基于拉曼散射的分布式光纖折疊結構溫度傳感器

王 真， 孫曉紅， 薛 琦， 王 帥， 王喜世

(1.鄭州大學 信息工程學院 河南 鄭州 450001; 2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室 安徽 合肥 230026)

基于拉曼散射的分布式光纖折疊結構溫度傳感器

王 真1， 孫曉紅1， 薛 琦1， 王 帥1， 王喜世2

(1.鄭州大學 信息工程學院 河南 鄭州 450001; 2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室 安徽 合肥 230026)

提出了基于光纖折疊結構的分布式溫度傳感器系統，該系統只采用反斯托克斯散射光的方法解調溫度.由于光纖折疊結構的應用，光纖內相對于半長度處對稱的兩個不同位置的后向拉曼散射所攜帶的溫度場信息相同，這樣就可以只探測反斯托克斯散射光強解調出溫度，從而消除了傳統方法中由于波長不同而引起的損耗差，有效提高了測量精度.最后用時域累加平均預處理信號，再用小波變換使信噪比由1 dB提升到11 dB.

溫度傳感器； 反斯托克斯； 拉曼散射； 小波變換

0 引言

入射激光脈沖在光纖中傳播時產生拉曼散射，拉曼散射包含斯托克斯散射和反斯托克斯散射.因為反斯托克斯散射光對溫度敏感，斯托克斯散射光對溫度不敏感，可以用斯托克斯散射光解調反斯托克斯散射光，利用二者的比值得到溫度信息，這是傳統的基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器的基本原理[1-4].但是這種方法存在一些不足之處: 不同的光纖類型斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的波長有100～200 nm的差值，由于波長不同，兩者在光纖中傳播時的損耗不同，在光纖不同距離下兩者的比值是關于距離的一個函數，而不是一個定值，這就給測量帶來了誤差.

針對傳統方法存在的問題[5]，文獻[6]提出了雙光源的方案，該結構采用了兩個不同波長的光源.主激光器的入射激光波長和副激光器的斯托克斯散射光的波長相匹配，這樣斯托克斯散射光的波長和反斯托克斯散射光的波長相同，消除了兩者的損耗差.但是由于采用雙光源增加了整個系統的成本，而且特殊波長不容易相匹配.文獻[7-8]提出了雙端結構，只利用反斯托克斯散射光，消除了波長差引起的損耗偏差.這種結構采用一個光源的激光脈沖從光纖兩端入射的辦法，增加了系統的復雜性.文獻[9]對該結構進行了優化，提出了光纖末端增加反射鏡的方法，同樣解決了斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光波長差引起的損耗差問題.這種結構相對簡單，但是依賴反射鏡的反射率，而且探測到的信號中除了反斯托克斯散射光的有效成分還包含了很多的其他成分，增加了后期信號處理難度.本文提出了一種基于拉曼散射的折疊光纖結構，在兩根相同光纖的末端將兩根光纖相互熔接即可實現折疊結構.兩根光纖所處環境相同，激光脈沖從入射端進入光纖之后，在溫度變化處可以有兩次拉曼散射，接收到兩次反斯托克斯散射光.由于只利用反斯托克斯散射光，所以消除了斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光波長差引起的損耗偏差.

1 基本原理

如圖1所示，折疊后的兩根光纖緊密排布在一起置于測量場內，l處為溫度變化區域，由于光纖的折疊結構，2L-l處也處于溫度變化場內(2L為整個傳感光纖長度).激光器發射的激光脈沖通過光旋轉鏡進入傳感光纖，在l處產生第一次反斯托克斯背向拉曼散射，在入射光經過2L-l處產生第二次反斯托克斯背向拉曼散射.由于兩次反斯托克斯背向拉曼散射發生在同一溫度變化區域，所以兩次反斯托克斯背向拉曼散射光強相同，最終兩次反斯托克斯背向拉曼散射光被探測器接收.

圖1 系統結構和兩次拉曼散射原理示意圖Fig.1 The system structure and two Raman scattering principle diagram

l和2L-l處溫度場相同，兩位置處的后向反斯托克斯拉曼散射光強分別為

(1)

(2)

式中：R(T)是光纖l和2L-l處溫度信息場函數，R(T)=[exp(?Δν/κT)-1]-1， ?為普朗克常量，Δν為拉曼散射的頻移量，κ為玻爾茲曼常量；Kas為反斯托克斯散射截面；S為背向散射因子；νas為反斯托克斯散射的光子頻率；I0為入射光強；α0和αas為光纖中入射光和反斯托克斯散射光的衰減系數.

將(1)式和(2)式相乘，可得

其中：exp[-(α0+αas)L]是與探測距離無關的一個常量，最后得到的任何一點的光強損耗都為入射光和反斯托克斯散射光在整根探測光纖中的損耗.選擇距離起始處為參考點，參考溫度為T0，可得解調溫度公式為

(3)

該溫度解調方法只利用了反斯托克斯散射光，所以不存在斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光由于波長差引起的損耗差問題，而且利用光纖折疊結構使得溫度變化區域處的反斯托克斯散射光在光纖中的損耗為在整根傳感光纖中傳播的損耗，且不隨距離變化而改變，有效減少了誤差.

2 結果與分析

光纖總長(2L)為8 km,環境溫度為20 ℃，光纖長度2.5 km和5.5 km處探測場的溫度為60 ℃，對探測到的光強分布累加15 000次平均處理后得到的曲線如圖2所示，圖2中光強數值為歸一化處理的結果.可以看出，光強變化的兩處關于4 km對稱，傳感光纖上光強的分布隨著距離的增加而減小.把探測到的光強信號帶入到式(3)中得到溫度分布曲線，結果如圖3所示.可以看出，經過預處理的信號信噪比還是非常低，需要進一步的降噪處理.

由于溫度分布曲線上的探測點以單一脈沖方式隨機出現，單獨的頻域或者時域濾波效果都不好，所以本文采用時頻濾波的方法小波變換去噪，用db5小波對預處理后的信號6層小波分解，得到1至6層小波系數細節如圖4所示.

小波變換模極大值法能有效保留溫度突變點的信息，所以用此方法對不同細節分量di小波系數進行處理，閾值的確定采用軟閾值方法，重構得到信號如圖5所示.可以看出，在2.5 km處的溫度為61.5 ℃，在5.5 km處的溫度為62.7 ℃，誤差分別為1.5 ℃和2.7 ℃，沒有隨著距離的增加而出現較大的誤差.光纖的前端和后端環境溫度基本保持在20 ℃左右，系統測量誤差±1.7 ℃，空間分辨率為1 m，不存在波長差引起的損耗差使得光纖上的溫度分布隨著距離的增加而減小.因此，使用折疊光纖結構使整條光纖上的溫度分布得到了很好的矯正.

圖2 傳感光纖上的光強分布Fig.2 The intensity distribution on the sensing optical fiber

圖3 傳感光纖上的溫度分布Fig.3 The temperature distribution on the sensing optical fiber

圖4 1至6層小波系數細節Fig.4 1 to 6 layers details of the wavelet coefficient

圖5 小波變換后傳感光纖上的溫度分布Fig.5 The temperature distribution on the sensing optical fiber after wavelet transform

3 結論

對基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器的溫度解調方法進行分析，提出了一種光纖折疊的結構.傳統溫度解調的方法使用反斯托克斯散射和斯托克斯散射的比值來得到溫度，但是這兩種散射光波長不同，在光纖中傳播會有損耗差.使用折疊光纖的方法使激光脈沖在溫度場內有兩次拉曼散射，從而可以只探測對溫度敏感的反斯托克斯散射光，消除了損耗差，使溫度的測量精度得到提升.由于探測信號存在大量噪聲，提出了先用累加平均方法對信號預處理，然后再用小波變換的方法降噪，信噪比由1 dB提升到11 dB.

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(責任編輯：孔 薇)

Optical Fiber-folded Distributed Temperature Sensor Based on Raman Scattering

WANG Zhen1, SUN Xiaohong1, XUE Qi1, WANG Shuai1, WANG Xishi2

(1.SchoolofInformationEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China; 2.StateKeyLaboratoryofFireScience,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China)

A new distributed temperature sensor system based on fiber-folded structure was proposed. The sensor system demodulated the temperature by using anti-Stokes scattering only. Due to the application of folded fiber structure, the temperature field information sensed by Raman backscattering was the same at the symmetrical location to the half lengths of the fiber. The temperature could be demodulated by detecting the anti-Stokes backscattering intensity only. The differential attenuation in the traditional method was eliminated between anti-Stokes and Stokes signal and the accuracy of measurement was improved effectively. Finally, cumulative average in time domain and wavelet transform were applied, and theSNRwas promoted from 1 dB to 11 dB.

temperature sensor； anti-Stokes； Raman scattering； wavelet transform

2016-11-21

河南省基礎前沿項目(152300410023)；中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室開放基金項目(HZ2016-KF01).

王真(1991—)，男，河南鞏義人，主要從事光纖傳感研究，E-mail:873128752@qq.com；通信作者：孫曉紅(1971—)，女，河南鄭州人，教授，主要從事光子晶體和光纖傳感研究，E-mail: iexhsun@zzu.edu.cn．

TN253

A

1671-6841(2017)03-0065-04

10.13705/j.issn.1671-6841.2016323