拉曼散射分布式光纤传感技术的原理及有哪些应用

分布式光纤传感技术

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，它以光波为载体、光纤为媒质感知和传输外界被测量信号。与常规传感器相比，光纤传感器具有测量灵敏度高、抗电磁干扰、抗辐射、耐高压、耐腐蚀、体积小、重量轻、适应恶劣环境等诸多优点，并且光纤元件本身既是探测元件又是传输元件，可以在光纤干线上连接许多光纤传感单元组成大范围的遥感系统，进行分布式监测与测量。

分布式光纤传感技术具有提取大范围被测场分布信息的能力，能够解决目前测量领域的众多难题，因此，具有巨大的应用潜力。在其三十余年的研究中，产生了一系列传感机理和测量系统。分布式光纤传感技术取得了相当大的发展，并在以下三个方面取得了突破：（1）基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；（2）基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；（3）基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术常用来检测光纤的断点及衰减特性，基于拉曼散射的分布式光纤传感技术主要用于温度测量，这两种技术已经趋于成熟，并已经实用化。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术能够实现温度和应变的同时测量，且测量精度、空间分辨率较高，该技术凭借其抗电磁干扰、长距离监测、高灵敏度等优点，在光纤复合架空地线（OPGW）和全介质自承式（ADSS）光缆监测、石油天然气管道泄露及发电厂、变电站高压设备、高压电缆的温度监测，以及大型混凝土结构的健康诊断方面具有广阔的应用前景，受到国内外的广泛关注与研究。

基本原理

下面我们将介绍拉曼WDM器件在拉曼散射分布式光纤传感技术中的几种应用。首先，让我们来了解一下拉曼散射分布式光纤传感技术的原理：

瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射

一束光注入到光纤中会产生三种不同频移的散射光，瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，光纤中三种散射光的频谱如图1所示。光纤中的瑞利散射是一种弹性光散射，散射光波长等于入射光波长，无频率变化。利用瑞利散射和光时域反射原理设计的光时域反射计（OTDR仪）可以用于光纤参数的测试；光纤中的布里渊散射的本质是入射光与声学声子相互作用的非弹性散射，布里渊散射的光谱频移是11GHz，根据光纤布里渊散射研制的光纤应变传感器已经开始应用于实际工程项目；光纤拉曼散射是入射光与光纤自身的光学声子相互作用，或吸收声子，转换为频率较高的散射光，或发射声子，转化为频率较低的散射光。

应用示例 

示例1：集成光纤拉曼放大器的分布式光纤温度传感器

集成光纤拉曼放大器

集成光纤拉曼放大器的远程分布式光纤拉曼光子温度传感器系统是基于光纤受激拉曼散射与光纤的反斯托克斯拉曼散射的融合原理和波分复用原理，利用了光纤的本征特性、光纤受激拉曼散射的放大原理、光纤的反斯托克斯拉曼散射波强度受光纤温度调制的原理和光时域反射原理。泵浦光纤激光器通过泵浦－信号光纤波分复用器，与1×2光纤双向耦合器连接，它的一端与50km光纤连接。光纤的反向瑞利散射光、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光通过光纤1×2双工耦合器的另一端与光纤光栅窄带反射滤波器连接，与斯托克斯光和反斯托克斯拉曼散射光的粗波分复用器，再与高隔离度的斯托克斯散射光和反斯托克斯拉曼散射光的滤波器连接，并分别与光电雪崩二极管相连，转换集成光纤拉曼放大器的分布式光纤温度传感器成模拟电信号并放大，测量两者的强度比，得到光纤各点的温度信息。

示例2：采用脉冲编码技术的分布式光纤拉曼温度传感器

采用脉冲编码、解码的分布式光纤拉曼温度传感器如图4所示。该传感器基于S矩阵转换对信号进行编码和解码，利用光纤拉曼光强度受温度调制的效应和光时域反射原理进行光纤在线定位测温的分布式光纤测温系统。包括光纤耦合高速多脉冲激光发射器，集成型光纤波分复用器，光纤温度取样环，本征型测温光纤，两个光电接收放大模块，编码解码解调数字信号处理器，数字式温度探测器和PC机。该传感器使用新颖的序列多位激光脉冲编码解码技术，在花费同样测量时间下能获得更好的信噪比，并且提高了发射光子数，可通过压窄激光脉冲宽度提高空间分辨率，对单个激光脉冲的峰值功率要求的降低又可有效地防止光纤非线性效应。

示例3：采用拉曼相关双波长自校正技术的分布式光纤温度传感器

拉曼相关双波长光源自校正分布式光纤拉曼温度传感器，包括拉曼相关双波长光纤脉冲激光器模块（由驱动电源，电子开关和主激光器和副激光器组成），集成型光纤波分复用器，两个光电接收放大模块，数字信号处理器，显示器和本征型测温光纤。集成型光纤波分复用器具有五个端口，其中输入的1，2端口分别与拉曼相关双波长的主激光器1550nm光纤脉冲激光器，副激光器1450nm光纤脉冲激光器相连，集成型光纤波分复用器的3端口与本征型测温光纤相连，输出的4端口（1450nm端口）与第一光电接收放大模块相连，输出的5端口（1550nm端口）与第二光电接收放大模块相连，第一光电接收放大模块的另一端和第二光电接收放大模块的另一端分别与数字信号处理器相连，数字信号处理器的信号输出端连接显示器。

示例4：嵌入光开关的分布式光纤温度传感器

利用光开关对光的时分复用特性，在分布式光纤拉曼温度传感器系统中嵌入1×4光开关，将测温光纤从原来的一路扩展为四路，如图6所示。可以有效地延伸分布式光纤拉曼温度传感器系统总的测温光纤长度。

发展趋势

近年来，隧道、电缆、输油管道、煤矿等火情安全形势非常严峻。2011年，国务院颁布了《国家综合防灾减灾规划（2011－2015）》要求加强灾害监测预警能力建设。科技部发布了《国家防灾减灾科技发展“十二五”规划》，将重大灾害光纤传感监测预警技术作为重点研究内容。在交通、电力、石化等行业出台的标准中都强制要求、明确规定在交通隧道、电缆隧道、油管等安装线性火情监测器。这些都为分布式光纤拉曼温度传感器发挥更大的作用提供了一个良好的外部环境，各种重大工程的应用也呈快速增长的趋势。

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