【導(dǎo)讀】樣才能對(duì)拉曼光譜進(jìn)行詳細(xì)的分析，才能更好的應(yīng)用。光纖中的散射光主要包括瑞利散射，布里淵散射和拉曼散射。概述了散射原理并對(duì)拉曼散射的基本原理做了詳細(xì)的敘述。在光纖的傳輸過程。本文在溫度對(duì)光譜產(chǎn)生的作用方面也做了。闡述，分析了拉曼分布式光纖溫度傳感器性能指標(biāo)。通過以上的了解提出拉曼。分布式溫度傳感器溫度信號(hào)的三種解調(diào)方法，并比較三種解調(diào)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。個(gè)因素之間的關(guān)系。

　　

【正文】 曼散射光、反斯托克斯拉曼散射光在光纖中的后向散射因子； R? 、 s? 、 AS? 分別表示拉曼散射光、斯托克斯拉曼散射光、反斯托克斯拉曼散射光在光纖中單位長(zhǎng)度上的后向散射系數(shù)； 0? 、 S? 、 AS? 分別表示入射泵浦光、斯托 克斯拉曼散射光反斯托克斯拉曼散射光在光纖中單位長(zhǎng)度上的損耗系數(shù)； L表示光纖的長(zhǎng)度（此處未考慮整個(gè)光路上各光學(xué)部件的插入損耗）。根據(jù)愛因斯坦的光子理論，式 (449)和式 (4410)中的斯托克斯光和反斯托克斯光的后向散射因子 SP 、 ASP 分別表示為 斯托克斯拉曼散射光后向散射因子： 11 e x p ( / )sp E kT? ? ?? (4411) 反斯托克斯拉曼散射光后向散射因子： e x p ( / )1 e x p ( / )AS E kTp E kT??? ? ?? (4412) 上式中 E? 為光纖分子上、下級(jí)能量差； k 為波爾茲曼常數(shù)； T為光纖某探測(cè)位置處的絕對(duì)溫度。 由式（ 449）、式（ 4410）、（ 4411）和式（ 4412）可知，拉曼散射光功率只受該探測(cè)位置處的溫度 T 影響。進(jìn)一步對(duì) (4411)、式 (4412)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，斯托克斯拉曼散射光雖然也受溫 度影響，但受影響幅度非常小，而反斯托克斯拉曼散射光則受溫度影響的幅度非常大，因此實(shí)際的溫度信號(hào)便由光纖中的反斯托克斯拉曼散射光所攜帶。 5 拉曼分布式光纖溫度傳感器的溫度信號(hào)解調(diào)方法 正如上一章節(jié)中所分析的結(jié)果，實(shí)際上測(cè)量中反斯托克斯拉曼散射光才是我們需要的信號(hào)光。拉曼分布式光纖溫度傳感器采用的信號(hào)調(diào)制方法便是以光纖中的反斯托克斯拉曼散射光為載波，對(duì)反斯托克斯拉曼散射光在傳感光纖中傳播過程中的溫度信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。拉曼分布式光纖溫度傳感器的溫度信號(hào)解調(diào)方法主要有如下三種，下面對(duì)其逐一進(jìn)行分析 [14] 。 此方法首先測(cè)出整段傳感光纖在 0T =T 時(shí)的反斯托克斯拉曼散射光功率曲線，即： 00 0 00e x p ( / )( ) e x p [ ( ) ]2 1 e x p ( / )A S A S A Sh v k TvP T E Lh v k T ????? ? ? ?? ? ? (511) 然后在任意溫度 T時(shí)測(cè)得反斯托克斯拉曼散射光功率曲線，即： 00e x p ( / )( ) e x p [ ( ) ]2 1 e x p ( / )A S A S A Sv h v k TP T E Lh v k T ????? ? ? ?? ? ? (512) 得到這兩條曲線后，再將二者作比較得： 00( ) e x p ( / ) 1( ) e x p ( / ) 1ASASP T h v kTP T h v kT??? （ 513） 從而由式 513)可反算得溫度分布曲線，即： 0e xp( / ) 1l n[ 1 ( ) ]() ASAShvT h v k Tk P TPT?? ??? (514 ) 這種自解調(diào)方法只有在能確保系統(tǒng)非常穩(wěn)定的情況下才適用，如果系統(tǒng)一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定，則測(cè)得的結(jié)果誤差將非常大，就沒有實(shí)際的測(cè)量意義，因此在實(shí)際應(yīng)用中一般不采用這種解調(diào)方法。 此方法首先測(cè)出整段傳感光纖在 0T =T 時(shí)的反斯托克斯拉曼散射光功率曲線和斯托克斯拉曼散射光功率曲線，即 00 0 0000 0 00e xp( / )( ) e xp[ ( ) ]2 1 e xp( / )e xp( / )( ) e xp[ ( ) ]2 1 e xp( / )AS AS ASS S Sh v k TvP T E Lh v k Th v k TvP T E Lh v k T??????? ? ? ? ?? ? ? ??? ??? ? ? ? ?? ? ? ?? (521) 將兩條曲線作比較得 : 0 000() e x p ( / ) e x p [ ( ) ]()A S A S ASSSPT h v k T LPT ???? ? ? ?? (522) 然后在任意溫度 T 時(shí)測(cè)得反斯托克斯拉曼散射光功率曲線和斯托克斯拉曼散射光功率曲線，然后將兩條曲線作比值，即： 00e xp( / )( ) e xp[ ( ) ]2 1 e xp( / )e xp( / )( ) e xp[ ( ) ]2 1 e xp( / )AS AS ASS S ASv h v k TP T E Lh v k Tv h v k TP T E Lh v k T??????? ? ? ? ?? ? ? ??? ??? ? ? ? ?? ? ? ?? (523) 將兩條曲線作比較得： 0() e x p ( / ) e x p [ ( ) ]()A S A S ASSSPT h v k TPT ???? ? ? ?? （ 524） 得到這兩條曲線后，再將二者作比較得： 0 0 0( ) / ( ) e x p ( / )( ) / ( ) e x p ( / )A S SA S SP T P T h v k TP T P T h v k T??? ?? （ 525） 而由式 (534)可反算得溫度分布曲線，即： 0000( ) / ( )l n[ ]( ) / ( )A S SA S Sh v TT P T P Th v k T P T P T???? (526) 這種解調(diào)方法利用斯托克斯拉曼散射光作為參考信道，通過 反斯托克斯拉曼散射信號(hào)光與其作比較，從而有效地消除光源的不穩(wěn)定性以及光纖傳輸過程中的耦合損耗、光纖接頭損耗、光纖彎曲損耗和光纖傳輸損耗等所帶來的影響，因此傳統(tǒng)的拉曼分布式光纖溫度傳感器采用的都是這種解調(diào)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。 利用瑞利散射光功率曲線的解調(diào)方法 此方法首先測(cè)出整段傳感光纖在 0T =T 時(shí)的反斯托克斯拉曼散射光功率曲線和瑞利散射光功率曲線，即： 00 0 000 0 0e xp( / )( ) e xp[ ( ) ]2 1 e xp( / )( ) e xp( 2 )2AS AS ASRRh v k TvP T E Lh v k TvP T E L?????? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ??? (531) 將兩條曲線作比 較得 : 00 0( ) e x p ( / ) e x p [ ( ) ]( ) 1 e x p ( / )A S A S ASRSP T h v k T LP T h v k T ??? ? ???? ? ? ? (532) 然后在任意溫度 T 時(shí)測(cè)得反斯托克斯拉曼散射光功率曲線和瑞利散射光功率曲線，即： 0000e xp( / )( ) e xp[ ( ) ]2 1 e xp( / )( ) e xp( 2 )2AS AS ASRRv h v k TP T E Lh v k TvP T E L?????? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ??? (533) 將兩條曲線作比較得： 0() e x p ( / ) e x p [ ( ) ]( ) 1 e x p ( / )A S A S ASRSPT h v k T LP T h v k T ???????? ? ? ? (534) 得到這兩條曲線后，將二者作比較得： 000( ) / ( ) e x p ( / ) 1( ) / ( ) e x p ( / ) 1A S SRSP T P T h v k TP T P T h v k T? ? ?? ? ? ? (535) 從而由式（ ）可反算得溫度分布曲線，即： 0 0e xp( / ) 1l n[ 1 ( ) ]() ASAShvT h v k Tk P TPT?? ??? （ 536） 式 (512)和式 (536)中 RP 、 ASP 、 SP 分別表示后向瑞利散射光、后向反斯托克斯拉曼散射光和后向斯托克斯拉曼散射光的光功率， v為光在光纖中的傳輸速度， ? E為泵浦光脈沖的能量， h、 k分別為普朗克常數(shù)和玻爾茲曼常數(shù)， v?為光纖的拉曼頻移量， R? 、 AS? 、 S? 分別為光纖長(zhǎng)度上的后向瑞利散射光、后向反斯克斯拉曼散射光和后向斯托克斯拉曼散射光的散射系數(shù) 0? 、 AS? 、 s? 分別為入射泵浦光 (后向瑞利散射光 )、后向反斯托克斯拉曼散射光和后向斯托克斯拉曼散射光在光纖中單位長(zhǎng)度上的損耗系數(shù)， L為對(duì)應(yīng)光纖上某一測(cè)量點(diǎn)到測(cè)量起始點(diǎn)的距離， T為該測(cè)量點(diǎn)處的絕對(duì)溫度。仔細(xì)比較式 (512)和式 (536)發(fā)現(xiàn)，兩種解調(diào)方法最后得到的溫度解調(diào)曲線是完全相同的。但后種解調(diào)方法既能有效地消除光源的不穩(wěn)定性以及光纖傳輸過程中的耦合損耗、光纖接頭損耗、光纖彎曲損耗和光纖傳輸損耗等所帶來的影響，又能提高系統(tǒng)的測(cè)溫靈敏 度。 三種解調(diào)方法的比較 測(cè)溫靈敏度是分布式光纖溫度傳感器的一個(gè)重要參數(shù)，下面對(duì)上面介紹的三種解調(diào)方法的測(cè)溫靈敏度進(jìn)行分析。定義系統(tǒng)的溫度傳感光纖溫度每變化 1K，系統(tǒng)信號(hào)電平比值的變化率為系統(tǒng)的相對(duì)溫度靈敏度。 對(duì)于第一種利用反斯托克斯拉曼散射光功率曲線自解調(diào)的方法，由式 (513)得到的測(cè)溫靈敏度為 102200() e x p ( / )/ [ e x p ( / ) 1 ]( ) [ e x p ( / ) 1 ]ASASPT h v h v k TS d d T h v k TP T k T h v k T? ? ?? ? ? ?? ? ? （ 541） 對(duì)于第二種利用斯托克斯拉曼散射光功率曲線解調(diào)的方法，由式 (525）得到系統(tǒng)測(cè)溫靈敏度為： 2 20 0 0( ) / ( ) e x p ( / )/( ) / ( ) e x p ( / )A S SA S SP T P T h v h v k TS d d TP T P T k T h v k T? ? ??? ?? （ 542） 對(duì)于第三種瑞利散射光功率曲線解調(diào)的方法，由式 (535)得到系統(tǒng)測(cè)溫靈敏度為： 302200() e x p ( / )/ [ e x p ( / ) 1 ]( ) [ e x p ( / ) 1 ]ASASPT h v h v k TS d d T h v k TP T k T h v k T? ? ?? ? ? ?? ? ? （ 543） 三種解調(diào)方法的溫度曲線都是非線性的，但在局部溫度范圍內(nèi)近似的是線性的，因此可以得到平均測(cè)溫靈敏度。在 0~120℃范圍內(nèi)，三種解調(diào)方法的平均測(cè)溫靈敏度分別為 %/℃、 %/℃和 %/℃ [14] 。由于光纖的 Rayleigh散射信號(hào)要比自發(fā)拉曼散射強(qiáng) 34個(gè) 量級(jí)，噪音是疊加的，而系統(tǒng)的溫度分辨率由信噪比確定，因此采用第三種解調(diào)方法的溫度分辨率高于其它解調(diào)方法。 6 基于 MATLAB 的模擬仿真 首先對(duì)光纖信號(hào)的傳輸損耗進(jìn)行模擬分析；因?yàn)楣饫w 功率損耗公式為 : Linout fePP ??? 且經(jīng)過試驗(yàn)證明，工作波長(zhǎng)較長(zhǎng)，摻餌 Ge02 的光纖材料最理想；用 Sio2Ge02 制成的單模光纖， m? 波長(zhǎng)處僅 。所以在仿真的過程中，我們?cè)O(shè)定 ? =1550nm， T=15， L 為光纖的傳輸距離。由此我們的程序代碼見附錄 1， Y1 表示輸入光功率為 100W 的輸出功率與傳輸距離的關(guān)系曲線， Y2表示在 10Km 時(shí)輸入功率由原來的 100W 跳變?yōu)?200W 時(shí)輸出功率與傳輸距離的關(guān)系曲線。仿真圖如下圖所示： 圖 輸入功率改變的光纖傳輸損耗特性的仿真圖 由仿真圖可以看出拉曼散射光功率與光纖長(zhǎng)度不是程線性關(guān)系：當(dāng)光纖的長(zhǎng)度在 10Km 以內(nèi)時(shí)，衰減速度很快，之后逐漸緩慢， 但當(dāng)傳輸距離大于 30KM 時(shí)，布里淵散射光功率幾乎為零。如果在傳輸?shù)?過程中輸入功率有個(gè)突變（在這里假定變?yōu)?200w） ,輸出光功率也會(huì)增加。 由圖中的跳變可知，如果輸入功率變大時(shí)，拉曼散射光功率也會(huì)變大。 如果在傳輸?shù)倪^程中輸入功率是一個(gè)定值，假定 100W，而損耗系數(shù)由于環(huán)境等各因素的影響可能會(huì)發(fā)生變化。其他的參數(shù)與上面的都一樣。假定傳輸損耗在 10Km 之后由 。代碼見附錄 2，仿真圖如下所示： 圖 損耗系