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精Word格式.docx
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O561.1;
O437.3 文献标识码:
A
1 引言
1881年英国科学家瑞利(Rayleigh在对光的散射现象研制的基础上提出光的散射是由介质的密度起伏造成的,Rayleigh散射光的强度与光波波长的四次方成反比,从而解释了天空成兰色的原因。
初期,物理学家认为光与介质的相互作用不存在能量交换,即入射光波的频率不变,按光子观点而言,光子与介质分子的相互作用是弹性碰撞,在光子与分子相互作用过程中,声子不参与作用,1922年法国科学家布里渊(Brillouin在研究流体介质中光的散射现象时,他预言由于介质分子的热运动,弹性波的热运动速度产生的多普勒频移,会产生入射光波频率的位移;
与此同时,俄国物理学家孟捷利斯塔姆从理论上预言,介质密度的热起伏会产生频移,Rayleigh散射具有精细结构。
1930年俄国物理学家格罗斯从实验上证实Rayleigh散射具有精细结构。
之后,对流体和固体介质的Rayleigh散射精细结构谱进行了研究。
激光技术的出现有力地推动了Rayleigh散射、Brillouin散射效应的研究,也出现了新的散射现象,如受激Brillouin散射等;
而且Rayleigh散射效应,Brillouin散射效应得到了广泛地应用。
近年来,国外的一些科学家利用测量光纤中Rayleigh散射精细结构谱中的Bril2
Ξ收稿日期:
2000202210。
基金项目:
国家首批产学研工程项目(K92240资助,国家质量技术监督局科技创新项目资助(D98-A01-07。
作者简介:
张在宣(1936-,男,上海市人,中国计量学院光电子技术研究所所长,教授,主要从事光纤分子喇曼光谱及其在分布式光纤温度传感网络研究。
。
louin散射的频移量作为一种新型的分布光纤传感器原理,在实验室已经达到52km[1];
另外,一些科学家利用Rayleigh散射精细结构谱的强度与Rayleigh散射的强度比作为一种新型的分布光纤传感器原理,进行了探索[2]。
作者在近红外长波段1550nm分布光纤Raman光子温度传感器系统的研究实验中,观察到光纤Rayleigh背向散射的温度效应,之后,在短波段905nm也发现了光纤Rayleigh背向散射的温度效应。
1928年印度科学家Raman发现,当光与流体分子相互作用时,
出现新的谱线,这一现象称为并合散射效应,即的发现,证实了1923年G.G.S.斯梅卡尔的理论预言,成为亚
。
Raman效应可以用入射光与散射介质的相互作用、,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,称作为StokesRaman散射或反StokesRaman散射。
激光器的出现,有力地推动了对Raman散射的研究,并发现了新的Raman效应,如共振Raman散射、非线性Raman散射、超Raman散射、受激Raman散射、相干反StokesRaman散射。
Raman散射广泛地应用于化学、物理学、生物学和医学等各个学科领域,用以研究和测定分子的结构、对物质成分进行定性和定量分析和测温学。
在测温学中一个重要的应用是八十年代中期,英国的一些科学家利用光纤的Raman温度效应和光时域反射原理研制成一种分布式光纤温度传感器系统,八十年代末、九十年代初国外开始有了产品。
1992年末,我们与企业合作承担了国家的首批产学研工程项目(K92240,1994年7月,研制成FGC2W1分布式光纤温度传感器系统,由国家技术监督局主持专家鉴定会正式通过鉴定,是我国首次正式鉴定的光机电、计算机一体化的样机,相当于九十年代初期国际同类产品的水平。
近几年来,在系统的解调方法、系统的信噪比分析和采用取样环对系统进行自校正等方面取得进展,并与企业合作进行了小批量生产并提供公安部沈阳消防研究所等应用部门承担国家“九五”科技攻关项目作为温度报警系统。
2 光纤背向散射的温度效应2分布式光纤温度传感网络的工作原理
211 光纤Rayleigh背向散射的精细结构谱及其温度效应
Rayleigh散射有精细结构,在Rayleigh散射线的两端有瑞利翼(Rayleighwing散射和布里渊(Brillouin散射。
在光子和介质分子的相互作用时,由于介质分子的热运动,弹性波的热运动速度产生的多普勒频移,会产生入射光波频率的位移,在入射光波频率的两端产生两个新的散射光谱,称为斯托克斯(Stokes和反斯托克斯(Anti2StokesBrillouin散射光谱:
ν=ν0±
Δν(1Rayleigh散射精细结构谱的频移量Δν与介质的热状态有关,根据理论推导频移量Δν为:
Δν=2νncsin
θ
2
(2
065 原 子 与 分 子 物 理 学 报 2000年
式中:
ν—光子频率;
n—折射率;
v—声波速度;
c—光速;
θ—方向夹解。
(1式表示入射光子与介质分子相互作用时可放出一个声子(Stokes散射,也可吸
收一个声子(Anti2StokesBrillouin散射,(2式中ν,1550nm时,即光子频率为1.935×
1014Hz时,。
由(2式,,速度[3]:
δvBvε
δCvTδT(3文献(3中给出的应力系数和温度系数的实验数据为:
Cvε=0.0483±
0.0004MHz/μ
ε CvT=1.10±
0.02MHz/K
并给出了实验图。
Rayleigh散射精细结构谱的强度也与介质的热状态有关,俄国物理学家朗道和普拉蔡克(Landau2Placzek提出Rayleigh散射的强度(光波频率不变部分与Rayleigh散射精细结构谱(光波频率变化部分,包括Stokes和反StokesBrillouin散射的强度比(称为与Landau2PlaczekRatio缩写为LPR与介质的热物性有关,俄国物理学格罗斯从理论上导出:
IB=Cv=γ-1(4
IR—Rayleigh散射的强度;
IB—Brillouin散射的强度;
Cp,Cv—分别为定压与定容比热。
LPR与光纤所处的温度状态、光纤受应力的状态有关,也就是说Brillouin散射的强度依赖于光纤的温度和应力状态,文献[3]中给出Brillouin散射变化的表达式:
δIIB=CPεδε+CPTδT(5
文献[3]中给出的应力系数和温度系数的实验数据如下:
CPε=-(7.7±
1.4×
10
-4%/με;
CPT=0.36±
0.06%/K由此可知,Rayleigh散射精细结构谱的频移量和强度比均与介质的状态有关,通过测量频移量和强度比可以确定介质的温度状态。
2.2 光纤Raman背向散射及其温度效应[4,5]
在频域里,Raman散射光子分为Stokes和反StokesRaman散射光子:
StokesRaman散射光子:
νs=v0-Δ
ν(6
反StokesRaman散射光子:
165 第17卷第3期 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……
νa=ν0+Δν(7式中:
Δν为光纤的分子的振动频率,声子的频率Δν=1.32×
1013Hz。
在光纤L处局域StokesRaman散射光子数:
Ns=KsSν4sNeexp[-(α0+αsL]Rs(T(8在光纤L处局域的反StokesRaman散射光子数:
Na=KaSν4aNeexp[-(α0+αaL]Ra(T(9式中:
Ks,Ka—光纤Stokes和反StokesRaman
S—光纤的背向散射因子;
ν
s
νa—Stokes;
α
0,,aRaman散射光、反StokesRaman散射光频率的光纤传输损耗;
L—光纤待测局域处的长度;
Rs(T,Ra(T—与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数,它与光纤处局域的温度有关:
Rs(T=[1-exp(-hΔν/kT]-1(10 Ra(T=[exp(hΔν/kT-1]-1(11传统的解调方法是StokesRaman散射OTDR曲线来解调StokesRaman散射OTDR曲线:
Ns=
Kss
4
exp(-hΔν/kTexp[-(αa-αsL](12
当T=T0时,(12式
(
Ns(T0
=
Ks
exp(-hΔν/kT0exp[-(αa-αsL](13
(12式除(13:
((
Na(T0Ns(T
exp(-hΔν/kT0
(14
从(14式:
T=
T0
-
hΔ
ln
(15
从(15式中T0,N(T
Ns(T
N(T
均为已知,则可得到局域处的温度T。
作者提出了新的解调方法[6],采用光纤的Rayleigh散射OTDR曲线来解调反StokesRamanOTDR曲线,则反StokesRaman散射与Rayleigh散射光子数的比值为
NR(T
KRνs
Ra(Texp[-(αa-α0L](16
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- 光纤 分子 背向 散射 温度 效应 及其 分布 传感 网络 应用