利用瑞利散射光谱移动的OFDR低温测量

1、利用瑞利散射光谱移动的OFDR低温测量摘要提出了一种在低温环境中温度变化测量的实现方法（例如。在76K）利用瑞利散射光谱（RBS）班在标准单模光纤的光学频域反射测量。通过分析对纤维的有效传感部分大小的关系（或遥感空间分辨率），最小可测温度变化，RBS转变的温度响应，我们发现，在低温环境中的最小可测量的温度变化，可以提高通过增加有效的传感段大小。我们的实验表明，在一个相对较高的温度（例如，超过195度），最小的可测量的温度变化是0.21K与有效的感测段的大小为8厘米。当温度很低（例如，在76度），最低限度的可测量的温度变化仍然可以保持0.34的，通过简单地增加有效的传感段的纤维尺寸为48厘米。关

2、键词一一温度测量、光纤、低温、光散射、频域分析、反射。一、介绍低温测量在能源工业、交通运输、医疗技术、航空航天、航空航天等领域中的研究越来越重要。由于许多光纤传感器的优点，如固有的电绝缘、抗电磁干扰、灵敏度和准确度高，结构紧凑，和较宽的带宽和复杂多路复用功能，它正在成为一个有吸引力的手段，在恶劣环境下的温度分布的测量。有光纤传感器可用于提取温度分布信息的几种类型，包括拉曼光时域反射仪（OTDR）、布里渊OTDR，著名的布拉格光纤光栅（FBG）。在拉曼光时域反射仪和布里渊光时域反射法、传感介质的光纤可以实现真正的分布式测量，即每点纤维能感觉到。然而，拉曼光时域反射仪和布里渊光低温测量的一些结果已

3、经报道。此外，它们的感测空间分辨率，为几米，是不足够的某些应用程序（如航空航天应用），需要一个更好的感知空间分辨率的罚款。光纤光栅已经扩展到低温温度测量中的应用，可实现高灵敏度温度却没有分布的测量，其实，他们只是在光纤光栅上的传感，而不是每一点在纤维上。光纤光栅的光栅，经常可以在单根光纤上复用数量有限。在更坏的情况下，作为他低和光纤光栅的非线性响应在低温环境，在低温环境下实现很小的温度变化的测量，光栅需要打包的特殊基质，黏附性和敏感性增强的过程，它是复杂的，昂贵的和难以让他们稳定。瑞利后向散射的谱移可以用来实现短距离（数十米）的分布式应变或温度测量，具有高灵敏度和高空间分辨率基于光频域反射（O

4、FDR）。瑞利后向散射是由随机折射率波动沿光纤，它可以被建模为一个长期的，弱的光纤光栅随机周期。温度或应变的变化将引起局部瑞利散射谱（RBS）的转变，这可以通过测量RBS和公民之间的互相关计算CERBS。在M.E.Froggatt等人的文章，有遥感空间分辨率和最小可测值之间的权衡（温度或应变）和他们的产品是一个不断在RBS我方法。此外，克拉克D博伊德等。用RBS移位的方法实现分布式温度测量监测低温超导消磁电缆。相比随着光纤光栅传感，RBS是真正的分布式测量，可以在低成本的标准单模光纤（SMF）的实现。从克拉克D.博伊德等人，温度RBS转移再响应还是成为了随着温度的降低，它仍然是难以在低温环境中

5、实现微小的温度变化的测量。在他们的论文中，他们不要给一个值的最小可测温度的变化，但从他们的实验结果，在低温环境下的温度变化的测量是10K以上。在这篇论文中，我们提出了一种实现低温环境中微小的温度变化的测量方法（如在76K）使用RBS移在标准单模光纤的光。对RBS转变温度响应相关。因此,在传统的光法，是RBS转变温度响应将在低温环境下是非常低的，它是测量锡很难温度变化。使用这种此消彼长的关系，当RBS转变温度响应低在低温环境下，通过增加有效测量段的大小，我们的系统的视频率分辨率提高检测较小的移位和RBS得到较小的测量温度的变化。在我们的实验中，我们校准范围在RBS的转变75.98k到242.07

6、k和172个温度点，得到RBS移细温度响应。更重要的是，我们发现，在较高的温度下（如上述，我们的系统的最小195K）测量的温度变化是0.21k有效感知段大小8cm。当温度很低（例如在76K），RBS的转变温度的响应变得非常低，最小可测温度变化时仍能保持通过简单地增加有效森西0.34k段大小的纤维48CM。二、测量原理瑞利后向散射源于沿光纤的指数分布的随机波动，它可以被建模为长、弱光栅的随机周期。温度变化引起的局部瑞利散射的变化，这反过来又导致一个转变的局部反射瑞利散射光谱（RBS）。我们可以通过互相关的互相关来检测局部谱移实现温度测量。获得当地的RBS谱移如图1所示的流程图。StutterAi

7、iqv.Meftsihreiineikt&图1局部瑞利后向散射的谱移原理在我们的系统中的信号处理程序如下：（1）OFDR系统运行两次获得光频域信息。一个获得一个参考信号，另一个获取一个测量信号。显然，这两个信号是上校反映在不同的温度。（2）将打信号的FFT从光学频域空间域之间的参考信号的测量（3）使用一个滑动窗口宽度厶X样纤维总选择当地的瑞利散射。X是本地段的长度，即有效测量段的大小在这种方法的系统，X可以表示为X=NAZ,（l）当Z二c/2nAv（2）N在段和Z数据点的数量是系统的空间分辨率，n是光纤的折射率，和v是光的频率调谐范围的TLS。（4）将每个局部瑞利散射段AX,通过逆FFT,回到

8、光频域，即当地的瑞利散射谱（RBS）。（5）执行本地参考相关和测量的RBS，在互相关曲线或相关峰的位置的最大偏移LO的光谱漂移卡尔RBS，反映温度变化。交叉相关峰的负向和正移反应温度的升高和降低。由于瑞利散射的折射率的随机波动引起的沿纤维可以被建模为一个长的和弱的FBG与随机变化的时期，RBS移6入或6V引起的温度温度的变化，T，可以表示为：5A/A=5v/v=（a+）T,（3）在入或v是入射光的波长或频率，a和g是热膨胀系数与纤维材料的热光系数。根据式（3），RBS的移物的温度响应比RBS漂移和温度变化。基于式（3），既可以计算和表达：RES=6v/=-（a+）v，（4）从式（4），既取决于

9、热膨胀系数a和纤维材料的热光系数g。因此，既具有内在的特征，也是光纤的特性。熔融石英a变化很小l从低温到室温（76K）。因此，研究是由g热光系数的主要影响因素。因为g逐渐随着温度的下降，分辨率降低低温下的非线性。随着温度的变化厶T是通过检测6vRBS移测量，最小可测温度变化或温度测量灵敏度Tmin是取决于最小可测量的选择在系统6v分钟基于式系统或光的频率分辨率和频率的变化（4），Tmin可以表示为：Tmin=Cvmin/RES（5）低温环境下的物性值降低。在光纤光栅，如果我们还想获得良好的Tmin，我们需要增加物的价值的敏感性增强的过程或变小6vminB在光纤光栅解调器Y更强大。然而，这些方法

10、是复杂的，昂贵的和困难的，使它们稳定。在我们的方法，很容易在低温中获得良好的厶Tmin没有任何复杂的工艺过程。作为6vmin=v/N,方程（5）也可以表示为：Tmin=v/（NRES）（6）从式（6），我们可以通过增加和保持Av没有改变或维持无变化的方程得到较小的厶Tmin，即增加当地RBSAX有一个合理的点长度只增加根据N和维护厶X没有变化可以得到较小的Tmin。从式（1）和式（2），如果我们保持X没有变化和提高，我们必须减少厶Z和增加Av，导致Tmin没有变化基于式（6）。首先，我们必须提高厶X获得较小的Tmin时既不改变。替代式（1）和式（2）到（6）,可以得到更清晰的表达厶Tmin，T

11、min=c/（2nRESX）（7）方程（7）明确地给出了关系X和厶Tmin。首先，X和厶Tmin的产品相关的资源都是有限的资源，当S是在低温温度降低X和厶Tmin最终不能保持良好的价值。其次，基于X和厶Tmin之间的权衡关系，我们仍然保持良好的Tmin只增加AX。本质上，通过增加AX,我们获得更多的信息，得到较小的6vRBS即可获得较小的厶Tmin。“订压忙SMFliquidnitrenpLatitiuitisisEfiikcMwnilwripperglicdoCfamputtr图2温度测量的实验装置ooo*2000dOOO01000SpeclralShifl(GHz)2008fio.nno)

12、pn三dLUAM的QA=ScnippttrlShift(GHzJr-2.5GHIL-20M-10000WOO2000SpectralShift(GHzi图3基于RBS移温度变化测量表一在75K-76上的三个重复的测量A7KNAY(cm)和(GHz)0.35(76.066.51)118004720,212(1point)037(76.59-76.96)1130045r20r22l(lpoint)034(75.98-76.32)12000480r208(1point)三、实验结果与讨论我们的低温温度测量OFDR实验装置如图2所示。可调谐激光源（TLS,安捷伦8164b）作为系统的光源。调谐速度，调

13、谐安格V，启动TLS波长是5X103GHZ/s(40nm/s),2.5X103GHZ(20nm)，和1530nm，分别。从激光的光分成两路用1:99耦合器。1%灯发送到辅助干涉仪(迈克尔逊干涉仪)两个法拉第旋转镜和300M延迟光纤。辅助干涉仪提供了一个外部时钟触发数据采集卡采样的干扰信号在等距瞬态光学频率减少点E非线性频率的TLS调谐。99%光被发送到主干涉仪(一个马赫-森德干涉仪)。主要的干涉仪测量臂是由49m的SMF。约2米的测量臂绕成松散的圈直径为10cm,坚持用聚酰亚胺胶带铜片导热硅胶，包装可以避免前TRA应变和保持良好的导热铜片和SMF之间为好。铜表是用来帮助2M光纤段迅速达到热平衡

14、。铂电阻NCE保税铜表实时测量温度，精度为0.01K。液氮进行低温环境。首先，2m段纤维深深浸入在一个室内的液态氮和等待温度稳定在约75.98k稳步。然后，它被带出从室内到钢笔空气。SMF在铜片增加到室温的温度。在我们的实验中，我们只测量温度从75.98k到242.07k升温时间约为19min28s。利用沿2M光纤RBS互相关温度测量结果如图3所示。当没有温度变化时，参考和测量信号，交叉一相关峰值在0点，即RBS移0点，如图3所示。当温度变化从203.64k到203.85k(T=0.21k)，相关峰负移2点美国一点RBS移是基于6vmin=AV/N1.25GHz，(Av=2.5X103GHZ，

15、n=2000)，当地银行负移2.5GHz，如图3(b)。光谱位移(绝对值)与温度变化的温度，即从75.98k到242.07kRBS172温度变化的测量，图4所示(一)。校准曲线可以很好地拟合一五阶多项式(R2=0.9999)。曲线有很好的线性，当温度超过194.57k，如图4(b)。红色实线是线性拟合从194.57k到242.07k实验数据。然而，RES和厶T之间的关系是非线性的194.57k以下。图4(a)验证，既减少，不在低温下符合方程非线性4)和其它文献的结果。当温度高于194.57k，RES高，ATmin的0.21k可与x8cm达到(n二2000,Az=0.004cm)如图3(b)。然

16、而，当与降低透射电镜温度、Ax必须提高以实现基于式好ATmin(7)。作为AZ是一个常数，我们需要增加N来获得更大的AX的地方银行当温度C的相关结果从75.98k到76.32k变化,ATmin=0.34k如图5所示。从图5(a)，相关峰不移当Ax8cm(n=2000)。图5(b)显示结果为Ax=46cm(n=11500)，互相关峰仍在0点，但在T点。然后我们继续增加Ax=48CM(n=12000)，结果显示在图5(c)。在1点的值高于该值在0点，我们认为相关峰是在-1点。的6vmin0.208ghz当n=12000，所以本地RBS负移0.208ghz谱。为提高在N12000的6v分钟是足够小的

17、区分Tmin=0.34k引起的光谱漂移。如果我们继续增加Xn递增，在T点的值会更高，在0点和价值将在图5(c)，较低的互相关峰将更清晰如图3(b)。然而，X将更加恶化。我们想得到的最小X或使相关峰移，所以我们只找到价值厶，使价值在T点刚刚超过0点互相关曲线。此外，三重复测量在75K76K有表一所示，当地的RBS谱移到约0.221ghz0.208GHZ当n为最小只是使互相关峰移。盂Temperature(K)星400一10。薇珀0350-冒300-y=-2.070ae-ixt-25017200150-100妙Qjnn0204060SO100120140160ISOTemperatureVariationAT(K)linearpart4.57I-&7253b4j3+0.051-0.422(999925D(甘ExperimentalDatq-polyrtomialfil501Temperature(K)19020Q210220230240-ooooO0505043322012013014Q150160170TemperatureVariationaT(K)图4谱移随温度