拉曼散射和布里渊散射资料

1 拉曼介绍

光在光纤中传输时，入射光子与光纤分子相遇会发生弹性或非弹性碰撞：在非弹性碰撞过程中，

入射光子会吸收或释放声子，入射光子与光纤分子之间发生

能量转移，结果会产生与入射光子频率不同的反斯托克斯和斯托克斯光子。

布里渊原理

光纤中的布里渊散射效应是入射光波场与光纤中的弹性声波场间相互耦合

作用而产生的一种非线性光散射现象，其主要特点是散射光的频率相对入射光频

率发生变化，频移量的大小与散射方向以及光纤内的声波特性有关。根据入射光

强度的不同，光纤中会产生自发布里渊散射或受激布里渊散射。 俩者联系

布里渊散射是布里渊于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动，但作为一

种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介

质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与喇曼散射不同的是，

在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。 2 各自优缺点

利用光纤中的布里渊散射实现分布式温度测量的系统，由于工作在非线性受

激散射状态下，所产生的布里渊散射光强较大，而且具有较高的温度灵敏度，因

而是一种很有应用发展前景的方案。但采用该方案的系统，要求激光器的功率能

够达到使光纤产生受激布里渊散射，而且布里渊散射光相对于入射光的频移很

小，相应的分光和检测器件不容易实现，增大了测量难度。最主要的是，布里渊

散射光同时对光纤受到的应变、应力敏感，所以在用于温度传感时必须设法补偿

这一响应量，也使整套系统变得复杂，增加了成本。

利用后向自发拉曼散射的方案，在理论上比较成熟，因为是测量拉曼散射光

强度的变化，相应的光电探测器件也比较多，所以系统容易实现。而且采用反斯

托克斯与斯托克斯光强度的比值作为温敏信号的方案能消除光纤弯曲、压力等非

温度因素对光强的影响。就是后向反斯托克斯光比较弱，增加了检测难度，但只

要保证足够的入射功率，采用截止特性足够好的滤光片，在一定程度上能够获得

足够强的信号。而且随着现代光电子器件的快速发展，光电管的灵敏度和放大倍

数都得到了很大提高，所以光电探测方面也没有问题。在系统中，硬件方面采用

具有较高探测灵敏度的光电转换器件，设计低噪声放大电路，数据处理方面运用

数据累加平均和小波去噪等措施，可以使系统的信噪比达到一个比较理想的水

平。目前，采用该方案的系统，商品化程度最高。本论文也采用该方案，即基于

光纤中的后向拉曼散射实现的分布式温度测量。 3 拉曼几项关键技术

将拉曼放大技术应用于DTS系统，用拉曼增

益部分抵偿光纤的传输损耗，使系统的传感长度达到50 km；

对脉冲激光器进行211位循环编码，在接收时采用相关运算解调，显著提高系统的信噪比，使测温不确定度达到1℃；采用

双波长自校正技术提高了系统的空间分辨率，达到2 m；在DTS

系统中嵌入光开关，使测温通道成倍扩展，有效延伸了传感光

纤的总长度，组成光纤传感网络

数据处理

分布式拉曼光纤温度传感系统的性能指标是受信噪比水平限制的,数据

处理,特别是噪声处理对系统实用性的作用显得尤为突出。系统噪声的

来源多种多样,很大一部分噪声是系统器件引入的随机噪声,突出表现

为APD探测器在光电转换与信号放大时引入的暗电流噪声、散粒噪声、

热噪声以及附加噪声。这些噪声互不相关,其幅度、波形、相位变化毫

无规律,均看作白噪声进行处理。我们知道白噪声的典型特征是它具有

零均值的统计特性,采用多次累加平均的处理方式能最有效地抑制这类

噪声的影响,达到改善信噪比的目的,同时系统使用脉冲激光器,其产生

的信号周期性良好,十分适合进行累加平均处理。

通常采用数据累加平均算法进行去噪处理，该方法简单，易于实现，也

能获得一定的去噪效果，但该方法存在下列不足：因为数据累加平均需

要较长的运算时间，所以该方法是以增加系统的测量时间为代价，换取

信噪比的提高；存在一个极限，即当数据累加平均次数到达一定值后，

信噪比几乎不再得到改善；对信号中混有的高频噪声成分处理效果不明

显。

小波变换滤波法有

强制消噪法、小波域阈值滤波法和小波变换模极大值法[43]。小波变换

模极大值滤波法是依据不同小波分解尺度上信号和噪声对应的模极大

值的传播特性的差异,滤除噪声的模极大值的同时保留信号的模极大值,

最后通过余下的模极大值进行小波信号重构。小波变换模极大值滤波法

的优点是能够完整地保留原始信号的突变信息,并且经过滤波后的信号

基本没有多余的噪声波动,十分适合于去除拉曼温度传感信号中的高频

噪声;其缺点是对低频信号或者瞬时脉冲信号的滤波效果并不突出。

4.布里渊

根据散射信号产生方式的不同,将布里渊分布式光纤传感器分为BOTDA和BOTDR。

前者是基于受激布里渊散射原理实现的。散射光功率较高,但要在光纤双端都注入信号,

机构较为复杂。后者是基于自发布里渊散射原理实现的,结构简单,但散射光功率较弱,

对信号处理的要求较高。根据个这两种传感器的优势不同,应用于不同场合。

(a)为普通BOTDR的简图,光源发出的光经调制后成为脉冲激厉力光,由掺

铒光纤放大器(m)FA)放大后输入传感光纤的一端,其后向的自发布里渊散射光被光电

探测器接收,经过光电信号处理,输入计算机进行数值计算,根据布里渊频移量和散射

光幅度来计算温度/应变信息,并根据接收散射信号的时间以及光在光纤中传播的速度

来判断具体的传感位置。

图1. 1 (b)为普通BOTDA的简图,对比(a)与(b),可知,BOTDA不同于BOTDR,

因为受激布里渊散射需要探测光和激励光同时在传感光纤中传输,因此,在光纤的尾端,

输入探测光,其与脉冲激励光有一个布里渊频移。二者在光纤中发生受激布里渊散射效

应,相对于自发布里渊散射效应,有更大功率的散射光被光电探测器接收,然后经过光

电信号处理,输入计算机进行计算。

增益型和衰减型

在BOTDA (如图1-1 (b))中,需要检测由脉冲激励光和直流探测光的非

线性作用产生的受激布里渊散射信号。根据激励光和探测光采用的不同频差,可分为激

励光频率高于探测光的增益型BOTDA和激励光频率低于探测光的衰减型BOTDA。改变传

感机制即改变两路光的频差。由于受激布里渊散射作用引起的脉冲光功率损失的影响,

增益型BOTDA的传感距离和信噪比受到一定限制。然而对于衰减型布里渊分布式光时域

分析,受激布里渊散射作用是把直流探测光的能量转移给脉冲激励光,从而在一定程度

上减少了由于脉冲激励光功率损失带来的性能下降,相对提高了传感距离和传感精度。

目前一些对于改进分布式布里渊光时域分析的方法已被提出,

例如通过结合拉曼放大效应增强受激布里渊信号,使得传感距

离大幅增加;通过两种不同脉宽的脉冲调制兼顾了空间分辨率和检测信号强度的关系,

使得在保证空间分辨率的情况下提高了传感距离[13];通过引入消偏振衰落技术,提高

了 BOTDA的测量精度

布里渊关键技术（拉曼放大技术对长距离BOTDR的传感性能有显著改善）

在BOTDR中,单纯地利用EDFA对初始脉冲进行放大,难以有效解决光在长距离光

纤中衰减量过大的问题。可采用分布式的拉曼放大,来抵消光纤衰减的作用。拉曼放大

是基于光纤的受激拉曼散射(SRS)来实现,利用传感光纤作为增益介质,使得信号在

传输的过程中得到放大,同时具有噪声系数低、温度稳定性好等优点[21]。如图2.7,短

波长的拉曼泵浦光(波长为Xi)发生散射,将能量转移给长波长的斯托克斯光(波长

为入2),对处于拉曼增益带宽内的信号有放大作用。如弱光与强拉曼系浦光同时在光

纤中传输并且弱光位于强泵浦光的拉曼增益带宽内,弱光将被放大。其作用主要是利用光纤作为

增益介质,在传输的过程中,对弱光信号进行持续放大,削弱了光纤对光信号的衰减,使得在光纤远

端有足够大的光功率实现布里渊

散射。

布里渊散射的分布式光纤传感系统虽然具有测量精度高、动态范围广、可以同时

检测温度和应力两种参量等优势,但是由于发展时间比较短,技术水平还没达到商品化实用化要

求,还处于研究阶段中。相比之下,自20世纪80年代中期以来,基于拉曼散射

的分布式光纤温度传感系统经过不断的研究发展,技术已经较为成熟。