a c c u m u l a t e da l g o r i t h mi nt h el a b v i e wd e v e l o p m e n tw o r k b e n c hi sa l s oc o m p l e t e d w i t ht h e s et w oa l g o r i t h m sc o m b i n a t i o n , t h eg a t h e r i n gt e m p e r a t u r es i g n a lm i n g l e d 、析t h - i i a b s t r a c t n o i s ec a nb ed e n o i s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et r a d i t i o n a ls p e c t r u ma n a l y s i si n s t r u m e n t s ， o s c i l l o s c o p e sa n do t h e re q u i p m e n t si sa b a n d o n e d ，b u tt h ef u n c t i o n so ft h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t si sa c h i e v e dw i t hv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , a n ds o p h i s t i c a t e da n a l y s i s s o f t w a r ep r o g r a m m i n gi sa v o i d e dc o m b i n i n gw i t hm a t l a bw h i c hh a sp o w e r f u ld a t a p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y ，t h es y s t e m sd a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t yc a n b ee n h a n c e dw i t ht h i s m e t h o d ，c o m p u t e rr e s o u r c e si sm a d eaf u l l u s ea n da l s os p e e du pt h es y s t e m i n o t h e r w i s e ，t h i sm e t h o dc a nf a c i l i t a t et h ea p p l i c a t i o na n dm a i n t e n a n c eo f t h et e s ts y s t e m ， i ta l s om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ea c t u a ld i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e ma n d m o n i t o r i n ge n v i r o n m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nd e n o i s i n gs i g n a li nt h el a b v i e ww o r k b e n c h , a n dd a t a s t o r a g ea n dd i s p l a yi nl a b v i e wd e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sa l s oc o m p l e t e d ，r e a lt i m eo f t h es y s t e mc a nb ei m p r o v e de f f e c t i v e l y f i g u r e 3 0 】t a b l e 1 】r e f e r e n c e 7 9 】 k e yw o r d s ：r 2 x l t l a ns c a t t e ro fo p t i c a lf i b e r ；d i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r em e a s u r i n g ；a v e r a g e a c c u m u l a t e dt i m e d o m a i n ；m u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i s ；l a b v i e w c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 3 9 t n 2 9 i i i 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 传感器的定义是：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出 信号的器件和装置【l j 。当今的传感器正朝着灵敏、精确、小巧和智能化等方向发展， 而光纤传感器这个家族不仅因为光纤材料本身具有抗电磁干扰和原子辐射、高灵 敏度、绝缘无感应的电气性能、耐水耐高温耐腐蚀的化学性能等独特的优点受到 重视，而且光纤几何形状的适应性、某些时候既传感又传光的特性( 如本文中的分 布式光纤温度传感器) 也使得它较之其他一些测量性传感器更有无法替代的优势。 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过传感光纤送入调制器，将使待 测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学特性如光强、偏j 下态等发生 变化成为被调制的信号光，经过光纤送入光探测器，解调后获得被测参数，如温 度、压力、加速度、位移等物理量。光纤传感器按照传感原理，分为传光型即非 功能型( n f f 型) 和传感型即功能型( f f ) 两种，传光型光纤传感器中光纤仅作为传播 光的介质，对外界信息的“感觉 功能靠其他功能元件来完成，入射光纤和出射 光纤之间插有敏感元件；传感型光纤传感器是利用光纤本身对被测对象所具有的 敏感能力和检测功能，集“传 和“感 为一体，这种传感器光纤不仅起传光作 用，而且还利用光纤在外界因素的作用下光学特性的变化这一特征来实现检测【z j 。 分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被 测量分布信息的能力，分布式光纤温度传感系统是一种特殊而且方便的光通信系 统，其基本特点包括：分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤，光纤既是传 输介质又是传感介质；一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图； 系统的空间分辨率一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围内的变化一般只能 观测其平均值；系统的测量精度与空间分辨率一般是一对相互矛盾的量；要求信 号处理系统具有较高的信噪比因为检测信号一般比较微弱；由于在检测过程中需 要进行大量的信号加法平均等处理，因而实现一次完整的测量需要较长的时间。 本文主要是针对拉曼散射分布式光纤温度传感器的在测量空间温度场方面展 开理论、技术和工程方面的研究。此测温系统可以实现大范围长距离多点温度的 测量，光纤铺设在整个测量空间中，可以测量光纤沿线的温度分布信息，测量点 数随着敷设光纤的增长而增加，分布式光纤温度传感器是利用光在光纤中传输时 安徽理 ：入学硕士学位论文 产生拉曼散射信号和光时域反射( o t d r ) 技术来获取温度场的分布信息，对采集来 的信号在虚拟仪器平台l a b v i e w 8 2 上实现信号的处理。 1 2 国内外研究现状 1 9 世纪7 0 年代末期r g o e r s 最早提出分布式光纤测温系统f 3 】，他提出利用后向散 射光强随温度变化来实现温度测量，这种方案被称为偏振光光时域后向散射 ( p o t d r ) 技术。 1 9 8 1 年，英国南安普敦大学罗杰斯等人首先提出了利用光时域反射原理测量 空间分布温度。 1 9 8 2 年，h a r t g o 、p a t r u e 等人研制了液态光纤分布式温度传感器，此系统能在 l s 内对一个1 0 0 m 光纤取得1 m 的空问分辨率和1 的测温精度，这一指标在所报道 的分布式光纤温度传感器系统中是相当高的，可是由于液态冰点和沸点的存在， 限制了测量范围，而且这种液芯系统在制作和使用中都不是十分方便、寿命短等 缺点，限制了这种传感器的发展，并逐渐被后来的普通全固光纤传感系统所取代。 1 9 8 3 年英 p l e s s y 雷达研究中心j p d a k i n 博士提出了利用后向拉曼散射信号 温敏原理实现分布式温度测量的思想。 1 9 8 5 年，英 h a r t g o 等人在实验室用氢离子激光器作为光源进行了分布式光纤 测温实验，同年h a r t o g 和p a y t e 分别独立用半导体激光器作为光源，研制成功了分 布式光纤温度测量系统装置，在l k m 的光纤上实现了l 的温度分辨率，7 5 m 的空 间分辨率，时间分辨率为1 8 0 s 。 1 9 8 6 年，t k a c h 提出了基于布里渊散射原理的分布式光纤测温系统，1 9 8 7 年 p a r k e r 实现了使用单根光纤对温度和压力的同时测量【6 1 。 1 9 8 7 年，英国y o r k 技术有限公司首次推出了当时最实用的基于拉曼后向散射 温敏效应的分布式光纤测温系统【7 1 。 1 9 8 9 年，h o r i g u c h i 和c u l v e r h o u s e 等人首次提出利用b r i l l o u i n 散射频移特性进行 分布式应变和温度测量。 9 0 年代初，日本藤仓公司研制的d f s - - 1 0 0 0 分布式光纤温度传感器系统在2 k m 光纤上实现了空问分辨率3 5 m ，温度分辨率3 c 的传感测量。 1 9 9 1 年，重庆大学光电精密机械研究所黄尚廉等研制成功了多模r a m a l l 分布式 光纤温度传感器系统，该系统在l k m 光纤上实现了空间分辨率7 m ，温度分辨率3 c 的传感测量。 l 绪论 1 9 9 3 年，k u r a s l a i m a 等人首先利用相干检测方法实现了基于布里渊光时域反射 分布式光纤对温度的检测，并在l1 5 7 k i n 的光纤上获得了1 0 m 的空间分辨率和3 温 度分辨率的实验结果。 1 9 9 4 年，中国计量学院光电子研究所张在宣等研制成功了f g c - - w 1 激光拉曼 分布式光纤温度传感器系统，该系统是多模工作方式，测量距离为l k m ，空间分辨 率为1 0 m ，温度分辨率为2 。c ，随后他们又分别研制成功短、中、远程三套系统， 2 k mf g c w 2 、1 0 k mf g c w 1 0 和3 0 k mf g c w 3 0 分布式光纤拉曼光子温度传感器 系统【2 】。 1 9 9 6 年，日本东京大学j a n s e n 等人研制成功拉曼分布式光纤传感器系统，并将 其应用到核工厂冷冻回路的温度监测中【引。 1 9 9 8 年m o s t a f aa h a n g r a n if a r a h a n i 和t o r s t e ng o g o u a 提出了以拉曼散射和瑞 利散射为基础的基于光频域分布式光纤测温系统，这种方法足上世纪9 0 年代出现 的一种新技术【6 】。 1 9 9 8 年，张在宣等人完成了煤炭科学研究总院重庆分院的委托，研制成功了 矿用分布式光纤火灾探测报警系统，同时还完成了国家“九五”科技攻关项目“矿 用胶带输送机光纤连续测温技术及装备的研究”1 6 j 。 1 9 9 9 年，秦皇岛海湾安全技术有限公司完成了安全报警用分布式光纤温度传 感器模块的研究工作i l 5 1 。 2 0 0 1 年，我国1 0 k m 光纤拉曼光子温度传感器系统研制成功【6 】。 2 0 0 2 年，3 0 k m 远程分布式光纤温度测量网络研究成功，使得我国在分布式光 纤温度测量领域内处于国际领先地位1 7 】。 2 0 0 5 年中电集团电子八所利用拉曼散射研制成功实现了空间分辨率为5 m ，测 温精度为1 的分布式光纤测温系纠引。 2 0 0 6 年北京迪恩康硕有限技术公司推出了工程用分布光纤测温系统。 分布式光纤温度传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并 且在短短的十几年里得到了飞速的发展。依据信号的性质，可以分为4 类1 8 l ：利 用后向瑞利散射的分布式光纤温度传感技术，利用拉曼效应的分布式光纤温度 测量系统，利用布里渊散射效应的分布式光纤温度传感技术，利用前向传输 模耦合的分布式光纤温度传感技术。基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术是 分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术，目前，该类传感器的一些产品已经 出现在国际、国内市场，并出现了一些成熟的商品化样机，最为著名的是英国y o r k 安徽理一r = 大学硕+ 学位论文 公司的d t s 8 0 ，它的空间分辨率和温度分辨率分别能达到1 m 、l ，测量范围为 4 , - - 8 k m 。 国内分布式光纤测温技术研究起步比较晚，总的来讲，国内的研究现状呈现 出如下特点：一是原理性研究的居多，分布式光纤温度传感器的工作原理是拉曼 散射的温度效应，该技术的理论和实验技术基本上已经成熟，可以比较容易的观 测到温敏现象，构成一个测量系统并不是十分困难，但是这样的系统离实际应用 的水平还有很大距离。二是技术指标相对落后，国内的系统相对国际水平在技术 指标上来说还比较差，尤其是在可靠性和空间分辨率等关键指标上还不能满足工 程应用的要求，国内一些研究分布式光纤温度传感器的单位已经开始注意这些问 题，在一些指标上正在缩小与n # i - 系统的差距【l2 1 ，如中国计量学院的系统，在监 测距离上已经达n 3 0 k m 的水平；宁波振动公司的环境温度适应范围也有突破，空 间分辨率指标已经接近2 m ，一般应用场合已经可以满足要求，2 k m 分布式光纤测 温系统已在多个大学或研究院完成实验室试制，正在试用阶段，国内一些公司已 与中科院、山大、哈工大等高效长期合作进行技术研讨l l 引，采用先进的半导体激 光技术、光纤光学滤波技术、高速光电转换及信号采集技术、大规模数字电路和 先进的计算机技术等，开发出具有自身技术特色的光纤测温系统，并已实现商品 化。另外，中外联合开发模式正在兴起，应用领域正在扩大，很多单位都在试图 将分布式光纤温度测量技术应用于各个领域，国内各个高校如重庆大学、北京理 工大学、北京航空航天大学、浙江大学和中国计量学院等对分布式光纤测温系统 的研究也在进行，中国计量学院于1 9 9 4 年研制的2 k m 分布式光纤温度传感器系统在 国内首次通过样机鉴定，并已进行小批量生产【1 4 1 。 1 3 课题研究的背景及意义 温度传感是光纤传感技术中较为活跃的研究和开发领域之一。要获得一个具 有一定跨度范围温度场的温度信息，使用传统的单点移动式或由多个单点组成的 准分布式测量方式存在难于安装、难于布线、难于维护等问题，这种监测方法监 测点间断，只检测探头接触点，测温范围较小；另外传统的检测系统的传感器易 受电磁干扰，检修维护很难，系统可靠性较低，易受外界环境如传输通道等的影 响，所以其性价比低。而这时使用完全分布式温度传感器显然是最有效的方法， 因为一根光纤可以取代大量的点式传感器，实现在线实时监测和预报，可大大降 低获取信息的成本，且分布式测温检测范围较大，光信号不受电磁干扰，耐高压 1 绪论 也没有击穿的担心，信号的传输通道换成了光纤，系统简单安全【1 5 1 。 分布式光纤温度传感器可以实时获取被测温度场的温度空间分布状态和温度 值随时间变化的信息，具有电绝缘性、抗腐蚀性、抗电磁和射频干扰、几何结构 易变性、信号传输带宽宽、防爆、防燃、信息长距离、传输损耗低等固有特性和 本质安全性。作为一种优良的低损耗传输线，光纤自身既是温度传感的功能元件， 又是温度传感的信息传输通道，传统的传感器均无法企及。点式温度传感器，只 能测试小部分区域内的温度状态，而某些特定场合，例如：空间飞行器、大型结构 件等场合迫切需要对温度场的空间分布状态进行准确测量和实时监控，虽然可以 用多个点式温度传感器的阵列进行测试，但其测试过程复杂、笨重，且不经济、 不准确、不可靠。在这种情况下分布式光纤温度测量系统就成为了首选。它已成 了目前世界上最先进、最有效的连续分布温度监测系统，并在很多领域应用【m 1 ： 1 ) 空间场所的温度监控和火情监测： 适用于地铁、隧道、桥梁、地下车库、危险品仓库、粮仓等空间的温度监测 及火灾预警。 2 ) 石油化工领域的泄露和温度监控； 适用于输油、输气管道；化工企业的流体输送管道的渗漏监测和大型油、气 密封贮藏的温度和渗漏监测。 3 ) 电力装置的温度监测； 适用于高压输电、配电电缆，动力电缆( 尤其是连接处) 、高压变电柜等电力设 施的温度检测及火灾预警。 4 1 水利工程的渗漏和温度监控； 适用于大坝、堤坝、堤岸场合的渗漏监测；大坝混凝土固化温度的监控和面 板长期的温度监控。 5 ) 港口动力装卸设备的温度监控； 适用于港口皮带长廊、推车机、定位车、翻车机的动力装卸设备的温度监测 及火灾预警。、 6 ) 地下探测； 适用于探测地热电厂、地热井的水流和温度的变化来取得相关信息；监控地 下水位和水的纯度；其他地质勘探的应用。 7 1 场、矿的温度检测； 适用于监测废料、物料堆放场、各类矿场的温度分布和变化，检查废物、污 安徽理l ：大学硕士学位论文 水处理场密封层的泄露，对环境保护有重要意义。 1 4 本论文主要研究内容 1 ) 在理论研究方面，通过自主独立的查阅大量中英文文献，对分布式光纤温 度传感技术的理论和应用问题进行了较为全面和系统的阐述，并分析了拉曼散射 温度测量系统的结构组成，对组成结构的各部分元器件进行了介绍和优化设计分 析。 2 ) 将虚拟仪器技术引入分布式光纤温度测量系统，利用l a b v i e w 8 2 开发平台 实现信号的采集、处理、存储和显示，提高了系统的实时性。 3 ) 针对分布式光纤温度传感系统采集信号的特点采用时域叠加平均和小波变 换方法相结合的后期信号处理方案，对拉曼散射信号进行降噪处理，提高了信噪 比。通过分析叠加平均算法和小波变换算法的原理，将其用于信号消噪并用在虚 拟仪器丌发环境下实现。 4 ) 采用m a t l a b 7 0 编程语言编写了小波多分辨率分析程序，实现了在 l a b v i e w 中调用m a t l a b 程序。 2 分布式光纤温度传感器基础理论 2 分布式光纤温度传感器基础理论 2 1 拉曼散射光纤温度传感原理 1 9 3 0 年来自印度加尔各答大学的拉曼( s i r c h a n d r a s e k h a r av e n k a t ar a m a r l ) 研 究了光的散射发现了以自己名字命名的定律一拉曼效应，并因此获得诺贝尔奖。 在光的散射中有一种特殊效应，和x 射线散射的康普顿效应类似，光的频率在散 射后会发生变化，频率的变化决定于散射物质的特性。 当光纤中传送某一波长的光波时，光子的传播会与构成光纤的介质发生相互 作用，即振动的分子与传播的光子间发生能量的转移与传递。激发光子与光纤分 子的相互作用，分为弹性碰撞和非弹性碰撞f i7 1 。弹性碰撞过程中，光子与分子间 不交换能量，只改变光子的运动方向但不改变激发光子的波长( u o 光子的能量) ；在 非弹性碰撞中，光子与分子间的相互作用存在着能量交换【l 引，光子可以释放或吸 收声子，在频域上表现为斯托克斯光子和反斯托克斯光子。光子与分子的相互作 用可用分子能级图来表示，如图1 所示， l l h c y o h c 一y 1 垃i + a y ：托 1 f l k y 1r r 虚态 图1 拉曼散射能级示意图 f i g 。1e n e r g yl e v e ld i a g r a mo fr a m a ns c a t t e r i n g 互、岛分别表示分子振动的基态和激发态两个能级。这两个能级之间相差 h c a y ，即易= 与+ h c a y 。假设注入光纤的激光频率为，光子的能量为h c y o ， 当分子从基态巨被激光光子激发到能级为置+ 加的虚态，又回到能级骂；或分 安徽理1 j 犬学硕： = 学位论文 子从能级e 被激发到能级为最+ h c y o 的虚态，又回到能级易，散射出频率为的 光子，这一过程称为瑞利散射，即瑞利散射光子与入射光频率相同。能级为巨的 分子被激光光子激发到巨+ 加的虚态，然后回到能级岛( 易= 巨+ h c a y ) ，散射 出频率为一y 的光子时的散射称为斯托克斯散射；而原来处于能级e 的分子被 激光光子激发到巨+ h c y o 的虚态，然后回到能级巨( 巨= 最一h c a y l ，散射出频率 为+ 7 的光子，这种散射称为反斯托克斯散射。在一般情况下大多数分子处于 基态( 巨能级) ，只有少数分子可能处于受激态( e 能级，服从玻尔兹曼分布) ，所以 在自发拉曼散射中，发生低频移斯托克斯散射要比发生高频移反斯托克斯散射的 几率高e m 灯倍。光纤中最强的散射是瑞利散射，但它也只有约入射光的4 5 d b ，斯 托克斯和反斯托克斯光跟瑞利散射光相比更微弱，一般情况下，斯托克斯光比入 射光小约6 个量级，而反斯托克斯光比入射光小约7 个量级。 受激拉曼散射【l5 】是当入射光的激光强度足够强时，斯托克斯谱线的强度开始 比例于自身增长，具有明显的受激特性。它具有与自发拉曼散射不同的特点：具 有明显的阈值、极好的方向性等，其本质是入射光与斯托克斯光之间的相互耦合 引起这两个光波之间的有效能量转移，整个过程满足动量守恒和能量守恒，可是 对于分布式光纤测温系统来说来讲，反斯托克斯光与斯托克斯光功率之比与光纤 所处环境的温度无关，即受激拉曼散射在分布式光纤测温系统中是无用的，具有无 法遏制的缺点，所以要控制好入射光纤泵浦光功率的大小，使之小于这个受激拉 曼散射的阈值功率，以抑制光纤受激拉曼散射的产生1 2 1 】。 我们可以简单的将拉曼光谱示意图表示如图2 ： 兀 光 1 + a y y o y o a y 图2 拉曼光谱示意图 f i g 2r a m a ns p e c t r u m 2 分布式光纤温度传感器基础理论 2 1 1o t d r 技术 分布式光纤温度传感是斥 o t d r 技术实现分布式测量的【1 8 】，o t d r 分布式测量 技术于1 9 7 7 年首先由b a r n o s k i 提出来，其工作原理和雷达的工作原理很相似，o t d r 技术中主要的器件包括激光光源、耦合器、接收器、数据采集和处理等，当一束 窄光脉冲通过定向耦合器进入光纤中，由于光纤中折射率的微光不均匀性的存在， 在光脉冲的传播过程中会连续产生后向散射。光时域反射原理图如图3 所示： 图中，传播通道和接收通道为同一根总长度为三的光纤，考虑距离激光源，的 光纤前端，处，长度为讲的一段光纤。能量磊、持续时间为a t ( 假设为矩形) 的泵 浦脉冲光从f 端注入光纤后，以速度v ( v = c n ，c 为真空中的光速，n 为纤芯折射 率，般n = 1 5 ) 在传输通道中传输，传播到l r - - - - 9 , ，+ 刃段：一部分能量a d z 被损耗( 口 为入射光的单位长度上的损耗系数) ，一部分能量矿被耦合到接收通道，然后以速 度v 回到光电探测器f 处( r 为单位长度上的光后向散射系数，p 为后向散射因子) 。 a t 图3 光时域反射原理图 f i g 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fo p t i c a lr e f l e c ti nt i m e - d o m a i n 假定光纤是均匀的，即t ；t 、f 与光纤位置无关，同时还假定光纤在泵浦光波长 和散射光波长的损耗系数相等，经过传输通道，专，+ 刃段，光能量损失可表示为： d e r ( o e , ( ，) = - c d ( 2 _ 1 ) 积分得： 易( ，) = e oe x p ( - 口1 ) ( 2 - 2 ) 安徽理ji ：大学硕十学位论文 因而从，_ ，+ 讲段耦合进接收通道的能量为： 峨( ，) = 矿e oe x p ( - c d ) d l 【2 3 ) 式( 2 3 ) 表示的能量沿着传输通道传输，经过t 时刻距离，后到达f 处，被光 电探测器探测， f ：型：生( 2 - 4 24 】 f = 一= 一 i ，c 将【2 4 ) 带入( 2 3 ) 得此时光电探测器探测到的能量为： 饵( w ) = 鹏e x p ( 吨w ) 去西 ( 2 5 ) 式中峨( w ) 西表示f - - - t + d t 期间的平均功率，因此： e ( t ) = y i p f e oe x p ( 一口w ) ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 将接收的光功率表示为时问的函数，由( 2 4 ) 可知，不同的时问对应着 光纤上不同的位置，也就是说光探测器探测到的光功率是光纤位胃的函数，那么 不同光纤位置，处的光功率均可被探测器探测到1 7 】。随着，逐渐增加，光电探测器 就实现了对沿着光纤分布待测温度场的空间分布式测量。 2 1 2 光纤中自发拉曼散射的温度效应 由上节的( 2 6 ) 可知，拉曼分布式光纤温度传感器是通过光电探测器探测自 发拉曼散射的光功率来实现温度信号采集的n 8 】，在推导公式( 2 6 ) 时，是假定了 光纤在泵浦光波长和散射光波长的损耗系数相等的。但实际中由于泵浦光波长和 拉曼散射光波不相同，两者在光纤中的损耗系数并不相等。将( 2 4 ) 式带入( 2 6 ) 式，可得到光探测器探测到的自发拉曼散射光的功率公式： ( ) = 罢既1 1 r 磊e x p ( 一+ ) 三 ( 2 7 ) 前文提到，拉曼散射光分为斯托克斯光和反斯托克斯光，两者的频率不同， 对于这两种不同频率的光，式( 2 6 ) 中对应的参数后向散射因子p 、单位长度上 的光后向散射系数1 1 以及入射光单位长度上的损耗系数口各不相同。 斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光的功率公式如下： 斯托克斯拉曼散射光功率公式： 2 分布式光纤温度传感器基础理论 e s ( t ) = 罢只r ，e oe x p ( - a o + ) ( 2 8 ) 反斯托克斯拉曼散射光功率公式： e s ( ) = 罢p 您r 街e o e x p ( - a o + 眵艇) ( 2 9 ) 在式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 中，各参数的意义如下： ：光探测器探测到的拉曼散射光； 只：斯托克斯散射光功率； 只s ：反斯托克斯散射光功率； 磊：入射泵浦光脉冲的能量； 办：拉曼散射光在光纤中的后向散射因子； 风：斯托克斯拉曼散射光在光纤中的后向散射因子； a s ：反斯托克斯拉曼散射光在光纤中的后向散射因子； r p ：拉曼散射光在光纤中单位长度上的后向散射系数； r 。：斯托克斯拉曼散射光在光纤中单位长度上的后向散射系数： f 髂：反斯托克斯拉曼散射光在光纤中单位长度上的后向散射系数； ：入射泵浦光在光纤中单位长度上的损耗系数； 口。：斯托克斯拉曼散射光在光纤中单位长度上的损耗系数； t ；t a s ：反斯托克斯拉曼散射光在光纤中单位长度上的损耗系数； ：光纤的长度( 未考虑整个光路上各光学部件的插入损耗) 。 根据爱因斯坦的光子理论，式( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 中的斯托克斯光和反斯托克斯 光的后向散射因子风、分别为： 斯托克斯拉曼散射光后向散射因子： 风。而丽1 2 删 反斯托克斯拉曼散射光后向散射因子： p 。：e x p ( - z 皿k t ) ( 2 11 ) 办s 。l - e x p ( - m v k r ) 。z 。 式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 中a e 为光纤上、下能级能量差；k 为玻尔兹曼常数；t 为光纤某探测位置处的绝对温度。 由式( 2 8 ) 、 ( 2 - 9 ) 、 ( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可知，拉曼散射光功率在入射 安徽理：r 大学硕十学位论文 泵浦光、光纤光路、探测位置一定的情况下，拉曼散射光功率只受该探测位置处 温度丁的影响。进一步进行分析：斯托克斯拉曼散射光虽然也受温度影响，但受影 响幅度非常小，而反斯托克斯拉曼散射光则受温度影响的幅度非常大，因此实际 的温度信号便由光纤中的反斯托克斯拉曼散射光携带。这就是光纤中自发拉曼散 射的温度效应，拉曼分布式光纤温度传感器正是基于该物理原理来实现的。 2 2 拉曼分布式光纤温度传感器系统结构 分布式光纤温度传感器系统是一个光、机、电、计算机一体化的系统，涉及 激光技术、光纤技术、光谱技术、弱信号监测处理技术和计算机技术等多种技术【1 8 1 。 系统由主机、软件和传感光纤三部分组成，如图4 ，其测温原理是上文中提到的基 于o t d r 技术。 图4 分布式光纤温度传感器系统构成 f i g 4s t r u c t u r eo fd i s t r i b u t e do p t i c a lt e m p e r a t u r es e n s o rs y s t e m 系统的工作原理如下：半导体激光器的驱动电源发出周期性的脉冲电信号， 以一定的频率驱动半导体激光器工作，半导体激光器发出一定频率的脉冲光功率， 激光脉冲经过定向l 3 双向耦合器耦合进放置在待测温度场的传感光纤中。耦合器 的一路为激光脉冲沿着测温光纤向前传播的通道，另外两路分别是斯托克斯光和 反斯托克斯光的回波通道。传感光纤中传播的光脉冲，在传播过程中各点位置上 引发的散射光( 斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光) 中的后向散射部分 2 分布式光纤温度传感器基础理论 再次经过光纤传输通道进入耦合器耦合到接收通道，通过分光器滤掉能量相对较 强的瑞利后向散射光，分离出载有温度信息的反斯托克斯后向散射光和参考用的 后向斯托克斯光，分别被光电接收器a p d 进行光电信号转换，再经过放大后，由 数据采集卡采集进入计算机，在计算机上用虚拟仪器平台开发环境构建虚拟面板 对采集信息进行信号处理，配合软件，处理并显示，得到被测温度场的温度信息， 完成待测空间场的分布式温度测量。 2 3 分布式拉曼散射系统的温度解调 专家学者们经过实验研究发现玻璃( 组成光纤的主要成分) 的瑞利散射系数的 温度灵敏度极其微弱，因此构建基于瑞利散射的全分布式光纤温度测量系统实现 温度测量是比较困难的。本课题基于后向拉曼散射的分布式光纤测温系统，是用 s t o k e sr a m a l l 散射o t d r 曲线来解调a n t i s t o k e sr a m a r l 散射o t d r 曲线实现温度信 号的解调，然后将两路信号的强度相比来提取温度信息【l9 1 。首先测出整段光纤在 某一时刻t = t o 时的a n t i s t o k e sr a m a n 散射光功率曲线和s t o k e sr a m a n 散射光功率 曲线，即 f e 二x ；p 五( 再- j h 磊a 碉v k t o ) r s 一( a 。+ a 魑) 三 ( 2 一1 2 ) - e x p ( - h a v k t o ) f se x p - ( 0 。+ a 彳s ) 三 将两条曲线作比较得