基于MATLAB的光纤剌曼传感信号传播特性的模拟研究

基于MATLAB的光纤剌曼传感信号传播特性的模拟研究
开题报告填写要求
1．开题报告（含“⽂献综述”）作为毕业设计（论⽂）答辩委员会对学⽣答辩资格审查的依据材料之⼀。

此报告应在指导教师指导下，由学⽣在毕业设计（论⽂）⼯作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后⽣效。

2．开题报告内容必须⽤⿊墨⽔笔⼯整书写或按教务处统⼀设计的电⼦⽂档标准格式（可从教务处⽹页上下载）打印，禁⽌打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。

3．“⽂献综述”应按论⽂的格式成⽂，并直接书写（或打印）在本开题报告第⼀栏⽬内，学⽣写⽂献综述的参考⽂献应不少于15篇（不包括辞典、⼿册）。

4．有关年⽉⽇等⽇期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、⽇期和时间表⽰法》规定的要求，⼀律⽤阿拉伯数字书写。

如“2006年11⽉20⽇”或“2006-11-30”。

毕业设计（论⽂）开题报告
1．结合毕业设计（论⽂）课题情况，根据所查阅的⽂献资料，每⼈撰写2000~4000字左右的⽂献综述：
⽂献综述
⼀、研究意义
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，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。

作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有⼀系列独特的、其他载体和媒质难以相⽐的优点。

光波不怕电磁⼲扰，易为各种光探测器件接收，可⽅便的进⾏光电或电光转换，易与⾼度发展的现代电⼦装置和计算机相匹配。

光纤⼯作频带宽，动态范围⼤，适合于遥测遥控，是⼀种优良的低损耗传输线；在⼀定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是⼀种优良的敏感元件；光纤本⾝不带电，体积⼩，质量轻，易弯曲，抗电磁⼲扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁⼲扰等恶劣环境下使⽤。

因此，光纤传感技术⼀问世就受到极⼤重视，⼏乎在各个领域得到研究与应⽤，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。

（1）拉曼散射分布式光纤温度传感器国内外发展概况（现状历史）
1928年印度科学家拉曼发现，当光⼦与流体和⽓体分⼦相互作⽤时，在⼊射光频率的两端会出现新的谱线，这⼀现象称为合并散射效应，即拉曼散射光谱。

拉曼散射效应可以⽤⼊射光与散射介质相互作⽤、能量转移加以解释，⼊射光与散射介质发⽣⾮弹性碰撞，在相互作⽤时，⼊射光可以放出或吸收⼀个与散射介质分⼦振动相关的⾼频声⼦，称为Stokes散射或Anti-Stocks散射。

近年来，⼀些科学家利⽤Rayleigh散射精细结构谱的强度与Rayleigh散射的强度⽐作⼀种新型的分布光纤传感器原理，进⾏了探索。

中国计量学院光电⼦研究所在近红外波段1550nm分布式光纤拉曼光⼦温度传感器系统研究试验中，观察到光纤Rayleigh背向散射精细结构的温度效应。

⽬前，基于拉曼散射的传感技术的主要集中在两个⽅⾯：⼀是基于拉曼光时域反射技术的分布式光纤传感技术；⼆是基于拉曼光频域分析技术的分布式光纤传感技术。

（2）本设计的应⽤领域及发展前景
应⽤领域：
①各种⼤、中型变压器、发电机组的温度分布测量、热保护和故障诊断；
②地下和架空⾼压电⼒电缆的热点监测和监控；
③⽕⼒发电所的配管温度、供热系统的管道、输油管的热；
④医院的ICU,CCU监护病房的温度检测和⽕警检测；
⑤煤矿、隧道的灾害防治及其报警系统；
⑥油库、油罐、危险品仓库、⼤型仓库的报警系统
⑦可⽤于各种结构体的分布式温度及应变的监测，如桥梁、⼤坝、隧道等。

⑧⽤于⼀种典型的基民结构⽤于航天、航空飞⾏器的动态检测和机器⼈的神经⽹络系
统。

发展前景：
激光器的出现，有⼒地推动了对拉曼散射的研究，并发现了新的拉曼效应，如共振拉曼散射、⾮线性拉曼散射、超拉曼散射。

受激拉曼散射。

拉曼散射⼴泛的应⽤于化学、⽣物学、物理学和医学等各个领域，有⼒得推动了对分布式光纤温度传感器的研究和应⽤。

把分布式光纤温度传感器埋⼊材料结构中，组成智能材料结构可以实现结构本⾝的实时⾃检测和⾃诊断，⽤于航空航天飞⾏器的在线、动态检测和机器⼈的神经⽹络系统。

这种崭新的学术思想将会使材料与⼯程科学产⽣⾰命性的变化，尤其是在航空航天的现代化⼯程领域具有特别重要的意义和⼴阔的前景。

⾃1988年开始SPIE国际光学⼯程协会将光纤智能结构的研究列⼊专题讨论会，这种智能结构系统已被美国联合研发开发中⼼⽤于计划中的空间站，以实现对空间站结构整体温度的分布式监控。

因此，通过，改善分布式光纤温度传感器信号处理⽅式来提⾼整个系统的性能具有⼗分重要的意义。

它能使分布式光纤温度传感器实现真正的分布式测量，完成准确测量、实时测量，从⽽真正发挥其巨⼤的实际运⽤。

⼆、系统⼯作原理图
拉曼分布式光纤温度传感器的⼯作原理如下图所⽰。

拉曼分布式光纤温度传感器主要由激光⼆极管(LD)、光纤波分复⽤器、光电接收与放⼤组件、信号采集与处理系统等单元组成
分布式光纤温度传感器由半导体激光器(LD)产⽣很窄的泵浦光脉冲，经光纤放⼤器(EDFA)进⾏功率提升后通过光纤分路器(3 dB光耦合器)耦合进传感光纤，在传感光纤
中将产⽣后向散射光，回来的后向散射光再经光纤分路耦合进光滤波器进⾏滤波和分离从⽽得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和作为参考信号的后向瑞利散射光，⾃此便完成了信号的采集⼯作；从光滤波器分离出来的后向反斯托克斯拉曼散射光和瑞利散射光再分别进⼊光电探测器进⾏光电转换，再经前级放⼤，从⽽完成信号的光电探测⼯作；此时信号⼰由光功率形式转换成电平形式，再分别进⼊放⼤器1和放⼤器2对电平信号进⾏放⼤，⽽后分别由两⽚A /D卡进⾏模数转换，从⽽得到数字信号，再由计算机对数字信号进⾏信号处理、分析计算，便最终得到对应点的温度场信息。

因此，发出光脉冲后，对后向拉曼散射信号进⾏⾼速的
多点采样，就可以获得沿光纤轴向的温度场分布，因此实现了分布式温度传感。

拉曼分布式光纤温度传感器⼯作原理图
三、拉曼分布式光纤温度传感器性能指标
拉曼分布式拉曼光纤温度传感器系统性能的最重要的参数是空间分辨率δL、时间分
辨率δt 和温度分辨率δT 。

下⾯将分别介绍并讨论这⼏个参数。

1、系统空间分辨率
空间分辨率描述了传感器系统对沿光纤长度分布的温度场进⾏测量所分辨的最⼩空间单元，即达到的分布式程度。

它主要由以下三个因素决定。

(1)基于OTDR 分布式测量技术系统空间分辨率的确定前⾯我们所讨论OTDR 测量原理,它
仅适⽤于输⼊光脉冲宽度△D →0的情况，并且在理论上所得到的空间分辨率为⽆限⼩。

然⽽在实际应⽤中是⽆法产⽣如此窄的光脉冲的，同时光电检测器还具有⼀定的上升时间，因此基于OTDR 技术的分布式测量系统有⼀定的空间分辨率，其⼤⼩主要取决于光脉冲的宽度和检测器上升时间的综合作⽤。

在光电检测器的上升时间⾜够⼩，输⼊光脉冲近似为矩形时，如下图所⽰：⼀脉冲光相继经过两孤⽴的散射体⽽发⽣散射（a)为泵浦脉冲刚好在第⼀个散射体发⽣散射，⿊⾊⼩⽅块为其散射脉冲。

图(b)为泵浦脉冲恰好通过第⼆个散射体，故此时存在两个散射脉冲，两散射脉冲之间的间隔为△L =2B-D 式中B 为两散射体之间的距离，D 为光脉冲的宽度。

如果将两散射体脉冲之间的空间距离的极限定为△L=0，则可得到恰好能分辨两个散射体之间的最⼩距离为B =D/2。

由于脉冲的宽度D 等于脉冲的速度v(它近似为v =c/n ，c 是光在真空中的速度，n 为光纤纤芯的折射率的最⼤值)与其脉冲时间宽度△τ的乘积，即D =v △τ=(c/n)△τ这样，根据上式即可确定系统的空间分辨率2/)(1t L ?=νδ。

（a ）光脉冲通过第⼀散射体
(b) 光脉冲通过第⼆散射体
(2)探测器响应时间确定的空间分辨率探测器存在⼀定的响应时间tc ，响应时间tc 的存在，表明即使△τ→0,传感器系统的空间分辨率δL 也不趋于零，⽽由tc 值决定，即2/2c t L νδ=
(3)A/D 转换时间确定的空间分辨率系统后续处理中A/D 转换所需要的时间ta 也对应了⼀个空间分辨率3L δ 2/3a t L νδ=此外，放⼤电路的带宽必须⾜够⼤，以保证不失真地进
⾏放⼤。

由以上分析可以得到拉曼分布式光纤温度传感器系统的空间分辨率为 }2,2,2max{},,max{321a c t t L L L L νντνδδδδ? ==
2、系统时间分辨率
系统时间分辨率是指传感器系统对待测温度场完成指定温度分辨率测量所需要的时间，它体现了传感器系统实时温度监测的程度。

δt 可以表⽰为δt =N/f 式中N 表⽰数字平均次数，f 表⽰光探测脉冲的重复频率。

平均次数越多，对有⽤信号的提取就越好。

但是信号数字平均的次数不可能因为提⾼系统信噪⽐⽽⽆限增⼤，因为这样会耗费相对长的时间，所以还要受到系统响应时间的限制。

3、系统温度分辨率
温度分辨率是分布式光纤温度传感器系统极其关键的⼀个指标。

温度分辨率是指为产⽣⼤⼩与总噪声电流的均⽅根值相同的信号光电流变化⽽需要的温度变化量。

换句话说也就是：温度分辨率是信噪⽐为1时对应的温度变化量，它是描述传感器系统实现准确测量的程度。

提⾼温度分辨率δT 是光纤温度传感器系统发展的⼀个重要⽅向，也是本⽂提出信号处理⽅法所提⾼的的重点性能参数，下⾯从理论上分析影响温度分辨率的相关因素。

根据系统的测温原理，反斯托克斯光功率
与瑞利散射光功率
的⽐值为：
A e C P P KT hcv AS R AS
==-40)(λλ
四、研究⽬的
(1)⾸先熟悉拉曼光纤传感信号的应⽤领域，发展现状与前景
(2)主要是了解光纤传感技术、拉曼光谱的产⽣机理，以及与温度的关系和检测⽅法。

(3)通过学习matlab 在matlab 中进⾏光纤拉曼传感信号传播特性的模拟研究
(4) 提出提⾼拉曼光谱检测的改善⽅法，
五、本课题的研究进度
（1）2011.1.5～2011.2.22完成对毕业设计各种相关资料的搜集；
（2）2011.2.23～2011.3.4学习拉曼光谱的基本知识，准备开题报告；
（3）2011.3.5～2011.3.10完成毕业设计开题报告；
（4）2011.3.11～2011.3.20对光谱的传播特性做进⼀步深⼊研究；
（5）2011.3.21～2011.4.1完成对各种原理的学习；
（6）2011.4.2～2011.4.10完成对外⽂资料的翻译；
（7）2011.4.11～20115.10学习MATLAB 并⽤相关知识完成对拉曼光谱特性的模拟；
（8）2011.5.11～2011.5.20制定论⽂撰写计划；
（9）2011.5.21～2011.5.27完成对毕业设计的完善及相关知识的进⼀步掌握；
（10）2011.5.28～2011.6.5进⾏毕业答辩。

六、已查阅参考⽂献：
（1）张树霖 .拉曼光谱学与低维纳⽶半导体 ,科学出版社，2008 P1:1-11
（2）李民赞，光谱分析技术及其应⽤. 科学出版社，2006 P3:10
（3）程光熙，拉曼布⾥渊散射，科学出版社，2001 P3:22
（4）张树霖，祖晓敏.近代光谱仪与进场光谱学.现代科学仪器，1996 .P4:10
（5）张贤达.现代信号处理.北京:清华⼤学出版社,2002 .P4-P5
（6）范康年. 谱学导论.⾼等教育出版社.2001 .P2:15
（7）严衍录. 近红外光谱分析基础与应⽤. 中国轻⼯业出版社. 2005 .P6:1
（8）刘克玲. 原⼦光谱学进展的综述。

光谱学与光谱分析 .2005 .P3:1
（9）王⽂国，原⼦与分⼦光谱导论. 北京⼤学出版社 1995 . P5:1
（10）王⾼天 .传感器与信号解调器件应⽤基础. 科学出版社 2002 .P3:29
（11）Ding Hao,Zhi Yao,Li Qing.Analysis of Differential Pressure Signal Based on WaveletTransformandHigher-orderStatistics.EngineeringScience,2006,P4: 14-18 (12) V.A.Tikhonov,Parametric Estimation of The Third-Order Spectra of The MixtureofaNon-GaussianSignalandGaussianCorrelatedInterference.Radioelectroni cs andCommunications Systems,2005, P4:24-29
（13）施伟黄德修，留德明. 分布式光纤传感器的研究和进展。

半导体光电，1998 .P2:15 （14）常程，李挣. 基于拉曼散射测温系统温度标定问题的研究.北京航天⼤学学报2001 P10:5
毕业设计（论⽂）开题报告２．本课题要研究或解决的问题和你采⽤的研究⼿段（途径）：
⼀．课题研究的问题
Raman 散射理论模型：
对于圆形的多模阶跃光纤的AdZ 体积内的N 0 AdZ 个分⼦，总的Stokes Raman 散射功率为'
,s ,0=s step s step dP P dZ ρΓ
式中Stokes Raman 散射的捕获系数为dz P o step as s step as ,,Γ=Γρ，0(/)(/2,eff s d d δπ?Ω）是Raman
散射的微分截⾯。

根据玻⾊-爱因斯坦关于光⼦的概率分布，Stokes Raman 散射的玻⾊-爱因斯坦因⼦为[]1
1exp(/)s E kT ρ-=--?
式中：k 是玻⽿兹曼常量；T 是光纤的绝对温度；?E 是发⽣Raman 散射时光⼦跃迁的两个稳态能级间的能量差。

如果T 是时间t 和位置Z 的函数，那么s ρ也就是时间t 和位置Z 的函数，
只是在很短的时间内温度可以认为⼏乎不变，就可认为s ρ和T 都只是Z 的函数，即
1(){1exp[/()]}S Z E kT Z ρ-=--? 同样对于反Stokes Raman 散射也有类似的公式
'
,,0as step as as step dP P dZ ρ=Γ
2,00(/)(/2,)as step c eff as N d d πβδπ?Γ=Ω 1
exp[/()](){exp[/()]1}1exp[/()]as E kT Z Z E kT Z E kT Z ρ--?==?---? （1）了解剌曼光谱的传输特性
拉曼光谱的基本特征
1、频率特征
斯托克斯和反斯托克斯频率的绝对值相等
2、强度特征
a 、拉曼散射强度极弱。

他⼀般只有⼊射光的10的负6到10的负12次⽅。

b 、拉曼光谱的斯托克斯强度⽐反斯托克斯的强度⼤的多，两者的⽐值要远远⼤于1
3、偏振特性
⼀般情况下拉曼散射光是偏振光，因此，拉曼光谱往往是偏振的光谱
（2）了解拉曼光谱的温度敏感特性
1．温度标定问题
温度是表征物体冷热程度的物理量。

严格的温度定义是建⽴在热平衡定律基础上的：即两物体相互处于热平衡时，存在⼀个数值相等的态函数，这个态函数称为温度。

因此，温度定义是有⼀个参考点的。

基于后向Raman 散射测温系统是温度传感器的⼀种，它按照⼀定的规律实现Anti-Stokes 、Stokes 信号的检测。

将其强度⽐和被测区域温度建⽴关系。

所谓系统温度标定问题，就是解决如何将系统测得的Anti-Stokes 、Stokes 光强度⽐转化为被测区域的温度信息。

如果有⼀个已知参考点温度T 0
4
00()()exp(/)s as R T hc kT λγλ=-? 还可以得到系统的温度标定公式：
001
1
()ln ()k R T T T hc R T γ=-?
即可以将系统测得的强度⽐转化为相应的温度信息，实现系统的温度标定。

2．系统温度标定的原则
系统的温度计算和T 0是密切相关的。

下⾯将从稳定性和系统测温精度两个⽅⾯出发，优化T 0的选择，提出关于系统标定的⼀条重要原则。

1)稳定性
所谓稳定性是指：当T0有⼀个微⼩扰动dT 0时，相应强度⽐的扰动d Ｒ(T 0)要尽量⼩，这样参考温度的扰动对系统温度测量的影响最⼩。

得到，
00200()
().dR T hc R T dT kT γ?=
令2
000
[()./]
0d R T hc kT dT γ?=,得到结果如下图所⽰。

最⼤值有下式给出： 0m ax ().0317.08()43.93()2dR T hc T k C k γ
===
结果表明：当T 0选择在0m ax ()0dR T T 时，温度T 0的微⼩扰动dT 0对系统温度计算的影响最⼤，
因此，系统温度标定的第⼀条原则是：T 0尽量不选择在0m ax ()0dR T
T 。

(2)系统测温精度
所谓系统测温精度是指：如何确定T 0的精度，以保证满⾜系统温度测量的精度。

从公式出发，得到
2
0200().{ln[()/()]}hc dT dT hc T k R T R T γγ?=?-
经过简化计算，最后得到
200().T dT dT T =
表明：T 0的精度d T 0是和被测区域温度范围的上限T 和系统温度测量精度dT 密切相关的。

在两者⼀定的前提下，T 0选择的越⾼，相应的对其精度的要求就越低。

下⾯给出测温精度dT 为1℃，测温范围分别为0℃～370℃和0℃～300℃两种情况下，选取不同T 0时对应的dT 0计算结果。

如图所⽰测温精度。

从图可以看出，在选取相同T0的前提下，系统待测区域温度上限越⾼，相应对dT 0的要求也越⾼。

在综合上述分析结论的基础上，得到确定T 0的⼀条基本原则：即在条件允许的前提下，T 0选择的越⾼越好
（3）⽤MATLAB 完成拉曼光谱特性的模拟
（4）提出拉曼光谱温度解调的改善⽅案
⼆．研究⼿段
1、参阅资料
参阅各类书籍上国内最新的研究成果以及国外学者对拉曼传感信号传播特性的研究成果。

2、咨询指导⽼师
向指导⽼师咨询其对布⾥渊传感信号传播特性和解调的理解与看法。

在指导⽼师的指导下，根据课题研究的⽬的，以严谨的科学态度进⾏分析，便于对相关书籍及⽹上有关资料进⾏学习借鉴，对重要的知识点要做全⾯系统的了解，以材料为核⼼，争取尽可能多的掌握原始资料，对研究课题做充⾜的准备，进⽽对本研究设计做总体的概述、提出研究提纲，对研究进程作出科学的时间安排，结合前⾯的即学知识认真勾画出课题研究⽅案。

3、学习MATLAB软件
⽤MATLAB完成剌曼光谱特性的模拟,在MATLAB环境中运⾏测试，对其进⾏修改完善，得出全⾯⽽准确的结论，尽最⼤努⼒在相应时间内完成已定⼯作，交指导⽼师处进⾏检查。

4、理论⼿段：
基于拉曼散射的分布式传感系统，⼯作波长处于长波段，受⾊散和衰减影响较⼩，适于长距离传感，⽽且普通单模光纤的⾃发布⾥拉曼，其散射光频移和功率都受环境温度和应变的影响，可通过检测拉曼散射光信号的频移和功率，同时得到沿光纤⼀维分布的温度和应变。

5、实验⼿段：
拉曼频移及功率都与光纤模式的有效折射率有关，⼀旦⽯英的折射率随局部环境的变化⽽改变，则两者亦随之改变。

⽽光纤所处环境的温度和应⼒都能改变⽯英的折射率，因此只要检测光纤中拉曼频移和功率的变化，就可得到环境温度和应⼒在此距离上的分布。

根据上述原理，采⽤⾼速采集卡采集信号，⽤FPGA控制系统器件同步，以正交偏振控制减少检测信号额偏振相关性影响，对采集到的数字信号进⾏叠加和基于⼴义S变换的信号处理，同时得到了拉曼散射光的频移和功率，完成了基于光相⼲检测拉曼光纤时域反射计的双参量分布式光纤传感器的设计。

毕业设计（论⽂）开题报告指导教师意见：
1．对“⽂献综述”的评语：
2．对本课题的深度、⼴度及⼯作量的意见和对设计（论⽂）结果的预测：
指导教师：
年⽉⽇系（教研室）审核意见：
负责⼈：年⽉⽇
2,00(/)(/2,)
s step c eff s N d d πβδπ?Γ=Ω。