基于拉曼散射的分布式光纤折叠结构温度传感器

王 真， 孙晓红， 薛 琦， 王 帅， 王喜世

(1.郑州大学 信息工程学院 河南 郑州 450001; 2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室 安徽 合肥 230026)

基于拉曼散射的分布式光纤折叠结构温度传感器

王 真1， 孙晓红1， 薛 琦1， 王 帅1， 王喜世2

(1.郑州大学 信息工程学院 河南 郑州 450001; 2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室 安徽 合肥 230026)

提出了基于光纤折叠结构的分布式温度传感器系统，该系统只采用反斯托克斯散射光的方法解调温度.由于光纤折叠结构的应用，光纤内相对于半长度处对称的两个不同位置的后向拉曼散射所携带的温度场信息相同，这样就可以只探测反斯托克斯散射光强解调出温度，从而消除了传统方法中由于波长不同而引起的损耗差，有效提高了测量精度.最后用时域累加平均预处理信号，再用小波变换使信噪比由1 dB提升到11 dB.

温度传感器； 反斯托克斯； 拉曼散射； 小波变换

0 引言

入射激光脉冲在光纤中传播时产生拉曼散射，拉曼散射包含斯托克斯散射和反斯托克斯散射.因为反斯托克斯散射光对温度敏感，斯托克斯散射光对温度不敏感，可以用斯托克斯散射光解调反斯托克斯散射光，利用二者的比值得到温度信息，这是传统的基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理[1-4].但是这种方法存在一些不足之处: 不同的光纤类型斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的波长有100～200 nm的差值，由于波长不同，两者在光纤中传播时的损耗不同，在光纤不同距离下两者的比值是关于距离的一个函数，而不是一个定值，这就给测量带来了误差.

针对传统方法存在的问题[5]，文献[6]提出了双光源的方案，该结构采用了两个不同波长的光源.主激光器的入射激光波长和副激光器的斯托克斯散射光的波长相匹配，这样斯托克斯散射光的波长和反斯托克斯散射光的波长相同，消除了两者的损耗差.但是由于采用双光源增加了整个系统的成本，而且特殊波长不容易相匹配.文献[7-8]提出了双端结构，只利用反斯托克斯散射光，消除了波长差引起的损耗偏差.这种结构采用一个光源的激光脉冲从光纤两端入射的办法，增加了系统的复杂性.文献[9]对该结构进行了优化，提出了光纤末端增加反射镜的方法，同样解决了斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光波长差引起的损耗差问题.这种结构相对简单，但是依赖反射镜的反射率，而且探测到的信号中除了反斯托克斯散射光的有效成分还包含了很多的其他成分，增加了后期信号处理难度.本文提出了一种基于拉曼散射的折叠光纤结构，在两根相同光纤的末端将两根光纤相互熔接即可实现折叠结构.两根光纤所处环境相同，激光脉冲从入射端进入光纤之后，在温度变化处可以有两次拉曼散射，接收到两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长差引起的损耗偏差.

1 基本原理

如图1所示，折叠后的两根光纤紧密排布在一起置于测量场内，l处为温度变化区域，由于光纤的折叠结构，2L-l处也处于温度变化场内(2L为整个传感光纤长度).激光器发射的激光脉冲通过光旋转镜进入传感光纤，在l处产生第一次反斯托克斯背向拉曼散射，在入射光经过2L-l处产生第二次反斯托克斯背向拉曼散射.由于两次反斯托克斯背向拉曼散射发生在同一温度变化区域，所以两次反斯托克斯背向拉曼散射光强相同，最终两次反斯托克斯背向拉曼散射光被探测器接收.

图1 系统结构和两次拉曼散射原理示意图Fig.1 The system structure and two Raman scattering principle diagram

l和2L-l处温度场相同，两位置处的后向反斯托克斯拉曼散射光强分别为

(1)

(2)

式中：R(T)是光纤l和2L-l处温度信息场函数，R(T)=[exp(ħΔν/κT)-1]-1， ħ为普朗克常量，Δν为拉曼散射的频移量，κ为玻尔兹曼常量；Kas为反斯托克斯散射截面；S为背向散射因子；νas为反斯托克斯散射的光子频率；I0为入射光强；α0和αas为光纤中入射光和反斯托克斯散射光的衰减系数.

将(1)式和(2)式相乘，可得

其中：exp[-(α0+αas)L]是与探测距离无关的一个常量，最后得到的任何一点的光强损耗都为入射光和反斯托克斯散射光在整根探测光纤中的损耗.选择距离起始处为参考点，参考温度为T0，可得解调温度公式为

(3)

该温度解调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长差引起的损耗差问题，而且利用光纤折叠结构使得温度变化区域处的反斯托克斯散射光在光纤中的损耗为在整根传感光纤中传播的损耗，且不随距离变化而改变，有效减少了误差.

2 结果与分析

光纤总长(2L)为8 km,环境温度为20 ℃，光纤长度2.5 km和5.5 km处探测场的温度为60 ℃，对探测到的光强分布累加15 000次平均处理后得到的曲线如图2所示，图2中光强数值为归一化处理的结果.可以看出，光强变化的两处关于4 km对称，传感光纤上光强的分布随着距离的增加而减小.把探测到的光强信号带入到式(3)中得到温度分布曲线，结果如图3所示.可以看出，经过预处理的信号信噪比还是非常低，需要进一步的降噪处理.

由于温度分布曲线上的探测点以单一脉冲方式随机出现，单独的频域或者时域滤波效果都不好，所以本文采用时频滤波的方法小波变换去噪，用db5小波对预处理后的信号6层小波分解，得到1至6层小波系数细节如图4所示.

小波变换模极大值法能有效保留温度突变点的信息，所以用此方法对不同细节分量di小波系数进行处理，阈值的确定采用软阈值方法，重构得到信号如图5所示.可以看出，在2.5 km处的温度为61.5 ℃，在5.5 km处的温度为62.7 ℃，误差分别为1.5 ℃和2.7 ℃，没有随着距离的增加而出现较大的误差.光纤的前端和后端环境温度基本保持在20 ℃左右，系统测量误差±1.7 ℃，空间分辨率为1 m，不存在波长差引起的损耗差使得光纤上的温度分布随着距离的增加而减小.因此，使用折叠光纤结构使整条光纤上的温度分布得到了很好的矫正.

图2 传感光纤上的光强分布Fig.2 The intensity distribution on the sensing optical fiber

图3 传感光纤上的温度分布Fig.3 The temperature distribution on the sensing optical fiber

图4 1至6层小波系数细节Fig.4 1 to 6 layers details of the wavelet coefficient

图5 小波变换后传感光纤上的温度分布Fig.5 The temperature distribution on the sensing optical fiber after wavelet transform

3 结论

对基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的温度解调方法进行分析，提出了一种光纤折叠的结构.传统温度解调的方法使用反斯托克斯散射和斯托克斯散射的比值来得到温度，但是这两种散射光波长不同，在光纤中传播会有损耗差.使用折叠光纤的方法使激光脉冲在温度场内有两次拉曼散射，从而可以只探测对温度敏感的反斯托克斯散射光，消除了损耗差，使温度的测量精度得到提升.由于探测信号存在大量噪声，提出了先用累加平均方法对信号预处理，然后再用小波变换的方法降噪，信噪比由1 dB提升到11 dB.

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(责任编辑：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

河南省基础前沿项目(152300410023)；中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室开放基金项目(HZ2016-KF01).

王真(1991—)，男，河南巩义人，主要从事光纤传感研究，E-mail:873128752@qq.com；通信作者：孙晓红(1971—)，女，河南郑州人，教授，主要从事光子晶体和光纤传感研究，E-mail: iexhsun@zzu.edu.cn．

TN253

A

1671-6841(2017)03-0065-04

10.13705/j.issn.1671-6841.2016323