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第 2 9卷, 第 5期光谱学与光谱分析 Vol 29, No 5, pp1300 1303
2 0 0 9 年 5 月 Spectroscopy and Spectral Analysis May, 2009
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光纤中拉曼散射回波超高灵敏度探测技术研究
张悦, 张记龙, 李晓, 王志斌, 王鹏
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中北大学教育部仪器科学与动态测试重点实验室,
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山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西太原 030051
摘要与布里渊散射不同, 石英光纤中斯托克斯拉曼散射与光纤所受应力无关, 只是绝对温度的函数, 而
且其拉曼频移为 1 395 × 1013 Hz, 比布里渊散射易于提取, 作为分布式光纤温度传感器的传感信号有一定的
优势, 但斯托克斯拉曼散射信号比布里渊弱, 其峰值功率在 APD 中产生的光电流在 nA级, 低于 APD 的噪
声电流, 经光电转换后信号的信噪比小于 1, 傅里叶变换以及小波变换都无法有效地处理这类信号。通过对
斯托克斯拉曼散射信号进行特征分析后, 采用累加与小波降噪的综合方法提取该信号, 实现在 APD噪声电
流以下的超灵敏度探测, 达到每度 0 104 nA的温度灵敏度,低于本系统所有 APD噪声电流 2 3 nA的 1个数
量级。
关键词拉曼散射; 光纤; 噪声电流; 小波变换
中图分类号: O433 1 文献标识码: A DO I: 10 3964 / j issn 1000 0593 (2009) 05 1300 04
声子, 产生频移, 其大小取决于 SiO2 的密度, 而 SiO2 的密度
引言同时与温度和所受应力有关, 因此单凭布里渊散射的大小难
以区分是由该处的温度引起还是应力引起[13, 14 ] ; 拉曼散射
[ 1, 2 ]
不同结构的物质具有不同的拉曼散射, 由于拉曼散也是光子与 SiO2 发生非弹性碰撞, 但其在碰撞过程中吸收/
射的强度与绝对温度有关[3, 4 ] , 沿光纤长度上纤芯中各点释放的是高能光声子, 使得入射光的频率发生频移, 而且频
[4, 5 ]
SiO2 曼散射强度也就与光纤纵向的温度分布情况有关, 移的大小是固定的, 完全取决于 SiO2 的结构, 对晶体态的
[6 9 ] 13
从而可以实现大纵深空间的温度分布情况。然而光纤中 SiO2最强拉曼散射的频移为 1 395 × 10 Hz, 由于熔融 SiO2
的拉曼回波信号非常微弱, 峰值通常在 nW 以下, 其注入雪分子结构复杂, 拉曼频移略有不同; 强度与发生碰撞 SiO2 分
崩二极管产生的光电流通常低于该管子的暗电流, 并且由于子数及温度有关。释放光声子, 入射光的频率降低, 称为斯
受带宽的限制, 转阻放大器的反馈电阻一般被限制在 10 kΩ托克斯散射, 吸收光声子, 频率增加, 称为反斯托克斯散射,
以下[10 ] , 光电转换后的信噪比通常小于 1, 为提高系统信噪二者的强度表达式为
[ 11 ]
比, 通常采用多次累加平均的方法, 以提高信噪比的效果 Ps = P0 exp [ - (α0 +αs )