基于拉曼散射的分布式光纖折疊結(jié)構(gòu)溫度傳感器

王 真， 孫曉紅， 薛 琦， 王 帥， 王喜世

(1.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450001; 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽 合肥 230026)

基于拉曼散射的分布式光纖折疊結(jié)構(gòu)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(xué) 信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450001; 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽 合肥 230026)

提出了基于光纖折疊結(jié)構(gòu)的分布式溫度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)只采用反斯托克斯散射光的方法解調(diào)溫度.由于光纖折疊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，光纖內(nèi)相對(duì)于半長(zhǎng)度處對(duì)稱的兩個(gè)不同位置的后向拉曼散射所攜帶的溫度場(chǎng)信息相同，這樣就可以只探測(cè)反斯托克斯散射光強(qiáng)解調(diào)出溫度，從而消除了傳統(tǒng)方法中由于波長(zhǎng)不同而引起的損耗差，有效提高了測(cè)量精度.最后用時(shí)域累加平均預(yù)處理信號(hào)，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(shí)產(chǎn)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?yàn)榉此雇锌怂股⑸涔鈱?duì)溫度敏感，斯托克斯散射光對(duì)溫度不敏感，可以用斯托克斯散射光解調(diào)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(tǒng)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(zhǎng)有100～200 nm的差值，由于波長(zhǎng)不同，兩者在光纖中傳播時(shí)的損耗不同，在光纖不同距離下兩者的比值是關(guān)于距離的一個(gè)函數(shù)，而不是一個(gè)定值，這就給測(cè)量帶來了誤差.

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的問題[5]，文獻(xiàn)[6]提出了雙光源的方案，該結(jié)構(gòu)采用了兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光源.主激光器的入射激光波長(zhǎng)和副激光器的斯托克斯散射光的波長(zhǎng)相匹配，這樣斯托克斯散射光的波長(zhǎng)和反斯托克斯散射光的波長(zhǎng)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(gè)系統(tǒng)的成本，而且特殊波長(zhǎng)不容易相匹配.文獻(xiàn)[7-8]提出了雙端結(jié)構(gòu)，只利用反斯托克斯散射光，消除了波長(zhǎng)差引起的損耗偏差.這種結(jié)構(gòu)采用一個(gè)光源的激光脈沖從光纖兩端入射的辦法，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性.文獻(xiàn)[9]對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)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(zhǎng)差引起的損耗差問題.這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是依賴反射鏡的反射率，而且探測(cè)到的信號(hào)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(hào)處理難度.本文提出了一種基于拉曼散射的折疊光纖結(jié)構(gòu)，在兩根相同光纖的末端將兩根光纖相互熔接即可實(shí)現(xiàn)折疊結(jié)構(gòu).兩根光纖所處環(huán)境相同，激光脈沖從入射端進(jìn)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(zhǎng)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(cè)量場(chǎng)內(nèi)，l處為溫度變化區(qū)域，由于光纖的折疊結(jié)構(gòu)，2L-l處也處于溫度變化場(chǎng)內(nèi)(2L為整個(gè)傳感光纖長(zhǎng)度).激光器發(fā)射的激光脈沖通過光旋轉(zhuǎn)鏡進(jìn)入傳感光纖，在l處產(chǎn)生第一次反斯托克斯背向拉曼散射，在入射光經(jīng)過2L-l處產(chǎn)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(fā)生在同一溫度變化區(qū)域，所以兩次反斯托克斯背向拉曼散射光強(qiáng)相同，最終兩次反斯托克斯背向拉曼散射光被探測(cè)器接收.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎng)相同，兩位置處的后向反斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)分別為

(1)

(2)

式中：R(T)是光纖l和2L-l處溫度信息場(chǎng)函數(shù)，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(qiáng)；α0和αas為光纖中入射光和反斯托克斯散射光的衰減系數(shù).

將(1)式和(2)式相乘，可得

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

(3)

該溫度解調(diào)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(zhǎng)差引起的損耗差問題，而且利用光纖折疊結(jié)構(gòu)使得溫度變化區(qū)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(jié)果與分析

光纖總長(zhǎng)(2L)為8 km,環(huán)境溫度為20 ℃，光纖長(zhǎng)度2.5 km和5.5 km處探測(cè)場(chǎng)的溫度為60 ℃，對(duì)探測(cè)到的光強(qiáng)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(qiáng)數(shù)值為歸一化處理的結(jié)果.可以看出，光強(qiáng)變化的兩處關(guān)于4 km對(duì)稱，傳感光纖上光強(qiáng)的分布隨著距離的增加而減小.把探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)帶入到式(3)中得到溫度分布曲線，結(jié)果如圖3所示.可以看出，經(jīng)過預(yù)處理的信號(hào)信噪比還是非常低，需要進(jìn)一步的降噪處理.

由于溫度分布曲線上的探測(cè)點(diǎn)以單一脈沖方式隨機(jī)出現(xiàn)，單獨(dú)的頻域或者時(shí)域?yàn)V波效果都不好，所以本文采用時(shí)頻濾波的方法小波變換去噪，用db5小波對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)6層小波分解，得到1至6層小波系數(shù)細(xì)節(jié)如圖4所示.

小波變換模極大值法能有效保留溫度突變點(diǎn)的信息，所以用此方法對(duì)不同細(xì)節(jié)分量di小波系數(shù)進(jìn)行處理，閾值的確定采用軟閾值方法，重構(gòu)得到信號(hào)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(xiàn)較大的誤差.光纖的前端和后端環(huán)境溫度基本保持在20 ℃左右，系統(tǒng)測(cè)量誤差±1.7 ℃，空間分辨率為1 m，不存在波長(zhǎng)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(jié)構(gòu)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(qiáng)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(shù)細(xì)節(jié)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(jié)論

對(duì)基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器的溫度解調(diào)方法進(jìn)行分析，提出了一種光纖折疊的結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)溫度解調(diào)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(zhǎng)不同，在光纖中傳播會(huì)有損耗差.使用折疊光纖的方法使激光脈沖在溫度場(chǎng)內(nèi)有兩次拉曼散射，從而可以只探測(cè)對(duì)溫度敏感的反斯托克斯散射光，消除了損耗差，使溫度的測(cè)量精度得到提升.由于探測(cè)信號(hào)存在大量噪聲，提出了先用累加平均方法對(duì)信號(hào)預(yù)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(zé)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(chǔ)前沿項(xiàng)目(152300410023)；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)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