基于拉曼散射的分布式光纤温度测量系统及其在电缆温度测量的应用.doc

基于拉曼散射的分布式光纤温度测量系统及其在电缆温度测量的应用刘吉 20071202035摘要:首先介绍了拉曼散射的原理,并对拉曼散射分布式光纤温度传感器进行了理论分析,最后介绍了拉曼散射分布式光纤温度传感器的系统设计,并提出了此系统在电缆温度测量中的应用。Abstract:TheprincipleofRamanscatteringisintroducedfirst,andtheRamanscatteringdistributed fiber-,thesystemdesignofRamanscatteringdistributedfiber-optictemperaturesensorandtheapplicationofRamanscatteringdistributed fiber-,它与光时域反射技术密切结合迅速崛起,经过几十年的发展而在多个领域广泛应用。与传统的传感器相比,光纤传感器具有轻质,耐腐蚀,耐高温,防水防潮,抗电磁干扰等一系列优点,因此在恶劣环境中颇具用途。而分布式光纤传感技术除具备上述特点以外,还具备实时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的测量分布信息的能力。准确的说,它可以精确测量光纤沿线上任一点的温度信息,如果把光纤纵横交错连接成网状,则可以构成规模庞大的地毯式动态监测网,实现对目标的实时全方位检测。特别是在我国,每年发生的有关电器的火灾事故大多是因为电线或电缆长期运行过热烧穿绝缘所引起,所以对于温度的监测十分重要,这也是本文设计的分布式光纤温度测量系统的重要应用。结构与测量原理分布式光纤温度传感器获取空间温度分部信息的原理是利用光在光线中传输能够产生向后散射。在光线中诸如一定能量和宽度的激光脉冲,它在光线中传输的同时不断产生后向散射光波,这些广播的状态受到所在光纤散射点的温度影响而改变,将散射回来的光波经波分复用、检测解调后,送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来,并且由光线中光波的传输速度和背向光回波的时间可对这些信息定位。1拉曼散射原理微观世界中任何分子和原子都在不停地运动,光纤的分子和原子也不例外,存在着分子振动。泵浦光通过分子时打破了分子振动原有的平衡,振动分子将与之发生能量交换。当产生光子的能量小于泵浦光子的能量(分子振荡吸收泵浦光子的能量)时,称为斯托克斯散射。当产生光子的能量大于泵浦光子的能量(分子振荡的能量传给光子)时,称为反斯托克斯散射。斯托克斯散射和反斯托克斯散射统称为拉曼散射。拉曼散射过程的能级示意图如图1所示。其中,E1、E2分别表示分子振动的两个能级,两个能级之间相差hΔν,即E2=E1+hΔν。散射出ν0频率光子的散射称为瑞利散射;散射出ν0-Δν频率光子的散射称为斯托克斯散射;散射出ν0+Δν频率光子的散射称为反斯托克斯散射。2泵浦光对拉曼散射的影响拉曼散射是由泵浦光子与光纤分子相互作用产生的,当泵浦光的强度小于阈值时,拉曼散射光与泵浦光成正比,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强度受温度调制,而斯托克斯散射光基本上与温度