拉曼散射和布里渊散射资料

1 拉曼介绍

光在光纤中传输时，入射光子与光纤分子相遇会发生弹性或非弹性碰撞：在非弹性碰撞过程中，入射光子会吸收或释放声子，入射光子与光纤分子之间发生

能量转移，结果会产生与入射光子频率不同的反斯托克斯和斯托克斯光子。

布里渊原理

光纤中的布里渊散射效应是入射光波场与光纤中的弹性声波场间相互耦合

作用而产生的一种非线性光散射现象，其主要特点是散射光的频率相对入射光频

率发生变化，频移量的大小与散射方向以及光纤内的声波特性有关。根据入射光

强度的不同，光纤中会产生自发布里渊散射或受激布里渊散射。

俩者联系

布里渊散射是布里渊于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。

2 各自优缺点

利用光纤中的布里渊散射实现分布式温度测量的系统，由于工作在非线性受

激散射状态下，所产生的布里渊散射光强较大，而且具有较高的温度灵敏度，因

而是一种很有应用发展前景的方案。但采用该方案的系统，要求激光器的功率能

够达到使光纤产生受激布里渊散射，而且布里渊散射光相对于入射光的频移很

小，相应的分光和检测器件不容易实现，增大了测量难度。最主要的是，布里渊

散射光同时对光纤受到的应变、应力敏感，所以在用于温度传感时必须设法补偿

这一响应量，也使整套系统变得复杂，增加了成本。

利用后向自发拉曼散射的方案，在理论上比较成熟，因为是测量拉曼散射光

强度的变化，相应的光电探测器件也比较多，所以系统容易实现。而且采用反斯

托克斯与斯托克斯光强度的比值作为温敏信号的方案能消除光纤弯曲、压力等非

温度因素对光强的影响。就是后向反斯托克斯光比较弱，增加了检测难度，但只

要保证足够的入射功率，采用截止特性足够好的滤光片，在一定程度上能够获得

足够强的信号。而且随着现代光电子器件的快速发展，光电管的灵敏度和放大倍

数都得到了很大提高，所以光电探测方面也没有问题。在系统中，硬件方面采用

具有较高探测灵敏度的光电转换器件，设计低噪声放大电路，数据处理方面运用

数据累加平均和小波去噪等措施，可以使系统的信噪比达到一个比较理想的水

平。目前，采用该方案的系统，商品化程度最高。本论文也采用该方案，即基于

光纤中的后向拉曼散射实现的分布式温度测量。

3 拉曼几项关键技术

将拉曼放大技术应用于DTS系统，用拉曼增

益部分抵偿光纤的传输损耗，使系统的传感长度达到50 km；对脉冲激光器进行211位循环编码，在接收时采用相关运算解

调，显著提高系统的信噪比，使测温不确定度达到1℃；采用双波长自校正技术提高了系统的空间分辨率，达到2 m；在DTS 系统中嵌入光开关，使测温通道成倍扩展，有效延伸了传感光纤的总长度，组成光纤传感网络

数据处理

分布式拉曼光纤温度传感系统的性能指标是受信噪比水平限制的,数据处理,特别是噪声处理对系统实用性的作用显得尤为突出。系统噪声的来源多种多样,很大一部分噪声是系统器件引入的随机噪声,突出表现

为APD探测器在光电转换与信号放大时引入的暗电流噪声、散粒噪声、热噪声以及附加噪声。这些噪声互不相关,其幅度、波形、相位变化毫无规律,均看作白噪声进行处理。我们知道白噪声的典型特征是它具有零均值的统计特性,采用多次累加平均的处理方式能最有效地抑制这类噪声的影响,达到改善信噪比的目的,同时系统使用脉冲激光器,其产生的信号周期性良好,十分适合进行累加平均处理。

通常采用数据累加平均算法进行去噪处理，该方法简单，易于实现，也能获得一定的去噪效果，但该方法存在下列不足：因为数据累加平均需要较长的运算时间，所以该方法是以增加系统的测量时间为代价，换取信噪比的提高；存在一个极限，即当数据累加平均次数到达一定值后，信噪比几乎不再得到改善；对信号中混有的高频噪声成分处理效果不明显。

小波变换滤波法有

强制消噪法、小波域阈值滤波法和小波变换模极大值法[43]。小波变换模极大值滤波法是依据不同小波分解尺度上信号和噪声对应的模极大

值的传播特性的差异,滤除噪声的模极大值的同时保留信号的模极大值,最后通过余下的模极大值进行小波信号重构。小波变换模极大值滤波法的优点是能够完整地保留原始信号的突变信息,并且经过滤波后的信号基本没有多余的噪声波动,十分适合于去除拉曼温度传感信号中的高频噪声;其缺点是对低频信号或者瞬时脉冲信号的滤波效果并不突出。

4.布里渊

根据散射信号产生方式的不同,将布里渊分布式光纤传感器分为BOTDA和BOTDR。前者是基于受激布里渊散射原理实现的。散射光功率较高,但要在光纤双端都注入信号, 机构较为复杂。后者是基于自发布里渊散射原理实现的,结构简单,但散射光功率较弱, 对信号处理的要求较高。根据个这两种传感器的优势不同,应用于不同场合。

(a)为普通BOTDR的简图,光源发出的光经调制后成为脉冲激厉力光,由掺

铒光纤放大器(m)FA)放大后输入传感光纤的一端,其后向的自发布里渊散射光被光电

探测器接收,经过光电信号处理,输入计算机进行数值计算,根据布里渊频移量和散射

光幅度来计算温度/应变信息,并根据接收散射信号的时间以及光在光纤中传播的速度

来判断具体的传感位置。

图1. 1 (b)为普通BOTDA的简图,对比(a)与(b),可知,BOTDA不同于BOTDR,

因为受激布里渊散射需要探测光和激励光同时在传感光纤中传输,因此,在光纤的尾端, 输入探测光,其与脉冲激励光有一个布里渊频移。二者在光纤中发生受激布里渊散射效应,相对于自发布里渊散射效应,有更大功率的散射光被光电探测器接收,然后经过光

电信号处理,输入计算机进行计算。