刘 文1，杨坤涛1，许远忠2
(1.华中科技大学光电子工程系，湖北武汉 430074;2.武汉光迅科技有限责任公司，湖北武汉 430074)
摘要：光纤传感器是一种新发展起来的传感技术。文章介绍了基于自发Raman 散射的分布式光纤测温系统的应用及其结构 设计，并着重分析了在脉冲光作用下系统的测温原理，同时设计了一个新型的基于薄膜滤光片的用于Raman 散射的波分复用(WDM )组件。
关键词:Raman 散射；分布式；光纤传感器中图分类号:TN814 文献标识码:A 文章编号:1005-8788(2005)04-0054-03
Design of distributed optical f iber temperature sensing system based
on spontaneous R aman scattering
L IU Wen 1,YANG K un 2tao 1,XU Yuan 2zhong 2
(1.Dep.of Optoelectronics Eng.,HUST ,Wuhan 430074,China ;2.Accelink Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China )
t5电子镇流器Abstract :Optical fiber sensor is a newly developed technology.This paper presents ,a distributed fiber tem perature sensing system based on spontaneous Raman scattering ,its applications and configuration design.The principal operation of the system pumped by a pulsed laser is analyzed emphatically.A new type of WDM based on the thin film filters used in Raman scatterin g is designed.K ey w ords :Raman scattering ;distributed ;optical fiber sensor
光纤传感是伴随着半导体技术和光通信技术的发展而兴起的一门新的传感技术。当光在光纤这种媒质中传播时，表征光波的特征参量(如振幅、相位、波长等)会因外界因素(如温度、压力、加速度等)的作用而间接或直接地发生变化，从而可把光纤作为传感元件来探测各种待测量，这就是光纤传感的基本原理[1]。 光纤传感器具有许多优点，如防燃防爆、抗辐射干扰、安装方便、保密性好和精度高等，在工业、军事、医疗、过程控制及恶劣环境下都得到了广泛的应用[2]。而分布式光纤测温系统是专门为大范围多点温度的测量而设计的。
1 自发Raman 散射的分布式光纤测
温的原理
自发Raman 散射的分布式光纤测温技术是利
用光在光纤中传输时产生Raman 散射信号和光时域反射(O TDR )技术来获取温度场的分布信息。当具有一定能量的泵浦光(ν0)注入到光纤中时，入射光子与纤芯分子相互作用，受纤芯的微观密度变化和成分起伏的影响，会产生Rayleigh (ν0)散射、
Anti -stokes (νa =ν0+Δν)散射和Stokes (νs =ν0-Δ
ν)散射(对石英光纤介质而言,Δν=1.32×1013Hz )。Raman 散射光的强弱受到光纤散射点的
温度调制，背向散射回来的Raman 光经过光学滤波、光电转换、A/D 后，送入信号处理系统便可将温度信息显示出来，同时可根据光在光纤中的传输速度和背向散射光回波的时间对温度场的空间信息进行定位，所以它同时也是一个典型的光纤雷达系统。
当功率为P 0，频率为ν0的泵浦光注入到光纤中时，在光纤局域L 处温度为T ，光纤入射端所探测到的背向Anti -sotkes 、Stokes 散射光P a 、P s 分别为
P a =P 0K a S b ν4
a exp [-(α0+αa )L ]R a (T ),(1)P s =P 0K s S
b ν4s exp [-(α0+αs )L ]R s (T ),(2)
式中,P 0为注入到光纤中的有效功率;K a 、K s 分别
是与光纤Anti -stokes 和Stokes 散射界面有关的系
数数;S b 为背向散射的系数;α0、αa 、αs 分别是入射光、Anti -stokes 和Stokes 散射光在光纤中的传输损
耗;R a (T )、R s (T )分别为在温度T 时与光纤分子低能级和高能级布居数有关的系数,R a (T )=[exp (h Δν/k T )
-1]-1,R s (T )
=1+
[exp (h Δν/k T )-1]-1
，式中,h 为普朗克常量;k 为
波尔兹曼常量。
采用Anti -stokes 散射光的光强所携带的温度信息来进行测温，同时为了消除参考注入光功率大
收稿日期:2004210218
作者简介：刘文(1978-)，男，湖北石首人，硕士，主要研究方向为光无源器件和光纤传感。
4
52005年 第4期(总第130期) 光通信研究STUD Y ON OPTICAL COMMUNICATIONS
2005(Sum.No.130)
小的不稳定性、光纤弯曲和受压等环境干扰对An 2
ti -stokes 光的影响，可以把Stokes 光作为参考信道，故将(1)、
(2)两式相比，可以得到距光纤始端L 处的温度F (T )为
F (T )=K a /K s (νa /νs )4
exp (-h
Δν/k T )・exp [-(αa -αs )L ]。
(3)琴谱架
可知Anti -stokes 和Stokes 散射光光强之比只
与环境的绝对温度有关，而与注入泵浦光的功率大小、光注入条件及光纤应力条件、几何尺寸及组成成分无关。
三维景点
当系统处在参考温度T 0时,
F (T 0)=K a /K s (νa /νs )4
exp (-h
Δν/k T 0)・exp [-(αa -αs )L ],
(4)
将(3)、
(4)两式相除，可以得到1
T =
1
T 0
-
k
h
Δνln
F (T )F (T 0)
,(5)
F (T )
F (T 0)
的值为光/电转换后的电压信号的比
，通过
式(5)就可以求得光纤局域处的温度T 。
2 系统结构
系统的结构图如图1所示。
图1 系统结构图
激光器的驱动电路一方面调制半导体激光器，使其发出一系列脉冲，同时必须向高速A /D 卡提供同步脉冲。2.1 传感光纤
选择光通信中用于短距离传输的多模光纤(62.5/125μm ,N A =0.275,n eff =1.496)(俗称“数据光纤”
)来作为传感光纤，这种光纤在普通光纤中掺入了较高浓度的锗，其Raman 散射可以增强1～2个数量级[3]。同时它有较大的有效截面积和
数值孔径，具有良好的聚光性且易于与激光器耦合。2.2 光源
对于分布式光纤测温系统，注入到光纤中的泵浦光应低于受激Raman 散射的功率阈值P th ，当处
于受激Raman 散射时，由耦合理论F =
P a
P s
=3ω2s 4c 2k 2s
[χ(3)s +χ(3)N K ]E (2)L (0)/Δk [4]
可知,F 并不能反映温度T 的变化。
把980nm 连续激光注入到数据光纤中时，用
光谱仪观测到如图
2、3、4所示的散射光谱
。
图2 Anti -stokes 光
图3 980nm 入射光
图4 Stokes 光
为了实现分布式测温，需要在光纤中注入一系
列的脉冲光，每当一个脉冲注入后，通过光/电转换和高速A/D 转换后完成整个沿线各个可以分辨点的一次测量。由于半导体激光器(LD )具有极高的功率密度和量子效率，良好的调制性、稳定性及长寿命，而且相对其他激光光源有很高的性价比，因此我们采用了光纤耦合输出的980nm 大功率脉冲激光器，这种激光器经过驱动调制后，可以产生极窄(τ=42ns )的光脉冲，脉冲的重复周期为1ms 。在某一时刻t ，在脉冲泵浦光作用下，光纤始端所接受的背向Anti -stokes 光为[5]P a (t )=
∫
ct/2n
pm2.5监测c (t -τ
)/2n P o (L )exp (-αa L )d L ，式中,n 为光纤纤芯
5
5刘 文等: 基于自发Raman 散射的分布式光纤测温系统的设计
折射率;c 为光在真空中的速度。
P a (t )=
∫
ct/2n
纸浆模具c (t -τ
)/2n P o K a S b ν4a [exp (h
Δν/k T )-1]-1
・
exp [-(α0+αa )L ]d L ,(6)
近似认为α0=αa ，且
(α0+αa )τ
2n
ν1，式(6)化简为
P a (t )=c τ2n
P 0K a S b ν4a [exp (h Δν/k T )-1]-1
・exp [-α0
ct
n
]，同样在光纤始端所接收到的Stokes 光为P s (t )=c τ2n
P 0K s S b ν4
s [1-exp (-h Δν/k T )]-1
exp [-α0
ct n ]，利用O TDR 技术，可以测得光纤沿线温度场的分布。2.3
WDM 组件
设计的波分复用(WDM )组件基于低插损、高隔离度的干涉型薄膜滤光片(TTF )，其中心频率分别是An
ti -stokes 和Stokes 的频率，其插损<2dB ，带宽为7nm ，隔离度>60dB 。
图5 WDM 组件示意图
1×3WDM 组件能实现从背向散射光中提取Anti -stokes 和Stokes 光，并抑制住较强的Rayleigh
散射光及其他非线性散射光，其结构如图5所示。组件的具体工作方式:980nm 的光由端口1入
射，端口2输出由光纤产生的背向散射光。背向光返回经过端口2，由滤光片滤出的943nm (Anti -stokes )和1021nm (Stokes )的光分别经过端口3、4输出。
2.4 光/电转换及高增益宽带放大器
背向Raman 散射光非常微弱，而雪崩光电二极管(APD )具有内部雪崩增益，因此成为分布式光纤
传感系统中完成微弱Anti -stokes 和Stokes 光/电转化的优选器件。为了保证系统的空间分辨率,APD 的上升时间不应低于光脉冲(42ns )的宽度。2.5 A/D 转换
在激光器驱动电路的同步脉冲控制下，还需要对经光/电转换而来的携带着温度场信息的模拟电信号进行高速A/D 转换。同样地，为了保证系统的空间分辨率，一次采样的间隔时间应低于光脉冲的宽度(42
ns )。我们采用了双通道的50M (相当于空间分辨率2m )高速采集卡，把信息送入计算机，通过软件设计进行处理。为了提高系统的信噪比，采用了多次累加平均的方法，如测量10000次，可以提高系统的信噪比。
3 结束语
为进一步提高系统的测温性能，可以作如下改进：采用长波长器件如1550nm 的长波长高功率激光器、调Q 的掺铒光纤激光器；进一步利用半导体技术，降低APD 及放大电路的噪声，提高其增益和带宽，以便更准确地从强背景噪声中提取温度信号；提高A/D 卡的转化精度和频率，并配以人性化的功能全面的软件系统，以提高系统的效能。
参考文献:
[1] 杨华勇。反射式强度型光纤传感器强度调制特性的数
学模型与关键技术的研究[R ]。北京：国防科技大学,
2000。
[2] 史永基，史红军。光纤传感器的现状[J ]。传感器世
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[4] 王奎雄。非线性光学[M ]。北京：国防工业出版社,
1988。
[5] Darkin J P.Distributed Anti -stokes ratio thermometry ,
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6
5光通信研究 2005年 第4期 总第130期缓冲块
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