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分布式光纤测温原理介绍

导读: 分布式光纤温度传感系统DTS是基于光纤拉曼(Raman)散射现象。激光器光源发出的光脉冲与光纤分子相互作用,发生散射,散射光有多种类型。

  分布式光纤温度传感系统DTS是基于光纤拉曼(Raman)散射现象。激光器光源发出的光脉冲与光纤分子相互作用,发生散射,散射光有多种类型,如:瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是与光纤分子的热振动相关联的,因而对温度有敏感,可以用来进行温度测量。在光纤中,散射信号是连续的,通过使用高速信号采集技术测量入射光和拉曼散射光之间的时间间隔,可以得到拉曼散射光发生的位置,由于拉曼散射光对温度敏感,所以可以沿着光纤测量到相应的温度分布。

  作为一种传输媒介 ,光纤一般被认为是一种无源介质。但是在非线性领域 ,光纤却表现出一种很强的有源特性。非线性效应对光纤通信是非常不利的 ,但是对于光纤的其它应用 ,如光放大、光振荡以及光调制等方面 ,却意义重大 ,同时在传感技术方面也有潜在的应用前景 。光散射是光与物质相互作用的一种表现形式 ,它是以介质的不均匀性为前提的 。当光通过介质时 ,大部分光将透射过去 ,但有一部分光则偏离原来的传播方向而散射 。光散射的特性与介质的成分、结构、均匀性及物态变化都有密切的关系。在宏观上可看作是由介质的光学不均匀性或折射率的不均匀性引起的。

  具体如下:

  分布式光纤温度检测技术的原理是依据后向拉曼(Raman)散射效应 。当输入波长为 1550 nm 或 1310nm 的激光脉冲与光纤分子相互作用 ,发生多种散射 ,如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼散射等 ,如图 1 所示。

        其中拉曼散射与光纤分子的热振动密切相关。从量子理论能级的观点来看 ,拉曼散射是由光子的非弹性碰撞引起的。以双原子分子的能级为例 ,拉曼散射过程的能级如图 2 所示。

  图 2 中 E1、E2分别表示分子振动的基态和激发态。假定注入光纤的激光频率为υ0, 光子的能量为 hυ0;当分子从振动基态 E1(或振动激发态 E2)被入射光激发到能级 E1+ hυ0(或 E2+ hυ0)的虚态 , 又回到振动基态 E1(或振动激发态 E2), 散射出频率为υ0的光子 , 这一过程称为瑞利散射 。

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