基于拉曼散射的分布式光纤定温与差温探测方法
毕业设计(论文)-基于matlab的光纤拉曼传感信号传播特性的模拟研究[管理资料]
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摘要在光纤中所探测到的含有温度信息的拉曼后向散射光十分微弱，甚至完全淹没在噪声中，所以分布式光纤温度传感器信号处理的研究是比较重要的，这样才能对拉曼光谱进行详细的分析，才能更好的应用。
光纤中的散射光主要包括瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射。
在本论文中概述了散射原理并对拉曼散射的基本原理做了详细的叙述。
在光纤的传输过程中，损耗是一个主要问题，文中重点研究了光纤传输损耗，并用matlab对传输过程中的损耗进行了仿真模拟分析。
本文在温度对光谱产生的作用方面也做了阐述，分析了拉曼分布式光纤温度传感器性能指标。
通过以上的了解提出拉曼分布式温度传感器温度信号的三种解调方法，并比较三种解调方法的优缺点。
利用对拉曼光谱特性的模拟，并通过对仿真图的数据分析指出拉曼散射与外界个因素之间的关系。
关键词：分布式光纤拉曼光谱温度效应解调方法Title MATLAB-based Fiber Optic Sensor Signal propagatiocharacteristics of the assassination of Raman Simulation studyAbstractIn the fiber containing the temperature information detected by the Raman backscattering of light is very weak or even completely submerged in the noise, so the distributed optical fiber temperature sensor signal processing research is more important, so as to details of the Raman spectra Analysis, in order to better applications.The scattered light fiber includes Rayleigh scattering, Brillouin scattering and Raman scattering. In this paper the scattering theory outlined the basic principles of Raman scattering and a detailed description. In optical fiber transmission process, the loss is a major problem, the paper focuses on the transmission loss and transmission using matlab on the process of loss and the mutation occurred in a simulation analysis. In this paper, the effect of temperature on the spectrum have also done a paper analyzes the distributed optical fiber Raman temperature sensor performance. Through the above understanding of the proposed Raman distributed temperature sensor temperature signal of the three demodulation method, and compare the advantages and disadvantages of the three demodulation. Use of Raman spectral characteristics of the simulation, and through the simulation analysis of the data graph that Raman scattering and the relationship between external factors.Keywords Distributed optical fiber Raman spectroscopyTemperature effect Demodulation目录摘要 (1)Abstract (2)1 引言 0 0本论文的主要研究内容和组织安排 (1)2 光纤中的散射光分类及拉曼散射的原理 (1) (2) (4)Raman散射理论模型 (6)3 拉曼光谱的传输特性 (7)拉曼光谱的基本特征 (7)损耗的机理 (7)光纤拉曼增益系数的测量 (11) (12)4 拉曼光谱的温度敏感特性 (14) (15)Raman散射型分布式光纤温度传感器系统的温度标定 (15) (19) (21)5 拉曼分布式光纤温度传感器的温度信号解调方法 (23) (24) (24)利用瑞利散射光功率曲线的解调方法 (26)三种解调方法的比较 (27)6 基于MATLAB的模拟仿真 (28)结论 (34)致谢 (35)参考文献 (36)附录 (38)1 引言光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径迅速发展起来的一种崭新的传感技术。
基于拉曼散射的分布式光纤定温与差温探测方法
基于拉曼散射的分布式光纤定温与差温探测方法费芹;秦俊【摘要】基于拉曼散射的分布式光纤测温系统应用于火灾监测有独特的优势，弥补了传统感温探测器的不足。
介绍了基于拉曼散射的测温原理及基于光时域的空间定位原理，并进行了火灾预警实验，实验结果表明当建筑物高度在一定范围内，基于拉曼散射的分布式光纤测温系统可以很好地实现火灾预警功能。
%For application in fire monitoring , the distributed optical fiber temperature measurement system based on Raman scattering has a unique advantage of making up for the deficiency of the traditional thermal detector .This paper introduces the temperature measurement principle based on Raman scattering and space positioning principle based on optical time domain .A fire warning experiment was carried out ,which showed that the distributed optical fiber temperature measurement system based on Raman scattering can well realize fire warning function for building heights within a certain range .【期刊名称】《火灾科学》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】5页(P109-113)【关键词】拉曼散射;分布式光纤测温;火灾预警【作者】费芹;秦俊【作者单位】中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026;中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026【正文语种】中文【中图分类】X9320 引言人类十分重视火灾的监测。
基于拉曼散射的分布式光纤折叠结构温度传感器
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【摘要】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.%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 improvedeffectively.Finally,cumulative average in time domain and wavelet transform were applied,and the SNR was promoted from 1 dB to 11 dB.【期刊名称】《郑州大学学报（理学版）》【年(卷),期】2017(049)003【总页数】4页(P65-68)【关键词】温度传感器;反斯托克斯;拉曼散射;小波变换【作者】王真;孙晓红;薛琦;王帅;王喜世【作者单位】郑州大学信息工程学院河南郑州 450001;郑州大学信息工程学院河南郑州 450001;郑州大学信息工程学院河南郑州 450001;郑州大学信息工程学院河南郑州 450001;中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230026【正文语种】中文【中图分类】TN253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.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.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I(2L-l)=KasSI0R(T)exp[-(α0+αas)(2L-l)]，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.由于反斯托克斯散射强度相对较小，探测器探测到的信号中含有大量的噪声.噪声的主要成分为探测器的热噪声，即白噪声，所以需要对探测到的信号进行降噪处理[9-12].由于信噪比较小，有效信号被噪声所淹没，本文中采用两步降噪法对测量结果进行噪声处理，先累加平均再小波变换.首先对探测到的信号进行时域累加平均预处理.激光器发出N个激光脉冲，探测器探测到N个光强分布曲线，对N个光强分布曲线进行累加平均得到预处理后的信号，采用的公式为N.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.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.【相关文献】[1] AMIRA Z, MOHAMED B, TAHAR E. Monitoring of temperature in distributed optical sensor: Raman and Brillouin spectrum[J]. Optik, 2016, 127(8):4162-4166.[2] AMIRA Z, BOUYAHI M, EZZEDINE T. Measurement of temperature through Raman scattering[J]. Procedia computer science, 2015, 73:350-357.[3] SUN M, TANG Y, YANG S, et al. Fire source localization based on distributed temperature sensing by a dual-line optical fiber system[J]. Sensors, 2016, 16(6)：829-835.[4] TOCCAFONDO I, NANNIPIERI T, SIGNORINI A, et al. Raman distributed temperature sensing at CERN[J]. IEEE photonics technology letters, 2015, 27(20):2182-2185.[5] SOTO M A, SIGNORINI A, NANNIPIERI T, et al. High-performance Raman-based distributed fiber-optic sensing under a loop scheme using anti-Stokes light only[J]. IEEE photonics technology letters, 2011, 23(9):534-536.[6] SUH K, LEE C. Auto-correction method for differential attenuation in a fiber-optic distributed-temperature sensor[J]. Optics letters, 2008, 33(16):1845-1847.[7] BOLOGNINI G, HARTOG A. Raman-based fibre sensors: trends and applications[J]. Optical fiber technology, 2013, 19(19):678-688.[8] FERNANDEZ F A, RODEGHIERO P, BRICHARD B, et al. Radiation-tolerant Raman distributed temperature monitoring system for large nuclear infrastructures[J]. IEEE transactions on nuclear science, 2005, 52(6):2689-2694.[9] HWANG D, YOON D J, KWON I B, et al. Novel auto-correction method in a fiber-opticdistributed-temperature sensor using reflected anti-Stokes Raman scattering[J]. Optics express, 2010, 18(10):9747-9754.[10]王伟杰. 基于拉曼散射的分布式光纤测温系统设计及优化[D]. 济南:山东大学, 2013.[11]秦昕. 基于布里渊散射的双光路分布式光纤温度传感系统研究[D].武汉：华中科技大学, 2011.[12]孙柏宁. 分布式拉曼光纤温度传感系统的噪声分析及优化[D]. 济南：山东大学, 2014.。
基于拉曼光谱散射的新型分布式光纤温度传感器及应用
基于拉曼光谱散射的新型分布式光纤温度传感器及应用
随着现代科技的不断发展，越来越多的新型传感器被研发出来，并得以在各个领域得到应用。
其中，基于拉曼光谱散射的新型分布式光纤温度传感器便是一个备受关注的新兴技术。
该传感器利用了拉曼光谱散射的原理，通过测量光纤中的信号传输时间差，以提取信号所对应的温度值。
由于光纤能够沿着任意方向进行传输，并且成本低廉、安装方便，因此这种基于光纤的分布式温度传感技术具有很高的应用价值。
在实际应用中，该传感器可广泛应用于各种需要进行温度监测的场景中。
比如，在核电站的运行过程中，需要对反应堆中的温度进行实时监测，以确保核电站的安全运行。
而基于光纤温度传感器的技术，正是非常适合用于这种高温、高辐射的恶劣环境中。
此外，这种传感器还可以广泛应用于工业自动化、石油化工、医疗仪器、环境监测等领域。
通过利用光纤温度传感器提供的准确温度数据，可以实现对各种工业流程、生产设备等的精准控制，从而提高生产效率、降低工业生产的成本和风险。
总之，基于拉曼光谱散射的分布式光纤温度传感器是一种非常实用的传感技术，具有精准、可靠、可控、安全等多种特点。
随着技术的不断发展，该传感器将在更多领域得到广泛应用，为改善人类生产、生活环境，提供更为精准的监测数据和数据支持。
基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分析研究
万方数据 万方数据 万方数据基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分析研究作者：刘扬， 侯思祖， LIU Yang， HOU Si-zu作者单位：华北电力大学电子与通信工程系,河北保定,071003刊名：电子设计工程英文刊名：ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING年，卷(期)：2009,17(1)被引用次数：8次1.刘建胜;李铮;张其善光纤完全分布式温度传感系统研究进展 1999(03)2.张在宣光纤分子背向散射的温度效应及其在分布光纤温度传感网络上应用研究的进展[期刊论文]-原子与分子物理学报 2000(03)3.J.P.Dakin;D.J.Pratt Distributed optical fiber sensors 1985(09)4.张在宣;金仁诛新型分布式光纤拉曼光子温度传感器系统[期刊论文]-物理实验 2003(01)5.张河;张庆调频高斯小波变换及其程序信号处理[期刊论文]-信号处理 1997(03)6.李国宽;彭嘉雄;李红基于向量小波变换的小目标检测方法[期刊论文]-华中理工大学学报 2000(01)1.赵玉明.李长忠.翟延忠.许舒荣基于拉曼散射分布式光纤测温系统的理论分析[会议论文]-20072.赵玉明.李长忠.翟延忠.许舒荣.ZHAO Yu-ming.LI Chang-zhong.ZHAI Yan-zhong.XU Shu-rong基于拉曼散射分布式光纤测温系统的理论分析[期刊论文]-计量学报2007,28(z1)3.刘扬基于拉曼散射的分布式光纤测温系统研究——数据采集与处理[学位论文]20084.李丽萍.LI Li-ping基于DSP的分布式光纤测温系统[期刊论文]-太原科技2008,172(5)5.张磊.冯雪.张巍.刘小明.ZHANG Lei.FENG Xue.ZHANG Wei.LIU Xiao-ming基于变脉宽光源的分布式光纤拉曼温度传感器研究[期刊论文]-光子学报2009,38(10)6.蒋奇.隋青美.JIANG Qi.SUI Qing-mei分布式光纤传感油井高温测试及其信号去噪研究[期刊论文]-化工自动化及仪表2007,34(5)7.何明科.张佩宗.李永丽.HE Ming-ke.ZHANG Pei-zong.Li Yong-lie分布式光纤测温技术在电力设备过热监测中的应用[期刊论文]-电力设备2007,8(10)8.戚风云.赵乐军.周又玲基于DSP的分布式光纤测温系统及高速数据采集与处理[期刊论文]-今日电子2005(7)9.俞睿默.YU Rui-mo在线测温检测技术在无人值班变电站应用的可行性探讨[期刊论文]-华东电力2009,37(7)10.李秀琦基于拉曼散射分布式光纤测温系统的研究与设计[学位论文]20081.林波长距离桥隧敷设超高压电力电缆在线测温监控系统研究[期刊论文]-机电信息 2012(3)2.王小辉.李圣普.刘建粉光纤传感在电力传输安全监测中的应用研究[期刊论文]-信息技术 2013(2)3.肖俊明.刘鹏程基于拉曼散射的光纤测温系统在煤矿井下电缆温度监测中的应用[期刊论文]-煤矿机械 2012(7)4.王金龙.潘勇.努尔买买提.李士建.薛瑾同纤温压组合监测系统应用问题分析[期刊论文]-电子世界 2012(14)5.何炜斌.廖维君.薛志亚.章晓满基于分布式光纤测温的电力电缆在线监测技术研究[期刊论文]-广东电力2013(5)6.韩永温.郝文杰.张林行.张晓飞.吕中虎基于拉曼散射原理的分布式光纤测温系统研究[期刊论文]-半导体光电2013(2)7.白永强分布式光纤测温技术在煤仓温度监测系统的应用[期刊论文]-煤矿现代化 2013(5)8.李圣普.王小辉.刘建粉分布式光纤测温在动力电缆温度监测中的应用[期刊论文]-计算机与数字工程 2012(11)引用本文格式：刘扬.侯思祖.LIU Yang.HOU Si-zu基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分析研究[期刊论文]-电子设计工程 2009(1)。
基于拉曼散射理论的分布式光纤测温系统
摘
２００ ） １０ ３
要 ： 文 阐 述 了基 于 背 向 拉曼 散 射 和 Ｏ Ｄ 本 Ｔ Ｒ技 术 的分 布 式光 纤 测 温 系 统 的基 本 原 理 、 统 组 成 、 度 解 调 方 法 和 系 温
实验数据及其分析 。分布式光纤测温系统 主要 由测温主机 、 温光纤和温度解 调软件组成 。它具有成本低廉 、 感 灵敏
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｐｐ ｉａ ｉ ｎ ｆｄ ｓ ｒｂ ｅ ｆｂｅ —ｏ ｔｃ ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｏｒ ｓ ｓ ｅ ｓ ａ ｃ ｎｄ ａ ｌｃ ｔｏ ｏ ｉｔ ｉ ｕｔｄ ｉ ｒ — ｐ ｉ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｓ ｎｓ ｙ ｔ ｍ
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西 北 水 电 ・ ０ 年 ・ 刊 ２１ １ 增
文 章 编 号 ：０ ６ ２ １ （０ ） １ ＿ ｌ９ ＿ ３ １０ － ６０ ２ １ Ｓ 一 ０ ３ ＿０ １
１９ ３
基 于 拉 曼 散 射 理 论 的 分 布 式 光 纤 测 温 系 统
叶宗 华 涛， 艳平， 涛 顺， 刘 王军
（ 网电力科 学研 究 院／ 国 南京 南瑞 集 团公 司 ， 南京
基于拉曼散射的分布式光纤测温系统研究——数据采集与处理的开题报告
基于拉曼散射的分布式光纤测温系统研究——数据采集与处理的开题报告一、研究背景和意义随着现代化建设的不断发展，对各种工程设施的维护和安全检测要求也越来越高，其中需要进行温度监测的场合越来越多。
传统的温度检测技术一般采用热电偶、红外线测温仪、热像仪等，但是这些方法的测量精度受到了很多因素的影响，需要人工操作，且不能实现远距离无人值守的监测和实时响应。
基于拉曼散射的分布式光纤测温系统，具有精度高、分辨率高、响应快、远距离无人值守实时监测等特点，被广泛应用于电力、石化、航空、交通等领域。
本研究旨在研究基于拉曼散射的分布式光纤测温系统数据采集与处理技术，通过对采集到的数据进行分析处理，实现对温度分布的测量和监测。
该研究对于提高工程设施的安全性、促进现代化建设具有重要的意义。
二、研究方法和步骤1.系统架构设计：根据分布式光纤测温系统的原理和特点，设计系统的硬件和软件架构，确定系统各个模块之间的关系与通信方式。
2.数据采集方案设计：针对系统，设计合理的数据采集方案，选择合适的数据采集设备和参数设置，实现数据采集功能。
3.数据处理方案设计：根据采集到的数据，设计合理的数据处理算法和方法，实现对数据的存储、处理和分析。
4.系统实现及调试：在开发平台上实现系统的各个模块，进行功能测试和调试，确保系统能够稳定运行。
5.实验验证与分析：选取合适的实验样本，进行实验验证与分析，验证系统的测量精度和响应速度是否符合需求。
6.性能优化与升级：根据实验结果和用户需求，对系统进行性能优化和升级，进一步提高系统的性能和稳定性。
三、研究内容和意义本研究主要分为以下几个方面：1. 系统架构设计：设计分布式光纤测温系统的硬件和软件架构，确定系统各个模块之间的关系与通信方式。
2.数据采集方案设计：研究合理的数据采集方案，选择合适的数据采集设备和参数设置，实现数据采集功能。
3.数据处理方案设计：根据采集到的数据，设计合理的数据处理算法和方法，实现对数据的存储、处理和分析。
基于拉曼散射分布式光纤测温系统的研究与设计的开题报告
基于拉曼散射分布式光纤测温系统的研究与设计的开题报告一、研究背景与意义随着能源开发和应用的不断推广，不同的气体、液体、固体环境的温度监测需求也变得越来越紧迫。
传统的电子测温设备具有体积大、灵敏度低、易受干扰等缺点，因此需要开发新的高精度、高可靠性、无电磁干扰的测温技术。
基于拉曼散射原理的分布式光纤测温技术能够以采集温度敏感的拉曼信号为基础，实现对环境温度的高精度测量，并具有分布式、无需接触、光学信号传输、抗干扰等优点。
因此，基于拉曼散射分布式光纤测温系统的研究与设计具有广泛的应用价值和深远意义。
二、研究内容本研究将基于拉曼散射原理，构建分布式光纤测温系统，并设计相应的测试平台进行测试。
具体包括以下几个方面：1.分布式光纤测温系统的构建：依据拉曼散射原理，通过利用激光器驱动，采用光学解调技术，构建分布式光纤测温系统，通过对光纤的拉曼信号进行采集，输入到高灵敏度的光电转换器进行电学信号处理。
2.测温系统的参数优化：需要对系统的各参数进行优化设计，包括激光器功率、激光束宽度、采集时间、光电转换器灵敏度等方面，以保证测量结果的准确性和可靠性。
3.测试平台的建设：为了验证分布式光纤测温系统的性能，需要建立测试平台，并进行系统性能测试、稳定性测试、精度测试以及与传统测温设备的对比测试等。
4.数据分析和处理：对获得的数据进行分析和处理，找出在实际应用中可能存在的问题，并提出相应的解决方案，以确保测温系统的可靠性和实用性。
三、研究进度安排本研究计划从2022年开始，按照以下进度安排进行：1.2022年1-3月：查阅相关文献，对基于拉曼散射分布式光纤测温系统的研究进展和技术路线进行梳理。
2.2022年4-6月：针对不同的物质环境，进行光信号敏感性研究，并优化分布式光纤测温系统的参数。
3.2022年7-9月：构建分布式光纤测温系统的测试平台，进行系统性能测试和稳定性测试。
4.2022年10-12月：进行精度测试和与传统测温设备的对比测试，对测试结果进行数据分析和处理。
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光在光纤 中传播 ， 由于光子与介质 中的固体分
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ １ — ２ １ ； 修 改 日期 ： ２ ０ １ ５ － ０ ３ — ０ ９
基金项 目： 中国科学技术大学重要方 向项 目培育基金 （ 基金号 ： ＷＫ２ ３ ２ ０ ０ ０ ０ ０ ３ ３ ） 资助 。 作者简介 ： 费芹 （ １ ９ ９ ０ 一 ） ， 女， 安徽人合肥人 ， 工学硕 士研究 生 ， 研究方 向为基于拉曼散射 的分 布式 光纤测温 系统 的研究 。 通 讯作者 ： 费芹 ， Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｆ ｅ ｉ ｑ ｉ ｎ ＠ｍａ ｉ ｌ ． ｕ ｓ ｔ ｃ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
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基 于 拉 曼 散 射 的 分 布 式 光 纤 定 温 与 差 温 探 测 方 法
费 芹 ， 秦 俊
（ 中国科学技术大学火灾科 学国家重点实验 室， 合肥 ， ２ ３ ０ ０ ２ ６ ）
１ １ Ｏ
火 灾科 学
Ｆ Ｉ Ｒ Ｅ Ｓ ＡＦ Ｅ ＴＹ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ ＮＣ Ｅ
第２ ４卷 第 ２期
可 以看 出 ， 在Ｏ ℃ ￣１ ２ ０ ￣ Ｃ范 围 内温 度 与 Ｒ（ 丁）近似
线性关 系 。所 以在 ０ ￣ Ｃ￣ １ ２ ０ ￣ Ｃ范 围内可认 为 。 ］ ：
Ｔ＝ ＝ ＝ ｋ・ Ｒ（ Ｔ）＋ ｍ （ ４ ）
于长距 离及 大空 间 的火 灾 监 测 ， 测 温 系 统 不受 电磁
为拉 曼频移 ， ｋ为玻尔 兹 、 分别 为 ａ ｎ ｔ ｉ — ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ
干扰 ， 使得 它 的适 用场 所更 加广 泛［ １ ］ 。 目前 ， 分 布式 光 纤测 温 系统 已经成 功运 用于 隧道 、 大坝 、 电缆等处
子发 生非 弹 性 碰撞 ， 会 产生 拉 曼 散 射 现 象 ｌ ＿ １ ］ 。拉 曼 散射 光 中含有 ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 散射 光 和 ａ ｎ ｔ ｉ — ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 散射光。
ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 散 射光 和 ａ ｎ ｔ ｉ — ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ散射 光 都 对 温度 敏感 ， 利用 它们 可 以解调 出温 度信 息 。 当激 光 器 向光 纤 中 注 入 激 光 后 ， 后 向 散 射 的
式中： ｋ与 为 常量 。
图 ２ 分 布 式 光 纤 测 温 系 统 结 构 图
Ｆｉ ｇ ． ２ Ｄｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕｔ ｅ ｄ ｉｂ ｆ ｅ ｒ ｏ ｐｔ ｉ ｃ ｔ ｅ ｍ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ｅ ｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ
摘要 ： 基 于拉 曼散射 的分布式光 纤测温 系统应 用于火 灾监 测有独 特的优 势 ， 弥补 了传 统感 温探 测 器的不足 。介 绍
了基于拉 曼散 射的测温原理及基于光时域的 空间定位 原理 ， 并进行 了火灾预警 实验 ， 实验 结果表明 当建筑物 高度
在一定 范围内， 基 于拉 曼散射 的分布式光纤测温 系统可以很好地 实现 火灾预警功 能。
统 工 作原 理
Ｉ ． Ｉ 基 于拉曼 散射 的光 纤测 温原 理
约０ ． １ ９ ／ ６ ／ Ｋ［ ４ ］ ， 但 为 了提 高 系 统 的稳 定 性 ， 我 们 用 ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 光作 为参 考信 号来 解调 温度 嘲 ：
Ｒ （ Ｔ ） 一 争一 』 ｅ ｘ ｐ （ 一 Ｋ 』 ） ． （ ） Ａ 一 （ ３ ）
各火源位置在x10m处达到的最高温度tablehighesttemperaturedifferentfirepositions火源高度12132218在无风条件下烟气层向各个方向扩散的速率相同所以图4中不同高度处向两边呈对称分布并且随着火源与光纤距的增加光纤沿线温度变化趋于平缓这是由于高度较大时上升过程中烟气向四周扩散的同时也向上运动将一部分热量带到了距离中心火源较远的光纤测点使顶棚处烟气热量分布更加均匀处向两边仍呈下降分布可见扩散烟气的较多热量损失在顶棚下方只有少部分到达顶棚处所以火源与光纤的高度差对定温预警影响较大
的火灾 监测 ｌ ＿ ２ 矗 源自 。 和ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 光 的 中心波长 。 室 温条 件 下 掺 锗 光 纤 中 ａ ｎ ｔ ｉ — ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光 对 温 度
敏度 约为 ０ ． ８ ／ Ｋ， 而 ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 对 温度 的灵 敏度 只 有
１ 基 于拉 曼散 射 的分 布 式 光 纤 测 温 系
关键词 ： 拉 曼散 射 ； 分布式光纤测温 ； 火 灾预 警 中图分类号 ： Ｘ９ ３ ２ 文献标识码 ： Ａ
Ｏ 引 言
人 类 十分重 视火 灾 的监测 。过 高 的温度 和过快 的温 升速率 往往 是火 灾发 生 的重 要 特征 。传统 的感
温探 测器 就是利 用 火 灾这 一 特 性 进 行 火 灾 预警 ， 但 感 温探 测器 布 置安 装较 为 复杂 ， 在 发 生 火 灾 预警 时 要 准确 找 到预警 的位 置也 比较耗 时 。
第２ ４卷 第 ２ 期
２ ０ １ ５年 ６月
火
灾
科
学
Ｖｏ １ ． ２ ４， Ｎｏ ． ２
ＦＩ ＲＥ Ｓ ＡＦＥＴＹ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ５
文章编 号 ： １ ０ ０ ４ — ５ ３ ０ ９ （ ２ ０ １ ５ ） 一 ０ ０ １ ０ ９ — ０ ５
ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 和ａ ｎ ｔ ｉ — ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 光 强 与温度 存在 以下 关系 ｌ ＿ ４ ］ ：
１
１
—
。
基 于拉 曼散 射 的分 布 式光纤 测 温技术 弥补 了感
温探 测器 的不 足 ， 它 不 仅 可 以实 现对 温 度 的实 时监 测， 而 且可 以实 现对 异 常 温 度及 温 升 速 率 进 行 预警