[信息与通信]基于MATLAB的光纤拉曼传感信号传播特性的模拟研究.doc

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1、摘 要在光纤中所探测到的含有温度信息的拉曼后向散射光十分微弱，甚至完全淹没在噪声中，所以分布式光纤温度传感器信号处理的研究是比较重要的，这样才能对拉曼光谱进行详细的分析，才能更好的应用。光纤中的散射光主要包括瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射。在本论文中概述了散射原理并对拉曼散射的基本原理做了详细的叙述。在光纤的传输过程中，损耗是一个主要问题，文中重点研究了光纤传输损耗，并用matlab对传输过程中的损耗进行了仿真模拟分析。本文在温度对光谱产生的作用方面也做了阐述，分析了拉曼分布式光纤温度传感器性能指标。通过以上的了解提出拉曼分布式温度传感器温度信号的三种解调方法，并比较三种解调方法的优缺点。利用

2、对拉曼光谱特性的模拟，并通过对仿真图的数据分析指出拉曼散射与外界个因素之间的关系。关键词： 分布式光纤 拉曼光谱 温度效应 解调方法Title MATLAB-based Fiber Optic Sensor Signal propagatio characteristics of the assassination of Raman Simulation study AbstractIn the fiber containing the temperature information detected by the Raman backscattering of light is very w

3、eak or even completely submerged in the noise, so the distributed optical fiber temperature sensor signal processing research is more important, so as to details of the Raman spectra Analysis, in order to better applications. The scattered light fiber includes Rayleigh scattering, Brillouin scatteri

4、ng and Raman scattering. In this paper the scattering theory outlined the basic principles of Raman scattering and a detailed description. In optical fiber transmission process, the loss is a major problem, the paper focuses on the transmission loss and transmission using matlab on the process of lo

5、ss and the mutation occurred in a simulation analysis. In this paper, the effect of temperature on the spectrum have also done a paper analyzes the distributed optical fiber Raman temperature sensor performance. Through the above understanding of the proposed Raman distributed temperature sensor tem

6、perature signal of the three demodulation method, and compare the advantages and disadvantages of the three demodulation. Use of Raman spectral characteristics of the simulation, and through the simulation analysis of the data graph that Raman scattering and the relationship between external factors

7、.朗读显示对应的拉丁字符的拼音Keywords Distributed optical fiber Raman spectroscopy Temperature effect Demodulation目 录摘 要IAbstractII1 引言11.1基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的发展现状11.2 本论文的主要研究内容和组织安排22 光纤中的散射光分类及拉曼散射的原理32.1光纤中散射的分类32.2拉曼散射的原理52.3 Raman散射理论模型73 拉曼光谱的传输特性83.1 拉曼光谱的基本特征83.2 损耗的机理83.3 光纤拉曼增益系数的测量123.4拉曼光谱的数据处理134 拉曼光谱

8、的温度敏感特性164.1基于拉曼散射的测温原理164.2 Raman散射型分布式光纤温度传感器系统的温度标定164.3拉曼分布式光纤温度传感器性能指标204.4拉曼散射的温度效应225 拉曼分布式光纤温度传感器的温度信号解调方法255.1利用反斯托克斯拉曼散射光功率曲线自解调方法255.2利用斯托克斯拉曼散射光功率曲线的解调方法265.3 利用瑞利散射光功率曲线的解调方法275.4 三种解调方法的比较286 基于MATLAB的模拟仿真30结 论35致 谢36参 考 文 献37附 录391 引言光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径迅速发展起来的一种崭新的传感技

9、术。光纤中的散射光包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中拉曼散射光的强度很小，需要把瑞利和布里渊散射滤除以后才能提取出拉曼散射光进而进行分析。拉曼散射广泛的应用于化学、生物学、物理学和医学等各个领域，有力得推动了对分布式光纤温度传感器的研究和应用。把分布式光纤温度传感器埋入材料结构中，组成智能材料结构可以实现结构本身的实时自检测和自诊断，用于航空 航天飞行器的在线、动态检测和机器人的神经网络系统。这种崭新的学术思想将会使材料与工程科学产生革命性的变化，尤其是在航空航天的现代化工程领域具有特别重要的意义和广阔的前景。本文通过对拉曼光谱的基本特征的分析及研究，实现光信号的稳定性和信号解调的可靠性

10、，提高传感系统的可靠性。1.1基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的发展现状121928年印度科学家拉曼(Raman)发现，当光子与流体和气体分子相互作用时，在入射光频率的两端会出现新的谱线，这一现象称为散射效应，即拉曼散射光谱。拉曼散射效应可以用入射光与散射介质的相互作用、能量转移加以解释，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Stokes散射或Anti-Stokes散射。激光器的出现，有力地推动了对拉曼散射的研究，并发现了新的拉曼散射效应，如共振拉曼散射、非线性拉曼散射、超拉曼散射、受激拉曼散射、相干Anti-Stoke

11、s散射。拉曼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行定性和定量分析和测量环境温度。近年来，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。1985年，英国的J.P.Dankin等人首次成功地利用光纤的拉曼散射温度效应和光时域反射原理实现了采用拉曼散射的分布式测温技术以来，在世界范围内众多研究人员展开了基于拉曼散射的传感系统的研究，并取得了可喜的成绩。目前，基于拉曼散射的温度传感技术主要集中在二个方面：一是基于拉曼光时域反射技术的分布式光纤传感技术；二是基于拉曼光频域分析技术的分布式光纤传感技术。基于R

12、aman散射的分布式光纤温度传感器系统的技术已相对成熟,需要大力开展应用和应用技术研究,在工业自动化过程检测和控制中,应用分布式光纤测量网络,开拓产业市场,发展高科技产业。1.2 本论文的主要研究内容和组织安排 论文主要是利用基于拉曼散射的测温原理及精度分析对拉曼散射光的温度敏感特性进行探讨，并对传输过程中光纤的损耗特性进行了详细的研究；最后应用MATLAB进行了模拟仿真和数据分析，基于仿真结果提出了合理的拉曼光谱信号检测和解调方案，并比较各方案的优缺点。内容安排如下:第二章是光纤中散射光的分类及原理。首先介绍了光纤中的各种散射光，并利用图形来说明各类散射光的散射原理，位置分布和散射强度。其次

13、，重点介绍了拉曼散射的原理。第三章是拉曼光谱的传输特性。首先介绍了拉曼光谱的基本特征；然后重点介绍了光纤传输的损耗机理；最后介绍了拉曼光谱的数据处理（主要是噪声谱的消除和减少）。第四章是拉曼光谱的温度敏感性。首先介绍了光纤的测温原理及精度分析；其次介绍了基于拉曼散射的测温原理和性能指标；再次是分析拉曼散射的温度效应。第五章是拉曼分布式温度传感器的温度解调方法。分别介绍了三种不同的解调方法，并进行了比较。第六章用MATLAB对拉曼光谱的各种特性进行模拟仿真的程序设计和对模拟结果的分析。最后为全文总结，简要概括了本文的主要工作及研究的主要结论。2 光纤中的散射光分类及拉曼散射的原理在本章中，主要分

14、析光纤散射和散射的原理。光纤中的散射包括瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射；并用了一个光纤散射光谱图对这三种散射的强度，波长做了明确的说明。在散射原理中重点讲述了拉曼的散射原理，拉曼散射的理论模型。32.1光纤中散射的分类光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。光波在光纤中传播时，由于光纤的非结晶材料在微观空间的不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。光强随传播距离的减弱仍符合指数衰减规律，只是比单一吸收时衰减得更快罢了，则其关系为 (2-

15、1-1)式中，为光的原始强度；I为光束通过厚度为l的试件后，由于散射，在光前进方向上的剩余强度；、分别称为吸收系数和散射系数，是衰减系数的两个组成部分。散射分为弹性散射和非弹性散射：散射前后，光的波长(或光子能量)不发生变化的散射称为弹性散射。从经典力学的观点，这个过程被看成光子和散射中心的弹性碰撞。散射结果只是把光子碰到不同的方向上去，并没有改变光子的能量。弹性散射的规律除了波长(或频率)不变之外，散射光的强度与波长的关系可因散射中心尺度的大小而具有不同的规律。弹性散射中典型的就是瑞利散射。假如以Is表示散射光强度，表示入射光的波长，一般有关系。 当时,4。换言之，当散射中心的线度远小于入射

16、光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比。这一关系称为瑞利散射定律。图2.1 瑞利散射强度与波长的关系当光束通过介质时，从侧向接收到的散射光主要是波长(或频率)不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。除此之外，那些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为“非弹性散射”。弹性散射和非弹性散射的光谱如图2.2所示。图中与入射光频率相同的谱线为瑞利散射线，其近旁两侧的两条谱线为布里渊散射线，与瑞利线的频差一般在-100cm量级。距离瑞利线较远些的谱线是拉曼(Raman)散射线，它们与端利线的频差可因散射介质能级结构的不同而在100104cm之间变化。出现在瑞利线低频侧的散射线统称

17、为斯托克斯(Stokes)线，而在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯托克斯(anti-Stokes)线。拉曼散射和布里渊散射都可以分别产生斯托克斯线和反斯托克斯线。 图2.2 弹性散射和非弹性散射的光谱光波在光纤中的传播过程中产生的散射主要有三种：瑞利散射、布里渊散射和喇曼散射。三种光散射信号的频谱分布如图2.3所示：1）瑞利散射：是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光与入射光的频率相同。2）布里渊散射：是光纤中的光学光子和光纤中的声学声子发生非弹性碰撞而产生的，强度比瑞利小2030dB,布里渊频移为11GHz左右。3）喇曼散射：是光纤中的光学光子和光纤中的光学声子发生非弹性碰撞而

18、产生的，强度比布里渊散射还小一个数量级，频移上T级。喇曼散射和布里渊散射均同时包含斯托克斯和反斯托克斯光，在频谱中也是成对出现的。由于光纤中存在成分和密度的不均匀，使得折射率的微观分布呈现不均匀性，当激光在光纤中传输时会产生散射。其中背向散射包括由光纤折射率变化引起的瑞利散射、光学声子引起的拉曼 (Raman)散射和声学声子引起的布里渊(Brillouin)散射三种类型，其频谱如图2.3所示: 其中（纵轴为光的强度，横轴为光的波长）。 图2.3 光纤中的背向散射光频谱瑞利散射是光纤的一种固有特性，是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。拉曼散射是入射光波

19、的一个光子被一个声子散射成为另一个光子，同时声子完成其两个振动态之间的跃迁。在光谱图上，拉曼散射频谱具有两条谱线，分别分布在入射光谱线的两侧，其中波长大于入射光为斯托克斯光，波长小于入射光为反斯托克斯光。由于光纤内部存在着与入射光方向同向和反向传播的自发声波，由多普勒效应，散射光中包含了比原入射光频率低的斯托克斯光()，以及比入射光频率高的反斯托克斯光()两个频率的光波分量2.2拉曼散射的原理4当光照射的物质上时，会发生非弹性散射，散射光中除有与激光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。由分子振动、固体的光学声子等元素激发与激发光相互作用产生的

20、非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱。拉曼散射强度是十分微弱的，大约为瑞利散射的千分之一。当光脉冲沿光纤传输时，在光纤的每一点都会产生拉曼散射，该散射是各向同性的，其中一部分将沿光纤返回。根据电磁场理论可知，由于光纤纤芯介质材料密度的微观变化和成分起伏的影响，入射光子与介质分子相互作用，除产生与入射光同频的瑞利散射外，由于介质的非线性效应，入射光子与分子还发生非弹性碰撞。在非弹性过程中光子与分子之间发生能量交换，光子不仅仅改变了运动的方向，同时光子的部分能量传递给分子，或者分子振动和转动的能量传递给光子，从而改变光子的频率。这一过程为拉曼散射。从量子理

21、论能级的观点来看，拉曼散射是由光子的非弹性碰撞产生的。以双原子分子的v=1能级为例，拉曼散射过程的能级如下图所示，图中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，光子的能量h；当分子从振动基态(或振动激发态)被入射光激发到能级+h(或+ h)的虚态,又回到振动基态(或振动激发态)，散射出频率为的光子，这一过程称为瑞利(Reyleigh)散射。当振动基态的分子被入射光激发到虚态，然后回到振动激发态，产生能量为h()的Raman散射，散射光子的频率为，这种散射称为斯托克斯(Stokes)散射；另一种是处于振动激发态的分子被入射光激发到虚态，然后回到振动基态E1，产生能量为h

22、()的Raman散射，散射光子的频率，这种散射称为反斯托克斯(Anti-stokes)散射。 斯托克斯 瑞利 反斯托克斯 图2.4 Raman散射过程的能级示意图受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性，即与激光器中的受激光发射有类似特性：方向性强，散射强度高。 当入射光是一束足够强的激光时，斯托克斯谱线的强度开始比例于自身而增长，具有明显的受激特性，这就是受激拉曼散射。受激拉曼散射是强激光与物质相互作用所产生的受激声子(光学支声子)对入射光的散射，而自发拉曼散射是热振动声子对入射光的散射，其散射具有随机性特点。受激拉曼散射过

23、程中入射光子主要被光学支声子所散射。受激拉曼散射满足动量守恒和能量守恒。2.3 Raman散射理论模型5 对于圆形的多模阶跃光纤的Adz 体积内的Adz个分子，总的Stokes Raman散射功率为 （2-3-1）式中Stokes Raman散射的捕获系数为： （2-3-2）)是拉曼散射的微分截面。根据玻色-爱因斯坦关于光子的概率分布，Stokes Raman散射的玻色-爱因斯坦因子为 （2-3-3）式中：k 是玻耳兹曼常量；T 是光纤的绝对温度；E是发生Raman散射时光子跃迁的两个稳态能级间的能量差。如果T是时间t和位置Z的函数，那么也就是时间t和位置Z的函数，只是在很短的时间内温度可以认

24、为几乎不变，就可认为和T都只是Z的函数，即 （2-3-4）同样对于反Stokes Raman散射也有类似的公式： （2-3-5） （2-3-6） （2-3-7）3 拉曼光谱的传输特性在本章中主要讲述的是拉曼光谱的传输特性，通过对光谱的基本特征、损耗机理（各种散射，及吸收损耗）的了解，提出对拉曼信号的数据处理方法。3.1 拉曼光谱的基本特征121、频率特征 斯托克斯和反斯托克斯频率的绝对值相等,即= 根据能量守恒定律，一切散射包括拉曼散射过程的能量必须满足,其中，、 和分别代表入射光、散射光和散射体系K的能量。因为散射体系K的能量是散射体系本身性质的体现，一般情况下，不应随入射光频率不同而变化，

25、因此，拉曼频率（）必定有不随入射光频率不同而变化的特征。如果注意到斯托克斯与反斯托克斯的定义，显然，斯托克斯和反斯托克斯频率和的绝对值相等。2、强度特征a、拉曼散射强度极弱。他一般只有入射光的。拉曼散射强度弱是历史上制约拉曼应用和发展的主要因素。b、拉曼光谱的斯托克斯强度比反斯托克斯的强度大的多，两者的比值要远远大于13、偏振特性当入射光是偏振光时，对确定方位的分子和晶体，散射光的偏振特征与入射光偏振状态有关，从而出现了所谓的“偏振选择定则”。一般情况下拉曼散射光是偏振光，因此，拉曼光谱往往是偏振的光谱。3.2 损耗的机理 6 光线在光纤中传输时，光能会发生损耗。光纤的损耗,就是沿光纤传输的光

26、信号的衰减。损耗或衰减由下式定义 （3-2-1）式中A是损耗；、分别是输入、输出的光功率；负号是据习惯加入的，表示损耗为负值。损耗由每单位长度分贝（dB）值表示，典型的是dB /Km。对于均匀的光纤，单位长度的衰减可以定义为衰减系数 （dB/km） （3-2-2）其中L为光纤长度，光纤的衰减与波长和长度有关，而衰减系数仅由波长和光纤本身性质决定。大多数传输线的光功率与其传输距离z之间的关系是 （3-2-3） 其中是功率衰减系数，它是对自然对数定义的，所以与衰减系数相差一个常数lge（为4.34）。光纤的损耗还可以用光纤损耗系数表示： （3-2-4）则，光纤的损耗和光纤损耗系数关系为： （3-2

27、-5）损耗的原因有吸收、散射、微型变、端面反射损失等。 图 3.1 损耗的原因 通常情况下，光纤都有跃迁金属的杂质，象铜、铬、铁、氢氧化铁等；跃迁金属常以离子的形态出现在基质材料中，尽管这种金属含量极其微小，但由于这些金属跃迁离子的吸收，在可见光到红外区都有较大的吸收损耗。因此用以制造光纤的玻璃材料必须进行要求极高的提纯。导致光纤吸收损耗的另一个主要原因是光纤中含有水，水分子的OH根以与波长=2.8 m的红外光波长相应的基频振动。除了OH根减少外，在高波长时损耗减少是由于光纤固有散射损失的减少。高波长处的“窗口”称作光纤的第二“窗口”；衰减曲线图3.2对应的光纤称作“双窗口”光纤，即它对损耗存

28、在着两个“窗口”。 图3.2 低损耗光纤的典型衰减曲线除吸收外，散射是光纤损耗的另一种机理。在光纤制造中，封闭在玻璃中的小气泡、杂质及微形变都能造成散射损失。此外玻璃固化过程中，由于热作用产生密度波动，导致在足够小的尺寸上折射率波动引起瑞利散射。瑞利损耗对于光的波长来说与成正比（瑞利损耗与频率的四次方成正比）。3.2.1吸收损耗制造光纤的材料本身以及其中过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的本征吸收损耗。在光学波长及其附近有两种基本吸收方式-短波长区主要是紫外吸收；长波长区主要是红外吸收。1.紫外吸收损耗：光子流将光纤材料中电子从低能级激发到高能级时，光子流中能量被电子吸收从而引起损

29、耗。这种损耗对波长小于0.4 m紫外区中光波表现特别强烈；形成紫外吸收带。其吸收损耗曲线可延伸至光纤通信波段（0.8 m1.7 m）。短波长范围内光纤损耗小于0.1dB/Km。2.红外吸收损耗：光波与晶格相作用时，一部分光波能量传给晶格，其振动加剧，从而引起损耗。这种吸收损耗对波长大于2m红外区中光波表现特别强烈；故称红外吸收。它对光纤通信波段影响不大，对短波长不引起损耗。紫外、红外吸收损耗，构成光纤本征吸收损耗；它是材料本身固有（只有改变材料成分才有微小改变）。因此光纤制造过程中可通过合理选择光纤掺杂材料减小光纤本征吸收损耗。3.杂质吸收损耗光纤中有害杂质主要为：过渡金属离子（如铁、钴、铜、

30、锰、铬）和氢氧根离子。这些杂质离子主要是在光纤传输的电磁场（光波）作用下振动，从而吸收部分光能，引起损耗。它们的影响可随杂质浓度降低而减小，直至消除。降低材料过渡金属离子较易（目前已可使其影响减至最小）。材料中振动吸收影响较大（尽管其含量较其他过渡金属离子低几个数量级）4.原子缺陷吸收损耗光纤制造过程中，光纤材料受某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷。此时晶格极易在光场作用下振动从而吸收光能，引起损耗；其峰值吸收波长约为630nm左右。原子缺陷吸收，可通过选用合适制造工艺、不同掺杂材料及含量使之减小到可忽略不计的程度。3.2.2散射损耗散射光线通过均匀透明介质时，从侧面难以

31、看到光线。若介质不均匀，如空气中漂浮的大量灰尘，我们便可从侧面清晰看到光束轨迹。这种由于介质中的不均匀性使光线朝四面八方散开的结果，这种现象称为散射。散射损耗以光能形式把能量辐射出光纤外；可分为线性、非线性散射损耗两类损耗。前者由光纤材料本身材料特性决定，称为本征吸收损耗。线性散射损耗光纤传播模式散射性的损耗。由于这类损耗引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，故称线性散射损耗。1. 瑞利散射-是一种最基本散射过程，属固有散射。光纤制造过程中产生的不均匀其尺寸比光波长小，当光照射在这些不均匀微粒上时，就会向各向散射。人们把这种粒子尺寸比波长小得多时产生的散射称为瑞利散射。瑞利散射引起的损耗与

32、成正比；这种损耗随波长增加而急剧减小；短波长光纤损耗主要决于瑞利散射。需强调，瑞利散射损耗也是本征损 耗；它与本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。2. 波导散射损耗-光纤结构不完善引起的散射损耗非线性散射损耗存在两种非线性散射：受激Raman散射、受激布里渊散射。（均与石英光纤振动激发态有关）。高功率传输时，这两种损耗较大。一旦入射光功率超过阈值，散射光强将呈指数增长。光纤结构上的缺陷尺寸远大于光波波长，引起与波长无关的散射损耗。3.2.3拉曼散射光传输的条件光纤的受激拉曼散射需同时满足色散效应和受激拉曼位相匹配这两个条件，才能形成稳定的传输。1、当光纤的传输波长在0.5-4.3的范围内

33、，色散公式如下所示： (3-2-6)式中A=1044902，B=0.04604，C=-0.000381，D=-0.002526，E=-0.00007722，L= ，的单位为。2、受激拉曼散射必须同时满足位相匹配条件，即，受激拉曼散射中斯托克斯散射波和反斯托克斯散射波的位相匹配角满足： (3-2-7) 式中为第一级的折射率 ，为两级之间的折射率之差。3.3 光纤拉曼增益系数的测量7光纤拉曼放大器具有带宽宽、噪声低、分布式和放大波段取决于抽运波长等独特优点, 将其与密集波分复用( DWDM) 技术相结合, 是满足光纤通信网络大容量和长距离传输要求的理想方案之一, 因而成为光纤通信领域的一个研究热点

34、。增益系数 对设计光纤拉曼放大器非常重要。测量拉曼增益系数的方法很多，较早的是Stolen等人通过测量熔融石英的自发拉曼散射截面积进而得到光纤的拉曼增益系数分布的，但是测量方法相对复杂。近年来，人们不断的研究出各种简单有效的测量方法：开关法、脉冲扫描法和单光测量等方法。开关法对泵浦光源要求低，而且可以同时测量多段光纤的拉曼增益系数，但是需要的器件较多，实验器件较多，实验装置相对复杂。脉冲扫描法测量简单，不需要直接测量斯托克斯光功率，但是该方法要测量自发拉曼散射差产生的很微弱的的斯托克斯光，由于噪声的影响，只得到了频移为4THz-16THz的拉曼光谱增益系数值。单光源测量方法只需要一个光源，而且

35、可以测量出频移大于40THz的掺磷光纤拉曼光增益系数。但是理论模型中参数多，计算复杂。在一定程度上限制了实验的可行性。所以 通常利用小信号增益法测量增益系数的分布。利用光纤的受激拉曼谱和自发辐射谱的解调来获得 ,并测量了G. 652 光纤的 。在连续波的情况下, 抽运光和斯托克斯光( Stocks) 光的相互作用符合下列耦合波方程: （3-3-1）式中, IS 为Stocks 光强; Ip 为抽运光强; 是拉曼增益系数; 和 分别为Stocks 光波长和抽运光波长处的光纤损耗系数。式( 2) 等号右边第1 项表示抽运光的损耗, 由于在光纤通信中信号光强总是远小于抽运光强, 因此可以忽略抽运损耗

36、。 （3-3-2）式中, ( 0) 是z = 0 处的信号光强; L eff 为光纤的有效作用长度, 且 （3-3-3）没有抽运光时,所以放大器的增益, （3-3-4）式中, P0 是抽运光的输入功率; Aeff 是光纤的有效面积。3.4拉曼光谱的数据处理3 在拉曼光谱测量中，即使测量所用样品已制备的尽可能好，对光谱仪进行了细致的调整，选择了合适的运转参数，但实际上测量的“原始光谱”除了包含有我们所期望的和确实存在的“真实光谱”外，往往会或多或少的“噪声谱”。因此，在获得实验拉曼光谱后，一般都要首先进行光谱的数据处理工作。3.4.1原始光谱的成分及其光谱特征 一般情况下，光谱主要由三个成分构成

37、：来自样品的谱、来自环境的干扰谱和光谱仪自身产生的“背景”谱。1、来自样品的光谱（1)真实光谱 这里所说的“真实光谱”是指来自样本的光谱。它是我们进行实验测量所希望得到的光谱，是用拉曼光谱进行鉴认表征和研究应用的基础数据。（2）非样本光谱杂质和缺陷光谱 对于目前的光谱测量，制作晶体硅等半导体材料的理想样本已证明是可以实现的，但是对于许多其他材料，特别是当今的纳米材料。例如，当今制备的许多纳米材料，就常常含有未反应完的原材料和中间产物。又如，生长样品所用的衬底也是一种“杂质”。此外，来自样品的生长过程中所出现的结构缺陷产生的谱也是一种非样本谱。样本变质的光谱 样品由于长期暴露在空气中或由于保管不

38、善等原因，会受到污染和变质。（3）非拉曼光谱原始拉曼光谱中常会出现来自包含样本的非拉曼散射谱。其中主要是光致发光谱。由于光致发光谱的强度一般大于拉曼光谱几个数量级，常常把拉曼谱掩盖。所以上述光谱有一个共同点，即它们的光谱特征与来源特征光谱的特征一样。2、来自环境的干扰谱（1）特殊实验条件引入的干扰谱 在高温、外电磁场、高压等特殊条件光谱实验时，常会引入干扰谱。以高温为例，如果温度很高，样品和加热炉的黑体辐射，会出现在所测拉曼光谱的频率范围内，从而出现一个具有黑体辐射谱特征的干扰谱。（2）来自非激发光源的干扰谱 实验室内的非激发光源通常是自然光和照明光。照明光的特征是，对于日光灯照明光源，他往往

39、在汞的特定波长546.07nm处出现干扰谱。此外，激光器输出的光来自非受激发射的光线也是重要的干扰源。3、来自光谱仪器自身的噪声谱（1）仪器自身固有噪声（2）仪器调节不当产生的噪声谱3.4.2噪声谱的消除与减少1 平滑法叠加在原始光谱上的起伏大多是随机性质谱。因此，可采用光谱平滑方法加以减少和消除。目前大都 可以用MATLAB等计算机软件完成，而且，几乎所有拉曼光谱仪上都附带有各种光谱的平滑及解谱结合进行，使平滑更加可信。但是光谱平滑处理不能解决原始光谱中非真实的光谱中非随机起伏的光谱的消除和减小问题，而这个问题的解决对拉曼光谱特别重要的，对于非随机起伏的噪声谱，一般就需要采用扣除法。2.折扣

40、法1）直接扣除法瑞利散射干扰谱。瑞利散射背景很强，常常掩盖了真实光谱。经过瑞利谱线扣除，强度很小的真实谱就暴露出来了。经对解谱所获得峰位强度、线宽的分析，确认了拉曼谱。2)解谱扣除法 有时候对样品的成分或者子谱的来源并不确切知道，这时候往往可以采用解谱扣除法获得样本的真实光谱。在解谱工作中，分解和拟合用的光谱线型的选择是十分关键的问题，必须根据对于子谱光谱的了解进行选择。通常遇到光谱线型大多是高斯或洛伦兹线型。3）加权扣除法 对于样品不同位置杂质相对含量不同产生不同的光谱，可以采用加权扣除法。它们的核心是对不同取样点的子谱的杂质峰按其含量多少进行加权扣除。这种方法除了可以有效的处理由于材料本身

41、的缺陷和杂质所产生的杂质谱外，来自样品垫底、容器的谱也可以用这种方法加以消除或减少。3.4.3光谱参数的获取 光谱参数是用光谱做表征和研究的基础。对于光谱实验，在获取光谱参数后，才能使实验获取的光谱可以加以应用。在大多数情况下，要在采取消除和减小杂质谱的措施获取真实光谱后，才能进行获取正确光谱参数工作。 目前，获取光谱参数的基本方法是，用计算机软件进行扣除干扰谱和拟合光谱的同时，从最佳拟合中取得相关的光谱参数。4 拉曼光谱的温度敏感特性本章主要是对拉曼光谱温度特性进行了详细的分析，分别从分布式光纤的测温原理，温度的标定，系统的性能指标；拉曼散射的测温原理，温度效应等多方面进行的分析。并指出了温

42、度的变化对各个方面的影响。4.1基于拉曼散射的测温原理15在前面示意图2.3中斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线的两侧，这是由于在上述两种情况下分别对应于得到或失去了一个振动量子的能量。反斯托克斯的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于Blotzmann分布，处于振动基态上的粒子远大于振动激发态上的粒子数。实际上，对于自发拉曼散射反射斯托克斯与斯托克斯线的强度比满足公式： （4-1-1）其中v是激发光的频率，vi是振动频率，h是planck常数，k是Blotzmann常数，T是绝对温度。一旦使用的激光源确定后，v变成了常数；光纤的材料决定了分子振动的频率vi，则反斯托克斯分量与斯托克斯分

43、量的强度之比便可以唯一确定温度T。如果能够得到拉曼散射的两个斯托克斯分量，通过适当的运算，就可以得到光纤所处的温度信息。这就是基于拉曼散射的测温原理。4.2 Raman散射型分布式光纤温度传感器系统的温度标定84.2.1温度标定问题 Raman散射光就是由斯托克斯和反斯托克斯这两种不同波长的光组成的，其波长的偏移由光纤组成元素的固定属性决定，因Raman散射光的强度与温度有关，其关系如下：Stokes 光 （4-2-1）Anti-stokes光 （4-2-2）式中：s，as分别为Stokes和Anti-Stokes光波长；h为普朗克常数；C为真空中的光速；是玻耳兹曼常量；为偏移波数 波数差44

44、0；T为绝对温度为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响，提高测温准确度，在系统设计中，采用双通道双波长比较的方法，即对Anti-Stokes光和Stokes光分别进行采集，利用两者强度的比值解调温度信号。由于Anti-Stokes光对温度更为灵敏，因此将Anti-Stokes光作为信号通道，Stokes光作为比较通道，则两者之间的强度比为： （4-2-3）即 （4-2-4）对定标温度（恒温槽标定温度）有 (4-2-5)由式（4-2-3）和式（4-2-4）可以得到 (4-2-6)可见，在测温系统标定之后，通过测定就可以确定沿光纤各测量点的温度值。温度是表征物体冷热程度的物理量。严

45、格的温度定义是建立在热平衡定律基础上的：即两物体相互处于热平衡时，存在一个数值相等的态函数，这个态函数称为温度。因此，温度定义是有一个参考点的。基于后向Raman散射测温系统是温度传感器的一种，它按照一定的规律实现Anti-Stokes、Stokes信号的检测。并按照式(4-2-3)将其强度比和被测区域温度建立关系。所谓系统温度标定问题，就是解决如何将系统测得的Anti-Stokes、Stokes光强度比转化为被测区域的温度信息。从温度定义出发，不难发现：如果有一个已知参考点温度，根据式(4-2-3)，有下式成立： （4-2-7）从式（4-2-3）、（4-2-7）出发，可以得到系统的温度标定公式