拉曼散射分布式光纖傳感技術(shù)的原理及有哪些應(yīng)用

分布式光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)，它以光波為載體、光纖為媒質(zhì)感知和傳輸外界被測量信號。與常規(guī)傳感器相比，光纖傳感器具有測量靈敏度高、抗電磁干擾、抗輻射、耐高壓、耐腐蝕、體積小、重量輕、適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且光纖元件本身既是探測元件又是傳輸元件，可以在光纖干線上連接許多光纖傳感單元組成大范圍的遙感系統(tǒng)，進(jìn)行分布式監(jiān)測與測量。

分布式光纖傳感技術(shù)具有提取大范圍被測場分布信息的能力，能夠解決目前測量領(lǐng)域的眾多難題，因此，具有巨大的應(yīng)用潛力。在其三十余年的研究中，產(chǎn)生了一系列傳感機(jī)理和測量系統(tǒng)。分布式光纖傳感技術(shù)取得了相當(dāng)大的發(fā)展，并在以下三個(gè)方面取得了突破：（1）基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)；（2）基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)；（3）基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)。基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)常用來檢測光纖的斷點(diǎn)及衰減特性，基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)主要用于溫度測量，這兩種技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，并已經(jīng)實(shí)用化。基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測量，且測量精度、空間分辨率較高，該技術(shù)憑借其抗電磁干擾、長距離監(jiān)測、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，在光纖復(fù)合架空地線（OPGW）和全介質(zhì)自承式（ADSS）光纜監(jiān)測、石油天然氣管道泄露及發(fā)電廠、變電站高壓設(shè)備、高壓電纜的溫度監(jiān)測，以及大型混凝土結(jié)構(gòu)的健康診斷方面具有廣闊的應(yīng)用前景，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注與研究。

基本原理

下面我們將介紹拉曼WDM器件在拉曼散射分布式光纖傳感技術(shù)中的幾種應(yīng)用。首先，讓我們來了解一下拉曼散射分布式光纖傳感技術(shù)的原理：

瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射

一束光注入到光纖中會(huì)產(chǎn)生三種不同頻移的散射光，瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射，光纖中三種散射光的頻譜如圖1所示。光纖中的瑞利散射是一種彈性光散射，散射光波長等于入射光波長，無頻率變化。利用瑞利散射和光時(shí)域反射原理設(shè)計(jì)的光時(shí)域反射計(jì)（OTDR儀）可以用于光纖參數(shù)的測試；光纖中的布里淵散射的本質(zhì)是入射光與聲學(xué)聲子相互作用的非彈性散射，布里淵散射的光譜頻移是11GHz，根據(jù)光纖布里淵散射研制的光纖應(yīng)變傳感器已經(jīng)開始應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目；光纖拉曼散射是入射光與光纖自身的光學(xué)聲子相互作用，或吸收聲子，轉(zhuǎn)換為頻率較高的散射光，或發(fā)射聲子，轉(zhuǎn)化為頻率較低的散射光。

應(yīng)用示例?

示例1：集成光纖拉曼放大器的分布式光纖溫度傳感器

集成光纖拉曼放大器

集成光纖拉曼放大器的遠(yuǎn)程分布式光纖拉曼光子溫度傳感器系統(tǒng)是基于光纖受激拉曼散射與光纖的反斯托克斯拉曼散射的融合原理和波分復(fù)用原理，利用了光纖的本征特性、光纖受激拉曼散射的放大原理、光纖的反斯托克斯拉曼散射波強(qiáng)度受光纖溫度調(diào)制的原理和光時(shí)域反射原理。泵浦光纖激光器通過泵浦－信號光纖波分復(fù)用器，與1×2光纖雙向耦合器連接，它的一端與50km光纖連接。光纖的反向瑞利散射光、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光通過光纖1×2雙工耦合器的另一端與光纖光柵窄帶反射濾波器連接，與斯托克斯光和反斯托克斯拉曼散射光的粗波分復(fù)用器，再與高隔離度的斯托克斯散射光和反斯托克斯拉曼散射光的濾波器連接，并分別與光電雪崩二極管相連，轉(zhuǎn)換集成光纖拉曼放大器的分布式光纖溫度傳感器成模擬電信號并放大，測量兩者的強(qiáng)度比，得到光纖各點(diǎn)的溫度信息。

示例2：采用脈沖編碼技術(shù)的分布式光纖拉曼溫度傳感器

采用脈沖編碼、解碼的分布式光纖拉曼溫度傳感器如圖4所示。該傳感器基于S矩陣轉(zhuǎn)換對信號進(jìn)行編碼和解碼，利用光纖拉曼光強(qiáng)度受溫度調(diào)制的效應(yīng)和光時(shí)域反射原理進(jìn)行光纖在線定位測溫的分布式光纖測溫系統(tǒng)。包括光纖耦合高速多脈沖激光發(fā)射器，集成型光纖波分復(fù)用器，光纖溫度取樣環(huán)，本征型測溫光纖，兩個(gè)光電接收放大模塊，編碼解碼解調(diào)數(shù)字信號處理器，數(shù)字式溫度探測器和PC機(jī)。該傳感器使用新穎的序列多位激光脈沖編碼解碼技術(shù)，在花費(fèi)同樣測量時(shí)間下能獲得更好的信噪比，并且提高了發(fā)射光子數(shù)，可通過壓窄激光脈沖寬度提高空間分辨率，對單個(gè)激光脈沖的峰值功率要求的降低又可有效地防止光纖非線性效應(yīng)。

示例3：采用拉曼相關(guān)雙波長自校正技術(shù)的分布式光纖溫度傳感器

拉曼相關(guān)雙波長光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器，包括拉曼相關(guān)雙波長光纖脈沖激光器模塊（由驅(qū)動(dòng)電源，電子開關(guān)和主激光器和副激光器組成），集成型光纖波分復(fù)用器，兩個(gè)光電接收放大模塊，數(shù)字信號處理器，顯示器和本征型測溫光纖。集成型光纖波分復(fù)用器具有五個(gè)端口，其中輸入的1，2端口分別與拉曼相關(guān)雙波長的主激光器1550nm光纖脈沖激光器，副激光器1450nm光纖脈沖激光器相連，集成型光纖波分復(fù)用器的3端口與本征型測溫光纖相連，輸出的4端口（1450nm端口）與第一光電接收放大模塊相連，輸出的5端口（1550nm端口）與第二光電接收放大模塊相連，第一光電接收放大模塊的另一端和第二光電接收放大模塊的另一端分別與數(shù)字信號處理器相連，數(shù)字信號處理器的信號輸出端連接顯示器。

示例4：嵌入光開關(guān)的分布式光纖溫度傳感器

利用光開關(guān)對光的時(shí)分復(fù)用特性，在分布式光纖拉曼溫度傳感器系統(tǒng)中嵌入1×4光開關(guān)，將測溫光纖從原來的一路擴(kuò)展為四路，如圖6所示?？梢杂行У匮由旆植际焦饫w拉曼溫度傳感器系統(tǒng)總的測溫光纖長度。

發(fā)展趨勢

近年來，隧道、電纜、輸油管道、煤礦等火情安全形勢非常嚴(yán)峻。2011年，國務(wù)院頒布了《國家綜合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃（2011－2015）》要求加強(qiáng)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力建設(shè)。科技部發(fā)布了《國家防災(zāi)減災(zāi)科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，將重大災(zāi)害光纖傳感監(jiān)測預(yù)警技術(shù)作為重點(diǎn)研究內(nèi)容。在交通、電力、石化等行業(yè)出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)中都強(qiáng)制要求、明確規(guī)定在交通隧道、電纜隧道、油管等安裝線性火情監(jiān)測器。這些都為分布式光纖拉曼溫度傳感器發(fā)揮更大的作用提供了一個(gè)良好的外部環(huán)境，各種重大工程的應(yīng)用也呈快速增長的趨勢。

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