（通信与信息系统专业论文）拉曼型光纤温度传感系统信号处理的研究与实现.pdf

声明尸明 l i i ii i ii iii ii i ii ii ii il 17 8 5 9 7 4 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文拉曼型光纤温度传感系统信号处理的 研究与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 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。 学位论文作者签名：缅堕垒日期：型! ：兰：! 至 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：煎数 日期： 垄! 里：笸：1 3 导师签名： 日期：型! 望! 匆! 13 l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 分布式光纤温度传感技术是一种用于实时测量空间温度分布的高新技术，是目 前传感领域研究的一个热点。本文综述了分布式光纤温度传感技术的研究现状，深 入研究了拉曼散射的基本理论，设计了一套基于自发拉曼散射原理的温度传感系 统，搭建了光路部分与光电转换部分的实验系统，研究了传感光纤和功率对信号的 影响；给出了信号采集与处理系统的总体设计框图，编程实现了信号采集、去噪处 理、温度解调和图形显示等功能，完成了整个系统的设计与实现。针对数字累加平 均算法存在的问题，引入了小波分析的方法，仿真验证了不同小波去噪方法的去噪 效果，采用了将现有的累加平均算法与小波变换模极大值相结合的方法对信号进行 处理，缩短了系统的测量时间，改善了系统的性能指标。 关键词：拉曼散射，光纤传感，信号采集与处理，小波模极大值 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 yi sah i g h t e c hf o rt h e r e a l t i m em e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r e ，w h i c hi sh o ti ns e n s o rf i e l d t h e r e s e a r c h c o n d i t i o no fd 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 yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r d e e p r e s e a r c hi st a k e no nt h ep r i n c i p l eo fr a m a ns c a t t e r i n ga n dat e m p e r a t u r es e n s i n gs y s t e m b a s e do nt h es p o n t a n e o u sr a m a ns c a t t e r i n gi sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo f o p t i c a lp a r ta n dt h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o np a r ti sb u i l tt os t u d yt h ee f f e c t so fs e n s i n g f i b e ra n dp o w e ro nt h es i g n a l t h ed i a g r a m i sg i v e n ，a n dt h ef u n c t i o n so fa c q u i s i t i o n ， o fs i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m d e n o i s i n g ，t e m p e r a t u r ed e m o d u l a t i o na n d g r a p h i c sa r er e a l i z e d t h es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n da c h i e v e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h ep r o b l e m so fc u m u l a t i v ea v e r a g ea l g o r i t h m ，t h ew a v e l e ti si n t r o d u c e d ，a n dt h ee f f e c t s o fd i f f e r e n tw a v e l e td e - n o i s i n gm e t h o d sa r ev e r i f i e db ys i m u l a t i n g ，am e t h o dc o m b i n e d w i t hc u m u l a t i v e a v e r a g ea l g o r i t h ma n dw a v e l e tm o d u l u sm a x i m u mi sp r o p o s e d ， s h o r t e n i n gt h es y s t e m sm e a s u r e m e n tt i m ea n di m p r o v i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e j i a ny a n h o n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f h o us i z u k e yw o r d s ：r a m a ns c a t t e r i n g ，f i b e ro p t i c a ls e n s o r ，s i g n a l a c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g ，w a v e l e tm o d u l u sm a x i m u m ( ，j l 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 i 1 1 选题背景及研究意义1 、 1 2 分布式光纤温度传感技术的国内外研究现状2 1 3 拉曼型光纤温度传感系统的信号处理技术3 1 4 论文的主要内容4 第二章拉曼散射的基本理论5 2 1 光纤中的散射5 2 2 拉曼散射的基本原理6 2 2 1 拉曼散射6 2 2 2 拉曼散射理论7 2 3 传感光纤中的拉曼散射理论分析8 2 3 1 反斯托克斯光随入射光变化的分析8 2 3 2 入射光功率的阈值9 2 4 本章小结1 0 第三章拉曼型光纤温度传感系统的总体设计及实验分析11 3 1 系统的测量原理l l 3 1 1 光时域反射原理1 1 3 1 2 自发拉曼散射的温度效应1 1 3 2 系统的组成及传感原理1 2 3 3 系统设计中关键器件的选型原则1 3 3 3 1 激光器1 3 3 3 2 波分复用器1 4 3 3 3 光电检测系统1 5 3 3 4 传感光纤1 5 3 3 5 高速数据采集卡1 6 3 4 系统的主要技术指标1 6 3 5 光路部分与光电转换部分的实验测试及结果分析1 9 3 5 1 激光脉冲及拉曼散射信号的实验测试2 0 3 5 2 传感光纤对信号产生影响的实验测试2 1 3 5 3 功率对信号产生影响的实验测试2 2 华北电力大学硕士学位论文目录 3 5 4 实验结果分析2 4 3 5 5 实验过程应注意的问题一2 4 3 6 本章小结2 5 第四章信号采集与处理系统的设计与实现2 6 4 1 信号采集与处理系统的总体设计框图2 6 4 2 拉曼散射信号的采集2 7 - 4 2 1 高速数据采集卡2 7，一一- i 4 2 2 高速数据的采集方式2 81 4 2 3 采集卡的驱动函数2 8 4 3 拉曼散射信号的去噪处理2 9 4 3 1 线性累加平均2 9 4 3 2 递推式累加平均3 0 4 4 温度信号的解调3 1 4 4 1 常见的温度解调模式3 l 4 4 2 实际的温度解调方法3 2 4 5 系统软件部分的设计3 4 4 6 实验结果与分析3 6 4 7 本章小结4 1 第五章小波模极大值在拉曼型光纤温度传感系统中的应用4 2 5 1 数字累加平均算法存在的问题4 2 5 2 小波变换的基本理论4 4 5 2 1 连续小波变换4 4 5 2 2 离散小波变换4 4 5 2 3 多分辨率分析4 5 5 2 4 小波变换的去噪原理和方法4 6 5 3 基于小波变换模极大值的去噪处理4 8 5 3 1 小波变换模极大值法的基本原理4 8 5 3 2 小波变换模极大值法的算法实现4 9j 5 4 仿真结果与分析5 31 j 5 5 本章小结5 7 第六章结论5 8 参考文献5 9 致谢6 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 4 i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及研究意义 第一章引言 当代科技飞速发展，温度作为检测与控制的重要参数越来越受到人们重视。对 、，于现代化工业的今天，温度信息的获取有着更加实际的意义。以电信号为工作基础 。的传统温度传感器，如热电偶、热敏电阻等的发展已经非常成熟，它们以其结构简 单、测量精度高、成本低等特点被广泛应用。但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合 下，基于电信号测量的传统温度传感器在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限 制【l 】。由于光纤具有抗电磁干扰、防燃、防爆、尺寸小及对测量目标影响小等优点， 使得光纤传感技术获得了飞速发展。 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速 发展起来的新型传感技术。随着光纤技术与光纤传感理论的研究与发展，科研人员 开始提出温度的分布式测量。分布式光纤温度传感技术以其对沿光纤分布的温度场 可连续、实时测量的特点成为光纤传感技术中较为引人瞩目的一项新技术。 所谓的分布式光纤温度传感技术，就是利用光纤在整个连续的光纤长度上，以 距离的连续函数传感出沿光纤方向的温度分布【2 】。点式的光纤温度传感器只能测试 一小部分区域内的温度信息，远远不能满足现在许多工程的需要。某些特定的场合 迫切地需要对温度场的空间分布状态进行准确地测量和实时监控。虽然点式的温度 传感器阵列可以测量，但其测试过程复杂、且不经济、不准确、不可靠。而分布式 光纤温度传感器仅以一条光纤作为传感器，就能在一定时间内对多个测温点进行监 控，能提供连续、不间断的测温，单位信息的获取成本大使大降低，同时使对温度 场，特别是大型机构温度场的准确测量和实时控制变为可能。该类传感器的出现对 基于电信号测量的传统传感器和点式的光纤温度传感器无疑是一场革命，使其达到 了一个新的水平。 由于其在电力工业【3 ，4 1 、石油化工【5 1 、航空航天工业、核工业、温度过程控制、 复合材料制造等领域都有着巨大的应用潜力，从2 0 世纪8 0 年代开始，世界上许多 ，国家都投以巨资开展这方面的研究与产品开发。在光电子技术、计算机技术和微电 子技术的发展带动下，分布式光纤传感技术迅速发展，从理论研究走向产品化，解 决了许多特殊场合下其它传感器难以胜任的测量难题，是目前传感领域研究的一个 热点。 拉曼型光纤温度传感系统集诸多优点于一身，通过反斯托克斯信号与斯托克斯 信号的光强之比就可以解调出待测区域的温度分布，原理简单、应用广泛。但由于 l 华北电力大学硕士学位论文 该传感器是基于后向自发拉曼散射原理进行测温，信号非常微弱。因此，通过改善 分布式光纤温度传感系统的信号处理方法来提高整个系统的测温精度具有十分重 要的意义，它能使系统实现真正的分布式测量。 1 2 分布式光纤温度传感技术的国内外研究现状 目前分布式光纤温度传感系统的研究主要集中在以下三个方面：基于瑞利散射 的传感技术，基于布里渊散射的传感技术，基于拉曼散射的传感技术。 基于瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤温度传感技术的基础，它在8 0 年 代初得到了广泛地发展。该类传感器尽管在较短的传感距离上曾获得不错的实验结 果，但由于其使用液体纤芯，制作和使用十分不便，测温范围非常有限，且不能保 证寿命，已被淘汰。目前，基于瑞利散射的传感技术主要用于光纤损耗和光纤断点 的检测【6 1 。 基于布里渊散射的传感技术是近几年发展起来的高新技术，由于布里渊散射信 号的频移和强度受光纤所处环境的温度和应变影响，所以通过测量布里渊信号的强 度或频移就可以得到温度和应变的分布信息。自1 9 8 9 年，h o r i g u c h i 7 1 和c u l v e r h o u s e j 等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性作为分布式应变和温度传感以来，国内 外开展了许多卓有成效的研究工作，取得了许多可喜的成绩。但由于布里渊散射和 瑞利散射在频谱上靠得非常近，比较难以分开，同时布里渊散射受应力等其他因素 的影响比较大，该系统在制造和使用上既复杂又昂贵，目前商用的产品相对较少， 其实用化还需经历长时间地发展。 基于拉曼散射的传感技术是目前分布式光纤温度传感技术中最为成熟的一项 技术。自1 9 8 5 年，j e d a n k i n t 9 】等人首次利用光时域反射技术和自发拉曼散射温度 效应实现分布式测温以来，该技术取得了很大的进展。1 9 8 7 年，y o r k 公司首先推 出了其商品化的产品，随后日本的藤仓公司、住友电器，英国的k e n t 大学等机构 纷纷推出了自己的成果，使分布式光纤温度测量技术迅速成为一个研究热点。这些 年，y o r k 公司一直保持在该技术领域的领跑位置，在光电接收器件方面很有特点， 其产品在很多部门和领域都有应用，具有相当的权威性。随着光纤技术的日趋成熟， 现有的研究工作主要集中在系统性能的提高和应用领域的扩展方面。 在国内，重庆大学于1 9 8 7 年率先开展了分布式光纤温度测量技术的研究【l ， 取得了大量的实践经验和重要成果。中国计量学院在国家自然科学基金的资助下， 于1 9 9 3 年开始进入该领域的研究，1 9 9 4 年便研制成功f g c w 1 拉曼分布式光纤温 度传感系统f l l j 。随后，他们又研制成功短、中、远程三套系统，分别是f g c w 2 ， f g c w l o 和f g c w 3 0 ，其中，f g c w 3 0 系统达到国际先进水平【1 2 】。此外，电子科 2 华北电力大学硕士学位论文 技大学【1 3 】，山东大学【1 4 1 ，清华大学【”】等院校也对此系统进行研究。随着该技术应用 市场的日益成熟，国内一些公司开始代理国外公司的类似产品，但有自己产品的公 司不多，其中宁波振东光电有限公司在该产品的稳定性研究方面处于领先地位，已 在电厂、水坝等领域获得成功应用。目前国内的研究现状具有如下特点：( 1 ) 技术 指标相对落后，尤其是在可靠性、稳定性和空间分辨率等关键指标上还不能满足工 程应用的需要；( 2 ) 代理商正在崛起；( 3 ) 中外联合开发模式正在兴起；( 4 ) 应用 领域【l6 j 正在扩大。 1 3 拉曼型光纤温度传感系统的信号处理技术 随着光纤技术的日趋成熟，科学人员开始大力开展现有分布式光纤温度传感系 统性能提高的工作。拉曼型光纤温度传感系统的信号特别微弱，完全被淹没在噪声 中，给信号的检测与处理带来很大困难。因此，有用信号的采集与处理直接影响系 统性能指标的优劣。 传统的信号处理是采用增加累加次数的方法来提高系统的性能指标，累加次数 越多，信噪比改善越好。但大量的累加会增加系统的测量时间，不适用于快速变化 的温度场，影响系统的实际应用。小波分析是在傅里叶变换的基础上发展起来的一 种新型信号分析方法，具有多分辨分析的特点，能够对信号的任意细节进行多分辨 率的时频域分析，被誉为“数学显微镜”。在信号处理领域，小波去噪方法得到了 越来越广泛的应用。针对数字累加平均算法存在的问题，本课题引入了小波分析的 方法。 目前常用的小波去噪方法有：强制消噪法n7 l 、非线性小波变换阈值法和小波变 换模极大值法n 引。强制消噪法简单，重构后的信号比较光滑，但容易丢失信号的有 用成分。非线性小波变换阈值法可分为软阈值和硬阈值两种，硬阈值法重构后的信 号会产生振荡，同时也会造成高频信号的损失；而软阈值法重构后的信号比较光滑， 但有着较大的失真。小波变换模极大值法是根据信号与噪声在不同尺度上模极大值 的不同传播特性，剔除由噪声产生的模极大值，保留信号所对应的模极大值，然后 利用所余模极大值重构信号。其优点是在去噪的同时，可以有效地保留突变信号， 而且去噪后的信号没有多余振荡，是原始信号一个很好的估计。此外，该方法去噪 效果非常稳定，对噪声的依赖性较小，无需知道噪声的方差，对低信噪比的信号更 能体现其优越性。由于自发拉曼散射信号随光纤所处环境温度的变化而变化，会产 生较多的突变信号，因此本文采用基于模极大值的小波去噪方法。 虽然小波去噪方法可以很好地去除信号中的高频噪声，但其对低频信号或瞬时 脉冲信号的去噪效果并不理想，且随信噪比的降低其去噪效果会下降。因此，本文 3 华北电力大学硕士学位论文 将现有的累加平均算法与小波变换结合使用，不仅解决了测量时间长的问题，同时 现有的去噪方法可以弥补小波去噪的不足，两者结合使用是提高去噪不可忽略的重 要途径【19 1 。 1 4 论文的主要内容 整个课题的研究中，需要完成拉曼型光纤温度传感系统的理论研究和系统设 计，重点对系统的信号处理进行分析。本文的研究内容主要包括以下几个方面： 首先，深入研究光纤中拉曼散射的基本理论和基于拉曼散射原理的分布式光纤 温度传感系统的传感机理，主要包括光纤中的散射，拉曼散射理论，系统的测量原 理光时域反射原理和自发拉曼散射温度效应，系统的传感原理，系统的主要技 术指标及温度信号的解调等。 其次，在理论分析的基础上，设计一套基于自发拉曼散射原理的分布式光纤温 度传感系统；搭建实验系统，完成系统光路部分和光电转换部分的实验测试，研究 不同因素对系统所产生的拉曼散射信号的影响。 再次，完成信号采集与处理系统的设计与实现，给出系统的总体设计框图，编 程实现信号采集、去噪处理、温度解调及图形显示等功能，完成整个系统的传感实 验。 最后，针对现有去噪方法的不足，给出一种新的信号处理方法对系统进行优化。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章拉曼散射的基本理论 光纤中的拉曼散射理论是一个很复杂的问题，它的研究为分布式光纤温度传感 系统奠定了传感的理论基础。因此，对拉曼散射其产生的机理进行理论分析是很有 必要的，它为基于自发拉曼散射原理的温度传感系统的设计作了理论上的铺垫。 2 1 光纤中的散射 光与介质相互作用时，会有以下三种情况【2 们，如图2 1 所示 jj l 夯质 |1 |l r | 互= e oe x p ( c o t k r )e o = 毛。e x p ( c o t - k ，) 图2 1 光与介质相互作用的三种情况 ( 1 ) 若介质是均匀的，且不考虑热起伏，光通过介质后，不发生任何改变， 沿原光波( 电磁波) 传播方向进行，与介质无任何作用。 e o = e o ，国= 缈，k = 后 ( 2 ) 若介质不是很均匀( 有某种起伏) ，光波( 电磁波) 与其作用后被散射到 其它方向，只要该起伏与时间无关，散射光的频率不会发生变化，只是波矢方向受 到偏射，这就是弹性散射。 鼠e o ，缈= 缈，k k ( 3 ) 若介质中的不均匀性随时间发生变化，光波( 电磁波) 也随着这些起伏 交换能量，使散射光的能量发生变化，即频率发生了改变，这就是非弹性散射。 e o e o 。，力彩，k k 光散射是以介质的不均匀性为前提的。当光通过介质时，大部分光将毫无改变 地透射过去，有一部分会偏离原来的传播方向而散射开来。光散射的特性与介质的 成分、结构、均匀性及物态变化有密切关系，宏观上可认为是由介质的光学不均匀 华北电力大学硕士学位论文 性或折射率的不均匀性引起的。 光在光纤中传输时会产生三种散射：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，如图 2 - 2 所示。其中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，频 率与入射光的频率相同，而布里渊散射和拉曼散射是由非弹性碰撞引起的。 光 强 1 0 图2 - 2 散射光的频谱分布图 2 2 拉曼散射的基本原理 2 2 1 拉曼散射 波长兄 1 9 2 8 年印度科学家拉曼发现：光与液体分子相互作用，在入射光频率的两侧 会出现新的谱线，这一现象称为拉曼散射效应。拉曼散射是光在光纤中传输时，与 光纤中不规则的微观粒子发生非弹性碰撞产生的。散射过程中，散射光的频率发生 了变化，这意味着粒子能级的跃迁。这个能级跃迁可以是下能级到上能级的跃迁， 频率发生正的移动( 频率变大) 对应的散射称为反斯托克斯散射，反之发生负的频 率移动( 频率变小) 对应的散射称为斯托克斯散射，且这种频移量的绝对值是相等 的，恰好等于介质的振动频率，取决于传输光的介质的组成材料，不同的物质具有 不同的频移波数。其可表示为 _ 1 ：- 4 i - ，, 1 1 1 ( 2 - 1 ) 一= 一，、 z - i ， 屯。厶 6 华北电力大学硕士学位论文 石12 石1 一y 一= 一一，、y 五磊 ( 2 2 ) 式中：气为入射光波长，a y 为拉曼频移波数，乞为反斯托克斯光波长，以为 斯托克斯光波长。也可以表示为 = v o + a v 屹= v o a v ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 式中：a v = c a ) ，为入射光频率，为反斯托克斯光频率，匕为斯托克斯光 频率，1 ，为拉曼频移量。 2 2 2 拉曼散射理论 由电磁场理论可知，由于光纤纤芯介质材料密度的微观变化和成分起伏等因素 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线性碰撞。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，这一过程称为 拉曼散射。 从量子理论观点来看【2 1 , 2 2 】，拉曼散射是由光子的非弹性碰撞产生的。光子与分 子的相互作用可用分子能级图来表示，如图2 3 所示，巨、e 分别表示分子振动的 两个能级，两个能级之间相差h a y ，即e = 臣 4 - h a y 。注入光纤的激光频率为，光 子的能量为 v 0 ，当分子从能级五被激光光子激发到能级为巨+ 厅的虚态，又回到 能级e ；或分子从能级e 被激光光子激发到能级为巨+ h v o 的虚态，又回到能级e ， 散射出频率为的光子，这种过程散射的光称为瑞利散射光。当能级为骂的分子被 激光光子激发到巨+ | j 1 的虚态，然后回到能级丘( 丘= 巨+ h a y ) ，散射出频率为 一1 ，的光子，这种过程散射的光称为斯托克斯光；而原来处于能级e 的分子被激 光光子激发到丘+ h a y 的虚态，然后回到能级e ( 互= 丘一h a y ) ，散射出频率为 + 1 ，的光子，这种过程散射的光称为反斯托克斯光。 斯托克斯散射时，分子的初态为基态( e 级) ，而对于反斯托克斯散射时，分 子初始为激发态( e 级) ，有较高能级，这些高能态上粒子的布居数随着能量的增 加而指数减少。因此，斯托克斯通常比反斯托克斯要大几个数量级。而瑞利散射对 应的过程系统的能量状态没有发生改变，它使一个能量为办的入射光子发生湮灭， 同时产生一个能量与入射光子相同的j 1 1 散射光子，没有频率的改变，发生这种散 射的概率是最大的。 7 华北电力大学硕士学位论文 e 2 e l 厦态争； 。l ； ； ： h ( v o + 知) 、 l | | h ( v o a v ) l i h v o | i | h v o ： i o + ； y1 l 1 1 ， ： 7 ； 1r1 v o _ a v 斯托克斯 y o 瑞利散射 y o + a 1 ， 反斯托克斯 图2 3 拉曼散射过程的能级示意图 2 3 传感光纤中的拉曼散射理论分析【2 s 】 2 3 1 反斯托克斯光随入射光变化的分析 对于分布式光纤温度传感工作波长范围内1 2 4 jj , = q = 口，则 北，= 瓮舞 纰) = 篙 们，竿卜 式中，q ( 昂) 是随入射光功率变化2 5 1 ，b 为一常数，表示为 6 ：凡g o 1 - e x p ( - a z ) 丸口彳 令人= 拿：竖，多数情况下6 1 ，联合上述等式得： 匀炀 州) 2 两i e x p ( - c t z ) “胪锚箬 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 就是随入射光变化的光纤中入射光和反斯托克斯光的表 达式。 对于给定长度的光纤，有 ( 1 ) 当，较小时 五( ，) i e x p ( 一a z ) ( 2 - 1 1 ) l ( ，) ie x p ( 一c t z ) qe x p ( b 1 ) ( 2 1 2 ) 此时处于自发拉曼散射状态，光纤为无源器件，产生的反斯托克斯光较小，且 与入射光成正比。 ( 2 ) 当，较大时 ( ，) b e x p ( 一a z ) 乞( ，) a e x p ( 一a z ) ( 2 一1 3 ) ( 2 1 4 ) 此时处于受激拉曼散射状态，光纤为线性放大器，光纤远端的入射光较弱，而 反斯托克斯光也逐步增加，光纤出端几乎全为反斯托克斯光子。 2 3 2 入射光功率的阈值 拉曼散射分为两类：自发拉曼散射和受激拉曼散射。自发拉曼散射是热振动声 子对入射光的散射，而受激拉曼散射是强激光与物质相互作用所产生的受激声子对 入射光的散射。按照s m i t h 理论，对于长光纤而言，满足= ，。条件的入射光功率厶 定义为入射阈值功率。1 l 对应受激拉曼散射。 对处于受激拉曼散射下的光纤分子，热平衡受到破坏。随着入射光在光纤中的 传输，越来越多的受激反斯托克斯粒子由低能态跃迁到高能态，这样经过光纤上一 段长度以后，处于高能级的粒子数快速增加，等于甚至超过低能级的粒子数，此时 高低能级上的粒子数不再简单地按玻尔兹曼规律分布。用耦合波理论可推出【2 6 】： 尺专= 芸孵) + 蹦n k 掣吆 ( 2 1 5 ) 式中：q 为斯托克斯频率；掣3 为斯托克斯极化率；碟为非共振极化率；必 为动量失配量即必= 2 k k 一吒：，k ，k ，屯：分别为注入光、斯托克斯和反斯 托克斯光的动量；丘( o ) 为注入光波在光纤输入端即z = o 处的电场强度。由式可见r 并不反映温度r 的变化，因此分布式光纤温度传感器不能工作在受激拉曼散射条件 下，而应工作在自发拉曼散射条件下。而且，对于分布式光纤温度传感的入射光功 9 华北电力大学硕士学位论文 率有一个限制，即光纤的入射光功率应小于入射阈值功率厶。 2 4 本章小结 本章介绍了光纤中存在的三种散射，即瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射，并 从量子理论的观点阐述了拉曼散射产生的原理；着重分析了光在传感光纤中的拉曼 散射理论，为后续系统的设计和器件的选择提供了重要的理论指导。 l o 华北电力大学硕士学位论文 第三章拉曼型光纤温度传感系统的总体设计及实验分析 上一章阐述了拉曼散射的基本理论，本章将在理论分析的基础上，设计一套基 于自发拉曼散射原理的温度传感系统。拉曼型光纤温度传感系统最经典的模型就是 利用反斯托克斯信号与斯托克斯信号的光强之比解调出待测区域的温度分布。系统 设计时要充分考虑应用要求，选择合适的器件和工作参数。 3 1 系统的测量原理 拉曼型光纤温度传感系统的传感原理主要依据的是光纤中的光时域反射原理 和后向自发拉曼散射温度效应，即该传感器用o t d r 技术定位，用拉曼散射效应测 温，从而达到温度和距离一一对应的关系。 3 1 1 光时域反射原理 光时域反射技术是1 9 7 7 年b a r n o s k i 博士发明的。它应用于各种光通信网络的 测试，包括测试光纤传输系统中的接头损耗、光纤的距离、链路损耗、光纤衰减， 并建立事件与空间位置的对应关系。 图3 - 1 光时域反射原理图 其基本原理如图3 1 所示。光在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观 不均匀性，会产生散射。在时域里，入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时间 为t ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2 ，2 l = 1 ，t ，为光在光纤中传播速度， 1 ，= c n ，c 为真空中的光速，刀为光纤折射率。在测得时刻t 时，就可求得距光源， 处的距离，即定位距离【27 。 3 1 2 自发拉曼散射的温度效应 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阂值时， 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，其强度受温度调制，而斯托克斯光基本上与温度 华北电力大学硕士学位论文 无关；反斯托克斯光强对温度的灵敏度比斯托克斯光大6 倍左右。 射，反斯托克斯信号与斯托克斯信号的光强之比为 净：( 竖) p 一万n , 跏蛔 1 ，+ k 对于自发拉曼散 ( 3 1 ) 式中，1 ，是激发光的频率，m 是振动频率，j j l 是p l a n c k 常数，k 是b o l t z m a n n 常 数，r 是绝对温度。从式( 3 1 ) 可以看出，一旦激光器确定后，v 便成了常数，光 纤的材料决定了分子振动的频率m ，则反斯托克斯信号与斯托克斯信号的光强之比 便可以唯一确定温度r 。如果能够得到拉曼散射的两个分量，通过适当的运算，就 可以得到光纤所处的温度信息。这就是基于拉曼散射的测温原理。 3 2 系统的组成及传感原理 拉曼型光纤温度传感系统可以分为主机，信号采集与处理及传感光纤三个部 分。其中，主机部分由光源，波分复用器及光电接收和放大模块组成【2 8 1 。 ( 1 ) 光源：采用半导体激光二极管( l d ) ，它较之发光二极管( l e d ) 具有较好 的单色性。 ( 2 ) 波分复用器：由1 x 3 双向耦合器和多光束干涉介质薄膜滤光片组成。 ( 3 ) 光电检测系统：由带尾纤、带前放的雪崩光电二级管a p d 和高增益、宽 带、低噪声的主放大器组成。 信号采集与处理分为硬件部分和软件部分，其中硬件部分由高速数据采集卡和 计算机构成，软件部分包括信号采集、去噪处理、温度解调及图形显示等功能。 传感光纤可采用多模光纤，也可采用单模光纤。在系统中，光纤既是传输介质 又是传感介质。 如图3 2 所示：计算机控制同步控制器产生具有一定重复频率的脉冲，这个脉 冲一方面调制脉冲激光器，使之产生一系列大功率光脉冲，另一方面向高速数据采 集卡提供同步脉冲，进入数据采集状态。当光脉冲经波分复用器中的双向耦合器耦 合进传感光纤后，它在光纤中向前传输的同时不断产生后向自发拉曼散射光( 其光 强随光纤所在环境温度的变化而变化) ，并返回到波分复用器中，经波分复用器中 的薄膜干涉滤光片即可滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，其后分别进入到光电转换 器a p d 和放大模块中进行光电转换和放大，将信号放大到采集卡能够有效采集的范 围上，高速数据采集卡将传感光纤沿线各点散射回来的信号进行采集和存储，并等 待后续光脉冲产生的散射信号进行累加平均等数据处理，最终由计算机通过编译好 的软件进行温度解调和图形显示。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 2 拉曼型光纤温度传感系统的原理 3 3 系统设计中关键器件的选型原则 3 3 1 激光器 激光器是整个系统的动力源，其性能对分布式光纤温度传感系统的各项指标有 着决定性的影响。光源的输出功率越大，温度传感系统的温度分辨率越高，光脉冲 的传播距离越长，测量的空间范围越大，但输出功率不宜过高，当其超过阈值功率 后，会产生受激拉曼散射，不能反映温度的变化，输出功率也不宜过低，应根据光 纤的长度，确定光纤末端散射信号的功率不应过小，否则，会造成信噪比变小；光 源的输出脉冲越窄，得到的分布式光纤传感器的空间分辨率越高；光源的重复频率 越高，在对微弱信号处理时，单位时间内数字累加平均的次数就越多，信噪比改善 就越好，所用的时间就越少，实时性越强。因此，要提高系统的各项指标，选择大 功率、窄脉冲、高重复频率的激光光源是唯一行之有效的途径。 由于拉曼型光纤温度传感系统是利用自发拉曼散射原理来测量温度的，而自发 拉曼散射所产生的有用信号非常微弱，因此本系统应选用半导体激光二极管( l d ) ， 它较之发光二极管( l e d ) 具有较好的单色性。此外，半导体激光二极管( l d ) 还具 有极高的功率密度和量子效率，良好的调制性、稳定性及长寿命，相对其它激光光 源有很高的性价比【2 9 1 。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 选择半导体激光二极管( l d ) 的主要性能指标是中心波长，峰值功率及光谱线 宽度。对于激光器波长来说，波长大的光在光纤中传播损耗较小，波长短的损耗较 大，但散射光则相反，波长大的散射系数小，波长短的散射系数大，因此实际系统 设计时，其中心波长应根据实际情况来确定。光源的波长特性主要从以下四个方面 影响整个系统的设计： ( 1 ) 中心波长必须与光电探测器灵敏度特性匹配； ( 2 ) 中心波长、光谱宽度及其偏差必须和波分复用器的选择特性匹配： ( 3 ) 中心波长可确定光纤损耗： ( 4 ) 中心波长和光谱宽度决定光纤材料色散。 此外，由于半导体激光器的中心波长会随温度的变化发生漂移，这将给后续的 拉曼散射光滤波带来很大的影响，因此要求输出激光的中心波长尽量稳定。 3 3 2 波分复用器 波分复用器主要由1x 3 双向耦合器和多光束干涉介质薄膜滤光片组成。目前 采用的双向耦合器大多数为小型一体化y 型，其结构如图3 3 所示： 图3 3l 3 双向耦合器示意图 在分配各个通道时应遵守这样的原则： ( 1 ) ( 卜b ) 的损耗最小，a 接光源，b 接传感光纤。 ( 2 ) ( 卜b ) + ( b c ) 的损耗小于( a b ) + ( b d ) 的损耗，将c 用作信号 通道，与反斯托克斯信号相接；d 用作参考通道，与斯托克斯信号相接。 滤波器由平行光路和多光束干涉介质薄膜滤光片组成。介质膜滤波器可以提供 良好的通道隔离度和很宽的带宽，同时还具有成本低，结构及其实现工艺简单，完 1 4 华北电力人学硕十学位论文 全无源，体积小等优点，是目前光纤通信系统中最常用的一种滤波器，其作用是可 以从后向散射光中分离出斯托克斯信号和携带有温度信息的反斯托克斯信号。后向 散射光中含有强烈的瑞利散射成分，它比反斯托克斯信号强3 - 4 个数量级，因此， 为了从如此强烈的背景光中滤出有用信号，要求干涉滤光片具有很高的隔离度，且 对信号光有很低的损耗，同时为了使光探测器a p d 能够接收到足够强的光，干涉滤 光片的带宽不宜太窄。 此外，在波分复用器的设计过程中，斯托克斯光和反斯托克斯光的波长一定要 计算准确，它是滤波器设计的基础，一旦这个波长计算失误，就不能准确提取出拉 曼散射信号，温度的灵敏度就会降低。 3 3 3 光电检测系统 光探测器是光接收机实现光电转换的关键器件，其性能直接影响光接收机的灵 敏度。对光探测器的要求如下： ( 1 ) 波长响应要和光纤低损耗窗口兼容； ( 2 ) 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流； ( 3 ) 噪声要尽可能低，能接收极其微弱的光信号； ( 4 ) 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。 目前，常见的光探测器有p i n 光电二极管和a p d 雪崩光电二极管。对于拉曼 型光纤温度传感系统，由于其信号光功率相当弱，因此在选择光探测器的类型时， 必须选带有高增益的光探测器。在诸多类型的探测器中，带有较大内增益的a p d 雪崩光电二极管是最佳选择，它比p i n 光电二极管具有更高的灵敏度，其噪声等效 功率比较低，特别适合于入射光功率较小的探测系统【3 0 1 。 后向散射光经过光电转换之后的信号依然很小，因此需要继续放大后才能被采 集卡采集。由于信号非常弱，因此对放大器的要求是低噪声、高增益、高带宽和高 转换速率。 3 3 4 传感光纤 在分布式光纤温度传感系统中，光纤既是传输介质又是传感介质。光纤的种类 很多，按传输模式分，可分为单模光纤与多模光纤。单模光纤只能传输一种模式的 光，具有较小的纤芯，色散很小，可输出陡峭的脉冲。多模光纤能传输几百到几千 种模式，多模光纤又可分为突变型和渐变型两种，突变型多模光纤具有较大纤芯， 其输出特性不如单模光纤，而渐变型多模光纤用于增加信号带宽( 即信息承载能 力) ，其输出特性居前两者之间。 l s 华北电力大学硕士学位论文 对于传感光纤来说，其选择主要应从以下三个方面考虑： ( 1 ) 传输损耗尽可能小； ( 2 ) 不会引起非线性效应； ( 3 ) 拉曼散射截面大。 单模光纤的传输损耗较小，可以进行长距离传输，但是其有效截面积小，功率 密度大，很容易产生受激拉曼散射。因此，若采用单模光纤，激光功率只能限制在 很低的范围内，这样产生的后向自发拉曼散射信号会非常的小，信噪比很差，会给 信号的探测带来很大困难。 多模光纤的传输损耗较大，其传输距离比较短，但是其有效截面积大，功率密 度小，不容易产生受激拉曼散射等非线性效应。因此，若采用多模光纤，可以充分 利用激光器的大功率来提高系统信噪比。 3 3 5 高速数据采集卡 对于分布式光纤温度传感系统，信号处理的前提和基础是要对后向拉曼散射信 号进行实时地采集，然后对采集来的信号进行处理，因此信号采集具有非常重要的 意义。 由于拉曼型光纤温度传感系统中携带有温度信息的后向反斯托克斯信号非常 微弱，而其反应温度变化的相应电平就更微弱。要保证系统的稳定性和可靠性，就 要求数据采集卡能分辨并以数字量准确表达这一微弱变化，因而系统的可靠性与数 据采集卡的分辨率和精度有很大的关系。分辨率是指采集卡可分辨的输入信号的最 小变化量，通常由采集卡的采样位数决定。而精度是指数据采集卡实际输出数字量 与对应输入模拟量之差，主要受它的量化误差影响。数据采集卡的量化误差有这样 一个特点：大信号时量化误差小，而小信号时量化误差大，当输入信号没有接近满 量程时，量化误差会相对加大。因此，要保证系统的稳定性和可靠性，必须增加采 集卡的位数，这样可以提高模数转换的精度和可靠性。然而采集卡的位数越多，其 转换的速度越慢，这将影响系统的时间分辨率。此外，选择采集卡的位数时，还应 考虑与实际输入信号的动态范围相适应。同时，数据采集卡的成本，也是一个必须 考虑的因素。因此，在选择数据采集卡时，应综合考虑各个因素，选择最佳的采集 卡。 3 4 系统的主要技术指标 评定分布式光纤温度传感系统性能优劣的技术指标有很多，主要包括光纤长 度、温度测量范围、温度不确定度、温度分辨率、空间分辨率、时间分辨率等，下 1 6 华北电力人学硕士学位论文 面分别介绍这几个技术指标。 ( 1 ) 光纤长度 用光时域反射( o t d r ) 技术进行测量。光纤长度为三，真空中的光速为c