基于拉曼散射的温度传感器系统

1、基于拉曼散射的温度传感器系统摘要：分布式光纤传感技术于20世纪70年代问世以来，逐步成为传感领域最有前途的技术之一，并在各种工程实践中得到应用。本文介绍了一种基于拉曼散射的光纤分布式温度传感系统，分析了系统的各项技术指标，给出了系统框图，最后讨论了提高系统信噪比的数据处理方法。关键词：拉曼散射，otdr，光纤分布式传感，数据处理1.引言 拉曼分布式光纤传感系统是一种利用光波在光纤中的传输特性，实时测量空间温度场分布的传感系统。在此系统中，光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质，由于系统可以在很大的空间范围内连续的进行传感，同时又具备抗电磁干扰能力强、结构简单、安全性好、性价比高等优点，因此被广

2、泛的应用于管道泄漏监测、油气油井里温度分布监测、仓库高层建筑的火灾防护以及各大发电机组的温度测量等生活与工业领域中。拉曼分布式光纤传感系统首先将高功率窄光脉冲送入光纤，然后通过探测器对背向拉曼散射光进行探测，基于光纤拉曼散射的温度效应将温度信号解调出来并利用otdr技术对温度信号空间定位，最后，对采集到的温度信息处理并实时显示出来。2.光纤背向拉曼散射的温度效应在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用会引起的频率发生变化的散射，此过程为拉曼散射。拉曼散射的量子力学描述如下：分子吸收频率为 v0的光子，发射v0-vi的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克斯光）；分子吸

3、收频率为v0的光子，发射v0+vi的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。 拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光可以携带散射点的温度信息。反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托克斯光则不是。则通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。首先测出整段光纤在某一个时刻t0时的反斯托克斯散射光功率曲线和斯托克斯散射光功率曲线，即：然后在任意温度t时刻测的反斯托克斯散射光功率曲线和斯托克斯散射光功率曲线，即： 得到这四条曲线后，再做如下比较： 从式中可以反算出温度分布曲线，即： 由上可知，通过这种方法就可以得到光纤上各点的温度信息，其结果消除了光源波动、光纤弯曲

4、等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。3.otdr(光时域反射技术） otdr是指光脉冲在光纤内传输时，会产生散射、反射信号，从发射光脉冲信号到接受反射回来的信号所用的时间，再确定光在光纤中传播的速度，就可以计算出这段距离，如公式所示： 时间的不同对应着光纤位置的不同，这就意味着光探测器探测到的光功率为光纤位置的函数，随着l的逐渐增加，探测器就实现了对光纤分布场的空间分布式测量。4.技术指标 对于基于拉曼散射分布式光纤温度传感系统，系统的性能由空间分辨率、温度分辨率、时间分辨率、测量精度等共同表征，各个指标互相影响，而系统的设计是在这些联系中找到一种平衡来完成设计的。

5、（1） 空间分辨率描述了传感器系统沿着光纤长度方向所能辨识的最小距离。空间分辨率的大小主要由泵浦光脉冲的宽度、光电转换的响应速度和ad转换速度来决定。（2） 温度分辨率是指温度示值的最小单位，体现了传感器系统实现准确测量的程度。提高系统温度分辨率的关键在于提高系统的信噪比。（3） 时间分辨率定义为整个系统完成一次测量所需要的最短时间。系统为了实现准确测量，一般采用多点平均方法提高系统的信噪比，一次完整测量中由光脉冲发出到数据的采集完成再到所有数据处理完成所经历的时间即时间分辨率。（4） 测量精度主要包括测量空间某点位置的定位精度以及对拉曼散射信号大小测量的准确精度，测量终端定时误差影响定位精度

6、和频带的宽度都会影响测量精度。5.系统基本结构 首先由计算机发出电信号，启动激光二极管向传感光纤内发射光脉冲，在光纤内传播过程中会产生后向拉曼散射，在接受通道内被光学滤波器滤掉瑞利散射从而分别提取出两路拉曼散射光，经由apd进行光电转换，再经前置放大和主放大后，由ad转换，进行数字信号处理，重复发射泵浦脉冲m次后，对提取出来的数字信号进行数字平均、小波变换等方法，可以有效的消除噪声，最后通过软件计算出沿传感光纤的各点温度值，并显示。6.数据处理 在数据的单次采集过程中，由于拉曼散射光过于微弱，往往淹没在各种噪声之中，这时，我们就需要用相应的数据处理方法将有用的信号提取出来，改善信号的信噪比。（

7、1） 累加平均法：对信号进行多次采集，利用信号的确定性和噪声的随机性，对多次采集的信号进行累加平均，使信噪比提高，但需要耗费时间（3） 小波变换法：小波分析运用在信号去噪处理，主要是针对信号经由小波变换后在不同分辨率下呈现不同规律,在不同分辨率下设定不同阈值门限,调整小波系数,达到去除噪声的目的。（4） 相关检测：利用信号周期性和噪声随机性，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声检测出信号的目的。（5） 在基于拉曼散射的光线分布式温度传感器系统中，数据的处理往往是把多种方法揉合在一起使用，比如在累加进行小波变换，可减少累加次数，从而缩短测量周期。总结 基于拉曼散射的光纤分布式温度传感器系统是光机电算一体化的测量系统，本文介绍了系统的基本原理和基本结构，并提出了相关的技术指标，最后讨论了系统的数据处理相关内容。参考文献：1 侯培国. 分布式光纤温度传感系统的理论与实验研究：博士学位论文，燕山大学，2003.2 宫衍香,吕刚,马传涛.拉曼光