【正文】 14）式中與光纖所處環(huán)境溫度無關(guān)，取決于光纖結(jié)構(gòu)和物理特性、入射光強(qiáng)等。取上述二式之比，有 （4—15）式中 ——反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)之比——反斯托克斯光波數(shù)——斯托克斯光波數(shù)c——真空中光速——拉曼頻移h——普朗克常數(shù)K——波爾茲曼常數(shù)T——環(huán)境的絕對(duì)溫度從式（4—15）得到的結(jié)論是：自發(fā)拉曼散射中反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)之比僅是介質(zhì)所處溫度的函數(shù)，而與注入光源的光功率等其它條件無關(guān)。設(shè)單位長度光纖的反斯托克斯光、斯托克斯光散射損耗(散射系數(shù))分別為和，則長度為的光纖上的反斯托克斯、斯托克斯散射光強(qiáng)之比仍滿足式(4—15)，即 （4—16）考慮到光在光纖中傳輸時(shí)存在著諸如光源功率不穩(wěn)、光纖的傳輸損耗、光纖彎曲造成的傳輸損耗增加等非溫度因素對(duì)反斯托克斯光強(qiáng)的影響，在分布式光纖溫度傳感器中，取式（4—15）反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)的比值作溫度的傳感信號(hào)，而不是單純的取反斯托克斯光強(qiáng)作溫敏信號(hào)。式(415)是分布式光纖溫度傳感器的理論依據(jù)。將式(4—13)和式(4—14)分別對(duì)溫度求微商，得 (4—17) (4—18)式(4—17)和式(4—18)說明斯托克斯光對(duì)溫度的敏感性與反斯托克斯光的大致相當(dāng)。由式(4—13)、(4—14)和式(4—17)、(4—18)可求得斯托克斯光、反斯托克斯光隨溫度變化的相對(duì)值，即 (4—19) (4—20)根據(jù)式(4—17)和式(4—18)，從理論上講，反斯托克斯光、斯托克斯光對(duì)溫度的敏感性大致相當(dāng)，他們均可作為溫敏信號(hào)：但式(4—19)和式(4—20)表明，反斯托克斯光隨溫度變化的相對(duì)值較斯托克斯光的大倍，所以單靠反斯托克斯光提取溫度信息較單靠斯托克斯光提取容易，這也是實(shí)際應(yīng)用中取反斯托克斯光作溫敏信號(hào)而認(rèn)為斯托克斯光與溫度無關(guān)的原因。 受激拉曼散射在研究拉曼散射時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)照射到介質(zhì)上的光功率提高到一定值時(shí)，介質(zhì)的散射過程具有受激性質(zhì)，即出現(xiàn)受激拉曼散射。受激拉曼散射的實(shí)質(zhì)是非線性效應(yīng)的一種。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出受激拉曼散射具有不同于自發(fā)拉曼散射的明顯特點(diǎn)，表現(xiàn)在：(1)受激拉曼散射具有極好的方向性。當(dāng)受激拉曼散射產(chǎn)生時(shí)，受激拉曼散射光束的空間發(fā)散角顯著變小，可與入射光發(fā)散角接近；而自發(fā)拉曼散射無明顯的方向性；(2)受激拉曼散射光的功率很強(qiáng)。受激拉曼散射的光功率可達(dá)到與入射光功率相比擬的程度，即入射光幾乎全部轉(zhuǎn)換成受激拉曼散射功率；而自發(fā)拉曼散射功率通常比入射光小亂7個(gè)量級(jí)，且與入射光功率呈線性關(guān)系：(3)受激拉曼散射具有明顯的閾值。受激拉曼散射產(chǎn)生的前提是入射到介質(zhì)的光功率必須超過某一閩值，而自發(fā)拉曼散射的產(chǎn)生則不論入射到介質(zhì)的光功率的強(qiáng)弱，總是存在自發(fā)拉曼散射，只不過入射到介質(zhì)的光強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射強(qiáng)，而入射到介質(zhì)的光弱時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)拉曼散射弱而已：(4)根據(jù)耦合模式理論，導(dǎo)出受激拉曼散射中反斯托克斯光波與斯托克斯光波電場(chǎng)強(qiáng)度之比為 （4—21）式中 ——斯托克斯頻率——斯托克斯極化率——非共振極化率——?jiǎng)恿渴淞考?。——注入光波在光纖輸入端即z=0處的電場(chǎng)強(qiáng)度、——分別為注入光、斯托克斯和反斯托克斯光的動(dòng)量在受激拉曼散射中的反斯托克斯光與斯托克斯光功率之比是式（4—21）的平方，兩者之比與光纖所處環(huán)境的溫度無關(guān)。因此，受激拉曼散射不同于我們利用的自發(fā)拉曼散射，應(yīng)根據(jù)它具有明顯閾值的特點(diǎn)，在系統(tǒng)中嚴(yán)格控制注入光纖的泵浦光功率的大小，使之小于閩值功率，以抑制光纖受激拉曼散射的產(chǎn)生。假定單模的激光器在光纖始端z=0處注入單橫模的光纖中。以受激斯托克斯光為例，當(dāng)激光在光纖中傳輸時(shí)，泵浦激光功率、斯托克斯光功率分別為 （4—22） （4—23） 、分別為 （4—24） （4—25）式中 ——z=0處泵浦功率——z=0處斯托克斯光功率——分別是光纖在泵浦光、斯托克斯光波長上的衰減系數(shù)，且表示為q——有效的斯托克斯模數(shù)，、——分別對(duì)應(yīng)泵浦和斯托克斯光波數(shù)——光纖中光的速度(c真空中光速，啊光纖芯折射率)，A——光纖有效截面積L——光纖長度——實(shí)驗(yàn)測(cè)得的拉曼功率增益系數(shù)h——普朗克常數(shù)根據(jù)上述理論推導(dǎo)可以得到以下結(jié)論：(1) 當(dāng)時(shí) （4—26） （4—27）這說明，此時(shí)斯托克斯光子的轉(zhuǎn)換可以忽略，而泵浦激光功率沿光纖傳輸逐漸損耗，衰減常數(shù)為。(2) 當(dāng)時(shí) （4—28） （4—29）這說明，沿光纖傳輸?shù)谋闷旨す夤β蕩缀鯙榱?，幾乎所有的泵浦激光全部轉(zhuǎn)化為斯托克斯光。(3)當(dāng)時(shí)。按照Smith理論，定義在z=L時(shí)滿足這一條件的注入激光功率為閾值功率。即閾值功率隱含在下式中(430)時(shí)對(duì)應(yīng)自發(fā)拉曼散射，時(shí)對(duì)應(yīng)受激拉曼散射。只要控制注入光纖的激光功率，使之不超過閩值功率，即可防止受激拉曼散射的產(chǎn)生。根據(jù)Smith理論，多模光纖的受激闕值應(yīng)根據(jù)模式特性計(jì)算，一般僅需對(duì)單模光纖為基礎(chǔ)計(jì)算的閾值加以一個(gè)積分因子修正，大多數(shù)多模光纖的修正因子為整數(shù)，故以式(430)計(jì)算出來的作為控制多模光纖產(chǎn)生受激散射的閾值功率更保險(xiǎn)。 AntiStokes與Stokes的比值分析對(duì)于處于受激Raman散射下的光纖分子，熱平衡被破壞，隨著泉浦光在光纖中的傳輸，越來越多的受激Stokes粒子數(shù)由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，這樣經(jīng)過一段長度z后，處于能級(jí)上的粒子數(shù)迅速增加，等于甚至超過能級(jí)上的粒子數(shù)，此時(shí)、能級(jí)上的粒子數(shù)不再簡單地按玻爾茲曼規(guī)律分布，用耦合波理論可推出 （4—31）可見R不反映溫度T的變化情況。因此分布式光纖溫度傳感器不能工作在受激Raman散射條件下。綜上所述，得出結(jié)論：對(duì)分布式光纖溫度傳感的注入泵浦光功率有一定的限制，即注入光纖的泵浦光功率對(duì)應(yīng)小于泵浦闋值功率。第五章 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) 系統(tǒng)主要的技術(shù)指標(biāo)測(cè)溫范圍：55℃~ +125℃； 所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間： 1s； 測(cè)溫精度：℃； 測(cè)溫分辨率：℃ 。 光纖傳輸距離：45km。 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)主機(jī)是系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)發(fā)生、背向散射信號(hào)的光譜分析、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大和信號(hào)處理的功能，采用電源和數(shù)據(jù)總線的模塊化結(jié)構(gòu)，包括開關(guān)P模擬電源模塊、激光器和控制模塊、光電轉(zhuǎn)換和放大器模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理模塊、光纖器件模塊， 。當(dāng)激光器發(fā)出一束激光脈沖打入光纖中產(chǎn)生拉曼散射，光纖中各點(diǎn)的溫度調(diào)制了后向散射光的強(qiáng)度，經(jīng)波分復(fù)用系統(tǒng)將斯托克斯光和反斯托克斯光分開，再由光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理模塊對(duì)這兩個(gè)信號(hào)接收和放大處理，并轉(zhuǎn)換成光纜各點(diǎn)的溫度信息并輸出。在軟件中進(jìn)行各種設(shè)置的控制，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 可通過設(shè)定各種溫度報(bào)警類型及時(shí)輸出溫度異常點(diǎn)，并保存各時(shí)刻數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)顯示和查詢功能。 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)構(gòu)成框圖 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路外來輸入信號(hào)經(jīng)溫度傳感器( PT100、熱電偶、光纖傳感器等)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍, 然后經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)， 經(jīng)總線傳輸至單片機(jī)控制處理，單片機(jī)也可對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的速率進(jìn)行控制， 單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后可暫存于擴(kuò)展的RAM中，也可以經(jīng)串行接口發(fā)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，同時(shí)單片機(jī)外接鍵盤和液晶顯示以方便人機(jī)交流控制。 激光器和光纖光源采用FLDM系列多模光纖耦合半導(dǎo)體激光器中FLDM91510000T，其特性參數(shù)如下：1)中心波長:830～875nm2)封裝形式:PUMA3)光譜寬度:2nm4)峰值功率:10W5)光纖芯徑:105um6)整體消耗功率:20W7)激光器類型:FP型光纖的種類比較多，結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及需要，采用標(biāo)準(zhǔn)梯度多模通信光纖，， 分光器分光器部分主要有兩個(gè)任務(wù)，即分離出斯托克斯光和反斯托克斯光，其規(guī)格如下：1)斯托克斯濾光片:891nm2)FWHM:16nm3)反斯托克斯濾光片:中心波長:826nm4)FWHM:16nm5)13耦合器分光比:503812 光電轉(zhuǎn)換器件的選擇一般我們選擇的光電轉(zhuǎn)換器主要從以下幾個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行考慮：1)光譜響應(yīng)：這是所有光電器件都具有的非常普遍的特性，即不同頻率的光作用后，探測(cè)器上輸出的信號(hào)也不一樣，其隨波長汪的變化關(guān)系稱為探測(cè)器的光譜響應(yīng)。2)時(shí)間常數(shù)：即光電元件的反應(yīng)速度，當(dāng)有階躍信號(hào)輸入時(shí)。3)線性度：這是我們非常追求的一個(gè)指標(biāo)，指探測(cè)器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的一個(gè)線性關(guān)系，變化的程度和范圍。4)響應(yīng)度：反映光電器件對(duì)光信號(hào)的轉(zhuǎn)換能力的一個(gè)參數(shù)，主要參看其能探測(cè)的最小光信號(hào)的大小，表述為輸出電壓或電流的大小相對(duì)于輸出光強(qiáng)的比值。5)量子效率：表示一個(gè)轉(zhuǎn)換效率，即一定的光子能激發(fā)出多少電子來，一般量子效率越大越好?？偤蜕鲜鰩c(diǎn)，我們最常用的即光電倍增管和雪崩光電二極管(APD)。與真空光電倍增管相比，雪崩光電二極管具有小型、不需要高壓電源等優(yōu)點(diǎn)，因而更適于實(shí)際應(yīng)用：與一般的半導(dǎo)體光電二極管相比，雪崩光電二極管具有靈敏度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別當(dāng)系統(tǒng)帶寬比較大時(shí)，能使系統(tǒng)的探測(cè)性能獲得大的改善。雪崩二極管是我們探測(cè)微弱光非常常用的器件。雪崩擊穿是PN結(jié)反向電壓增大到一數(shù)值時(shí)，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。利用這個(gè)特性制作的二極管就是雪崩二極管。雪崩擊穿是在電場(chǎng)作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子一空穴對(duì)。新產(chǎn)生的載流子又通過碰撞產(chǎn)生自由電子一空穴對(duì)，這就是倍增效應(yīng)。l生2，2生4，像雪崩一樣增加載流子。所以，雪崩二極管具有響應(yīng)時(shí)間短，響應(yīng)頻率極高以及能達(dá)到一千倍的增益。我們要選擇一個(gè)合適的雪崩二極管，主要從下面幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行考慮。1)雪崩增益M雪崩增益表示為：式中，為反向飽和亮電流，為反向飽和暗電流。為反向擊穿電壓，n為一常數(shù)。由上式可以表明，加在APD上的反向電壓不斷增大的接近時(shí)，其雪崩增益M就會(huì)迅速增大。試驗(yàn)表明，雪崩二極管的反向擊穿電壓與溫度有著直接的關(guān)系，溫度越低，擊穿電壓越低，反之，則擊穿電壓就會(huì)增大，所以，我們?cè)趹?yīng)用中，為了能達(dá)到不變的增益，就要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使其在不同的溫度下加載不同的偏置電壓。2)噪聲每個(gè)元件在工作過程中都會(huì)產(chǎn)生噪聲,雪崩二極管中,聲的主要原因就是由雪崩效應(yīng)引起的散粒噪聲和熱噪聲。粒噪聲為 式中k為與雪崩二極管材料有關(guān)的系數(shù)；為反偏時(shí)的暗電流，為照射到APD上的光功率，B為帶寬。雪崩二極管負(fù)載電阻的熱噪聲為：所以,崩二極管的總噪聲(即電流均方值)為:上式表明，雪崩二極管的噪聲與其加載的反向工作電壓有著很大的關(guān)系。當(dāng)反向電壓逐漸升高時(shí)，雪崩二極管的噪聲就會(huì)迅速升高。因?yàn)榉聪螂妷焊咴鲆嬉矔?huì)增大，所以在具體使用時(shí)，就要在增益和噪聲之間相互平衡選擇。3)最佳增益M倒由上式可以看出，當(dāng)雪崩二極管中的散粒噪聲和熱噪聲大小相等時(shí)，對(duì)應(yīng)著雪崩二極管有著最好的信噪比,此時(shí)的增益為最佳增益,即其中X=log綜合各個(gè)因素，結(jié)合本系統(tǒng)的需求，選用雪崩光電二極管型號(hào)為C30902B，與我們選擇的激光發(fā)生器搭配。C30902B主要參數(shù)：1)反向工作電壓:237V2)反向極限電壓:247V3)反向暗電流:4)響應(yīng)度:()5)總噪聲:圖 C30902B 光譜響應(yīng)曲線幾乎所有的傳感器都會(huì)受到溫度的影響，雪崩二極管也不例外。而且APD的增益受溫度的影響還很大，所以在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在溫度變化較大時(shí)，就必須采取溫度補(bǔ)償了?？紤]到雪崩二極管的特點(diǎn)和本應(yīng)用的需求。由圖可以看出，一個(gè)管子用來進(jìn)行測(cè)量，而另一個(gè)管子則作為補(bǔ)償二極管用，讓它和測(cè)量管子都放到同一溫度場(chǎng)中，并工作在避光和恒電流的雪崩狀態(tài)下，當(dāng)測(cè)量場(chǎng)溫度發(fā)生變化時(shí)，補(bǔ)償二極管出現(xiàn)變化的偏置電壓，而這個(gè)電壓正好加到工作管上，從而用來調(diào)節(jié)工作管的工作電壓，從而達(dá)到補(bǔ)償作用。雪崩二極管檢測(cè)到光線后，產(chǎn)生的光電流信號(hào)會(huì)比較微弱，這樣很容易受到噪聲的干擾甚至被淹沒，所以，我們必須采取一定的措施，一是要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，二是要保證信噪比，我們分別用兩個(gè)電路來完成這兩個(gè)要求。首先是放大微弱信號(hào)。因?yàn)榉糯笃鞯墓ぷ髦笜?biāo)對(duì)后級(jí)影響很大，甚至決定整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以，前置放大器必須保證精度、靈敏度、穩(wěn)定度。因此，前置放大器電路的好壞，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說是非常重要的，它必須具有很高的輸入阻抗，以便有接收微弱有用信號(hào)的能力，而且還要保證正確放大接收到的有用的信號(hào)?？紤]到雪崩二極管輸出信號(hào)的特點(diǎn)，采取普通芯片做成的放大電路可能會(huì)引起阻抗失配，從而削弱輸入的信號(hào)。放大電路比較簡單，其主要芯片為高精度自穩(wěn)零斬波集