[发明专利]基于局域拉曼增强的分布式光纤拉曼温度传感器

说明书

本发明涉及用于高精度温度测量的基于局域拉曼增强的分布式光纤拉曼温度传感器，属于光纤传感领域。其特征包括一段金属纳米颗粒掺杂光纤，激光光源，光纤双向耦合器，光波分复用器，雪崩二极管，放大器，信号处理器，PC主机组成的测温信号解调系统。当激光光源向光纤注入光脉冲后，会产生部分与温度密切相关的拉曼散射光，拉曼散射光与金属纳米颗粒反应后，拉曼信号得到增强，由光时域反射技术进行定位，可以获得待测点更精确的温度和位置信息。针对目前传统的测温传感器存在的测温精度不高和测温传感点有限，本发明提出了一种精确，安全，实用的分布式光纤拉曼温度传感器。

本研究得到国家重点研发计划No.2017YFC0805905资助。

技术领域

本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种基于局域拉曼增强的分布式光纤拉曼温度传感器。

背景技术

光纤传感技术是伴随着光纤技术和光通信技术，迅猛发展起来的一种新型传感技术。以光为载体、光纤为媒质，感知和传输外界信号的技术光纤传感器从本质上看是一种器件，在外界物理量、化学量、生物量或是其他类似因素的影响下，光纤波导的特性会发生变化。光纤传感器主要由光源、传输光纤及光检测等部分组成。基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测量与光相互作用，使光纤中光的性质如光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号，再经光纤送入光探测器，把光信号转换成电信号，从而获得被测量的信息。光纤能够以灵活紧凑的形式传输光，使得在线分析、实时分析、现场监测、多点测量等成为可能。光纤传感器拥有诸多优秀的性能，例如抗电磁干扰，体积小，耐腐蚀，电绝缘，灵敏度高，重量轻，成本低等，被广泛地应用于不同的领域。同时，光纤传感器也可以被应用于许多极限地场合，如建筑物的裂缝，高温区，辐射区等人无法进入的区域。

分布式光纤拉曼温度传感器是一种实时的、在线的光纤温度测量系统，传感系统中的每一个传感点就是光纤本身，具有本质安全性，是近几十年发展起来的一种用于实时测量空间温度场的高新技术。该类传感器利用光纤中的自发拉曼散射的温度效应。当光脉冲注入传感光纤时，激光与光纤分子相互作用，光纤内会同时产生三种不同的散射：拉曼散射，布里渊散射，和瑞利散射。利用自发拉曼散射效应产生的反斯托克斯光和斯托克斯光的强度的比值与温度呈线性关系可以实现测温。同时，利用光时域反射技术实现对待测点位置的确定。

拉曼散射是1928年Raman首先在液体中发现的。在散射光中，拉曼散射信号的强度非常微弱，通常只有入射光强度的10^-6-10^-9倍。因此，为了提高自发拉曼散射小号的强度，需要提高泵浦光的入射光功率。原则上只要不产生非线性效应，入纤功率越大越好。但是入射光功率的大小受到光纤受激拉曼散射阈值的限制，导致最终产生的自发拉曼散射光强度仍然很弱，这大大限制了传感系统的测量距离以及精度。同时，为了提高传感器的空间分辨率，需要进一步压缩泵浦激光器的脉宽，然而在压缩脉冲脉宽的同时就减少了泵浦激光强度，进一步限制了自发拉曼散射强度，降低了系统的信噪比，也因此降低了系统的温度分辨率。

为了提高分布式光纤拉曼温度传感器的温度测量精度，进一步提高空间分辨率，研究人员提出了单工循环脉冲编码技术、小波变换技术、光路自校正以及采用大模场光纤等方法，然而空间分辨率和温度测量精度提高有限，仍然无法满足某些应用要求。

表面增强拉曼散射(SERS)是一种特殊的拉曼散射现象。对于吸附在某些粗糙金属(如金、银、铜、某些碱性金属)表面的分子，用激光对其进行照射，能够得到放大或者增强了的拉曼散射信号。其基本原理是对于金属纳米粒子，当光场与它相互作用时，它的介电常数会随着入射光频率(或者波长)变化而发生改变。当入射光的频率与金属纳米粒子的振动频率相同时，就会产生共振现象，使得金属周围某个区域的电场得到显著增强。我们把这种现象称为SERS效应。目前，这种SERS效应主要应用于基于拉曼散射的光谱分析。