利用瑞利散射光譜移動(dòng)的OFDR低溫測量

1、利用瑞利散射光譜移動(dòng)的OFDR低溫測量摘要提出了一種在低溫環(huán)境中溫度變化測量的實(shí)現(xiàn)方法（例如。在76K）利用瑞利散射光譜（RBS）班在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的光學(xué)頻域反射測量。通過分析對纖維的有效傳感部分大小的關(guān)系（或遙感空間分辨率），最小可測溫度變化，RBS轉(zhuǎn)變的溫度響應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境中的最小可測量的溫度變化，可以提高通過增加有效的傳感段大小。我們的實(shí)驗(yàn)表明，在一個(gè)相對較高的溫度（例如，超過195度），最小的可測量的溫度變化是0.21K與有效的感測段的大小為8厘米。當(dāng)溫度很低（例如，在76度），最低限度的可測量的溫度變化仍然可以保持0.34的，通過簡單地增加有效的傳感段的纖維尺寸為48厘米。關(guān)

2、鍵詞一一溫度測量、光纖、低溫、光散射、頻域分析、反射。一、介紹低溫測量在能源工業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療技術(shù)、航空航天、航空航天等領(lǐng)域中的研究越來越重要。由于許多光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，如固有的電絕緣、抗電磁干擾、靈敏度和準(zhǔn)確度高，結(jié)構(gòu)緊湊，和較寬的帶寬和復(fù)雜多路復(fù)用功能，它正在成為一個(gè)有吸引力的手段，在惡劣環(huán)境下的溫度分布的測量。有光纖傳感器可用于提取溫度分布信息的幾種類型，包括拉曼光時(shí)域反射儀（OTDR）、布里淵OTDR，著名的布拉格光纖光柵（FBG）。在拉曼光時(shí)域反射儀和布里淵光時(shí)域反射法、傳感介質(zhì)的光纖可以實(shí)現(xiàn)真正的分布式測量，即每點(diǎn)纖維能感覺到。然而，拉曼光時(shí)域反射儀和布里淵光低溫測量的一些結(jié)果已

3、經(jīng)報(bào)道。此外，它們的感測空間分辨率，為幾米，是不足夠的某些應(yīng)用程序（如航空航天應(yīng)用），需要一個(gè)更好的感知空間分辨率的罰款。光纖光柵已經(jīng)擴(kuò)展到低溫溫度測量中的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度溫度卻沒有分布的測量，其實(shí)，他們只是在光纖光柵上的傳感，而不是每一點(diǎn)在纖維上。光纖光柵的光柵，經(jīng)?？梢栽趩胃饫w上復(fù)用數(shù)量有限。在更壞的情況下，作為他低和光纖光柵的非線性響應(yīng)在低溫環(huán)境，在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)很小的溫度變化的測量，光柵需要打包的特殊基質(zhì)，黏附性和敏感性增強(qiáng)的過程，它是復(fù)雜的，昂貴的和難以讓他們穩(wěn)定。瑞利后向散射的譜移可以用來實(shí)現(xiàn)短距離（數(shù)十米）的分布式應(yīng)變或溫度測量，具有高靈敏度和高空間分辨率基于光頻域反射（O

4、FDR）。瑞利后向散射是由隨機(jī)折射率波動(dòng)沿光纖，它可以被建模為一個(gè)長期的，弱的光纖光柵隨機(jī)周期。溫度或應(yīng)變的變化將引起局部瑞利散射譜（RBS）的轉(zhuǎn)變，這可以通過測量RBS和公民之間的互相關(guān)計(jì)算CERBS。在M.E.Froggatt等人的文章，有遙感空間分辨率和最小可測值之間的權(quán)衡（溫度或應(yīng)變）和他們的產(chǎn)品是一個(gè)不斷在RBS我方法。此外，克拉克D博伊德等。用RBS移位的方法實(shí)現(xiàn)分布式溫度測量監(jiān)測低溫超導(dǎo)消磁電纜。相比隨著光纖光柵傳感，RBS是真正的分布式測量，可以在低成本的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF）的實(shí)現(xiàn)。從克拉克D.博伊德等人，溫度RBS轉(zhuǎn)移再響應(yīng)還是成為了隨著溫度的降低，它仍然是難以在低溫環(huán)境中

5、實(shí)現(xiàn)微小的溫度變化的測量。在他們的論文中，他們不要給一個(gè)值的最小可測溫度的變化，但從他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在低溫環(huán)境下的溫度變化的測量是10K以上。在這篇論文中，我們提出了一種實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境中微小的溫度變化的測量方法（如在76K）使用RBS移在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的光。對RBS轉(zhuǎn)變溫度響應(yīng)相關(guān)。因此,在傳統(tǒng)的光法，是RBS轉(zhuǎn)變溫度響應(yīng)將在低溫環(huán)境下是非常低的，它是測量錫很難溫度變化。使用這種此消彼長的關(guān)系，當(dāng)RBS轉(zhuǎn)變溫度響應(yīng)低在低溫環(huán)境下，通過增加有效測量段的大小，我們的系統(tǒng)的視頻率分辨率提高檢測較小的移位和RBS得到較小的測量溫度的變化。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們校準(zhǔn)范圍在RBS的轉(zhuǎn)變75.98k到242.07

6、k和172個(gè)溫度點(diǎn)，得到RBS移細(xì)溫度響應(yīng)。更重要的是，我們發(fā)現(xiàn)，在較高的溫度下（如上述，我們的系統(tǒng)的最小195K）測量的溫度變化是0.21k有效感知段大小8cm。當(dāng)溫度很低（例如在76K），RBS的轉(zhuǎn)變溫度的響應(yīng)變得非常低，最小可測溫度變化時(shí)仍能保持通過簡單地增加有效森西0.34k段大小的纖維48CM。二、測量原理瑞利后向散射源于沿光纖的指數(shù)分布的隨機(jī)波動(dòng)，它可以被建模為長、弱光柵的隨機(jī)周期。溫度變化引起的局部瑞利散射的變化，這反過來又導(dǎo)致一個(gè)轉(zhuǎn)變的局部反射瑞利散射光譜（RBS）。我們可以通過互相關(guān)的互相關(guān)來檢測局部譜移實(shí)現(xiàn)溫度測量。獲得當(dāng)?shù)氐腞BS譜移如圖1所示的流程圖。StutterAi

7、iqv.Meftsihreiineikt&圖1局部瑞利后向散射的譜移原理在我們的系統(tǒng)中的信號處理程序如下：（1）OFDR系統(tǒng)運(yùn)行兩次獲得光頻域信息。一個(gè)獲得一個(gè)參考信號，另一個(gè)獲取一個(gè)測量信號。顯然，這兩個(gè)信號是上校反映在不同的溫度。（2）將打信號的FFT從光學(xué)頻域空間域之間的參考信號的測量（3）使用一個(gè)滑動(dòng)窗口寬度厶X樣纖維總選擇當(dāng)?shù)氐娜鹄⑸?。X是本地段的長度，即有效測量段的大小在這種方法的系統(tǒng)，X可以表示為X=NAZ,（l）當(dāng)Z二c/2nAv（2）N在段和Z數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量是系統(tǒng)的空間分辨率，n是光纖的折射率，和v是光的頻率調(diào)諧范圍的TLS。（4）將每個(gè)局部瑞利散射段AX,通過逆FFT,回到

8、光頻域，即當(dāng)?shù)氐娜鹄⑸渥V（RBS）。（5）執(zhí)行本地參考相關(guān)和測量的RBS，在互相關(guān)曲線或相關(guān)峰的位置的最大偏移LO的光譜漂移卡爾RBS，反映溫度變化。交叉相關(guān)峰的負(fù)向和正移反應(yīng)溫度的升高和降低。由于瑞利散射的折射率的隨機(jī)波動(dòng)引起的沿纖維可以被建模為一個(gè)長的和弱的FBG與隨機(jī)變化的時(shí)期，RBS移6入或6V引起的溫度溫度的變化，T，可以表示為：5A/A=5v/v=（a+）T,（3）在入或v是入射光的波長或頻率，a和g是熱膨脹系數(shù)與纖維材料的熱光系數(shù)。根據(jù)式（3），RBS的移物的溫度響應(yīng)比RBS漂移和溫度變化?；谑剑?），既可以計(jì)算和表達(dá)：RES=6v/=-（a+）v，（4）從式（4），既取決于

9、熱膨脹系數(shù)a和纖維材料的熱光系數(shù)g。因此，既具有內(nèi)在的特征，也是光纖的特性。熔融石英a變化很小l從低溫到室溫（76K）。因此，研究是由g熱光系數(shù)的主要影響因素。因?yàn)間逐漸隨著溫度的下降，分辨率降低低溫下的非線性。隨著溫度的變化厶T是通過檢測6vRBS移測量，最小可測溫度變化或溫度測量靈敏度Tmin是取決于最小可測量的選擇在系統(tǒng)6v分鐘基于式系統(tǒng)或光的頻率分辨率和頻率的變化（4），Tmin可以表示為：Tmin=Cvmin/RES（5）低溫環(huán)境下的物性值降低。在光纖光柵，如果我們還想獲得良好的Tmin，我們需要增加物的價(jià)值的敏感性增強(qiáng)的過程或變小6vminB在光纖光柵解調(diào)器Y更強(qiáng)大。然而，這些方法

10、是復(fù)雜的，昂貴的和困難的，使它們穩(wěn)定。在我們的方法，很容易在低溫中獲得良好的厶Tmin沒有任何復(fù)雜的工藝過程。作為6vmin=v/N,方程（5）也可以表示為：Tmin=v/（NRES）（6）從式（6），我們可以通過增加和保持Av沒有改變或維持無變化的方程得到較小的厶Tmin，即增加當(dāng)?shù)豏BSAX有一個(gè)合理的點(diǎn)長度只增加根據(jù)N和維護(hù)厶X沒有變化可以得到較小的Tmin。從式（1）和式（2），如果我們保持X沒有變化和提高，我們必須減少厶Z和增加Av，導(dǎo)致Tmin沒有變化基于式（6）。首先，我們必須提高厶X獲得較小的Tmin時(shí)既不改變。替代式（1）和式（2）到（6）,可以得到更清晰的表達(dá)厶Tmin，T

11、min=c/（2nRESX）（7）方程（7）明確地給出了關(guān)系X和厶Tmin。首先，X和厶Tmin的產(chǎn)品相關(guān)的資源都是有限的資源，當(dāng)S是在低溫溫度降低X和厶Tmin最終不能保持良好的價(jià)值。其次，基于X和厶Tmin之間的權(quán)衡關(guān)系，我們?nèi)匀槐３至己玫腡min只增加AX。本質(zhì)上，通過增加AX,我們獲得更多的信息，得到較小的6vRBS即可獲得較小的厶Tmin。“訂壓忙SMFliquidnitrenpLatitiuitisisEfiikcMwnilwripperglicdoCfamputtr圖2溫度測量的實(shí)驗(yàn)裝置ooo*2000dOOO01000SpeclralShifl(GHz)2008fio.nno)

12、pn三dLUAM的QA=ScnippttrlShift(GHzJr-2.5GHIL-20M-10000WOO2000SpectralShift(GHzi圖3基于RBS移溫度變化測量表一在75K-76上的三個(gè)重復(fù)的測量A7KNAY(cm)和(GHz)0.35(76.066.51)118004720,212(1point)037(76.59-76.96)1130045r20r22l(lpoint)034(75.98-76.32)12000480r208(1point)三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論我們的低溫溫度測量OFDR實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示?？烧{(diào)諧激光源（TLS,安捷倫8164b）作為系統(tǒng)的光源。調(diào)諧速度，調(diào)

13、諧安格V，啟動(dòng)TLS波長是5X103GHZ/s(40nm/s),2.5X103GHZ(20nm)，和1530nm，分別。從激光的光分成兩路用1:99耦合器。1%燈發(fā)送到輔助干涉儀(邁克爾遜干涉儀)兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和300M延遲光纖。輔助干涉儀提供了一個(gè)外部時(shí)鐘觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采樣的干擾信號在等距瞬態(tài)光學(xué)頻率減少點(diǎn)E非線性頻率的TLS調(diào)諧。99%光被發(fā)送到主干涉儀(一個(gè)馬赫-森德干涉儀)。主要的干涉儀測量臂是由49m的SMF。約2米的測量臂繞成松散的圈直徑為10cm,堅(jiān)持用聚酰亞胺膠帶銅片導(dǎo)熱硅膠，包裝可以避免前TRA應(yīng)變和保持良好的導(dǎo)熱銅片和SMF之間為好。銅表是用來幫助2M光纖段迅速達(dá)到熱平衡

14、。鉑電阻NCE保稅銅表實(shí)時(shí)測量溫度，精度為0.01K。液氮進(jìn)行低溫環(huán)境。首先，2m段纖維深深浸入在一個(gè)室內(nèi)的液態(tài)氮和等待溫度穩(wěn)定在約75.98k穩(wěn)步。然后，它被帶出從室內(nèi)到鋼筆空氣。SMF在銅片增加到室溫的溫度。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們只測量溫度從75.98k到242.07k升溫時(shí)間約為19min28s。利用沿2M光纖RBS互相關(guān)溫度測量結(jié)果如圖3所示。當(dāng)沒有溫度變化時(shí)，參考和測量信號，交叉一相關(guān)峰值在0點(diǎn)，即RBS移0點(diǎn)，如圖3所示。當(dāng)溫度變化從203.64k到203.85k(T=0.21k)，相關(guān)峰負(fù)移2點(diǎn)美國一點(diǎn)RBS移是基于6vmin=AV/N1.25GHz，(Av=2.5X103GHZ，

15、n=2000)，當(dāng)?shù)劂y行負(fù)移2.5GHz，如圖3(b)。光譜位移(絕對值)與溫度變化的溫度，即從75.98k到242.07kRBS172溫度變化的測量，圖4所示(一)。校準(zhǔn)曲線可以很好地?cái)M合一五階多項(xiàng)式(R2=0.9999)。曲線有很好的線性，當(dāng)溫度超過194.57k，如圖4(b)。紅色實(shí)線是線性擬合從194.57k到242.07k實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而，RES和厶T之間的關(guān)系是非線性的194.57k以下。圖4(a)驗(yàn)證，既減少，不在低溫下符合方程非線性4)和其它文獻(xiàn)的結(jié)果。當(dāng)溫度高于194.57k，RES高，ATmin的0.21k可與x8cm達(dá)到(n二2000,Az=0.004cm)如圖3(b)。然

16、而，當(dāng)與降低透射電鏡溫度、Ax必須提高以實(shí)現(xiàn)基于式好ATmin(7)。作為AZ是一個(gè)常數(shù)，我們需要增加N來獲得更大的AX的地方銀行當(dāng)溫度C的相關(guān)結(jié)果從75.98k到76.32k變化,ATmin=0.34k如圖5所示。從圖5(a)，相關(guān)峰不移當(dāng)Ax8cm(n=2000)。圖5(b)顯示結(jié)果為Ax=46cm(n=11500)，互相關(guān)峰仍在0點(diǎn)，但在T點(diǎn)。然后我們繼續(xù)增加Ax=48CM(n=12000)，結(jié)果顯示在圖5(c)。在1點(diǎn)的值高于該值在0點(diǎn)，我們認(rèn)為相關(guān)峰是在-1點(diǎn)。的6vmin0.208ghz當(dāng)n=12000，所以本地RBS負(fù)移0.208ghz譜。為提高在N12000的6v分鐘是足夠小的

17、區(qū)分Tmin=0.34k引起的光譜漂移。如果我們繼續(xù)增加Xn遞增，在T點(diǎn)的值會更高，在0點(diǎn)和價(jià)值將在圖5(c)，較低的互相關(guān)峰將更清晰如圖3(b)。然而，X將更加惡化。我們想得到的最小X或使相關(guān)峰移，所以我們只找到價(jià)值厶，使價(jià)值在T點(diǎn)剛剛超過0點(diǎn)互相關(guān)曲線。此外，三重復(fù)測量在75K76K有表一所示，當(dāng)?shù)氐腞BS譜移到約0.221ghz0.208GHZ當(dāng)n為最小只是使互相關(guān)峰移。盂Temperature(K)星400一10。薇珀0350-冒300-y=-2.070ae-ixt-25017200150-100妙Qjnn0204060SO100120140160ISOTemperatureVariationAT(K)linearpart4.57I-&7253b4j3+0.051-0.422(999925D(甘ExperimentalDatq-polyrtomialfil501Temperature(K)19020Q210220230240-ooooO0505043322012013014Q150160170TemperatureVariationaT(K)圖4譜移隨溫度