● 摘要
光纤中的受激拉曼散射(SRS)是光纤中重要的非线性效应之一，目前利用这种效应已开拓了很多应用领域，并研制了很多实用仪器，如光纤拉曼激光器、光纤拉曼放大器等。而在光纤传感领域，目前的分布式光纤温度传感系统中，普遍采用基于自发拉曼散射信号温敏特性的传感技术，但由于自发拉曼散射信号极其微弱，导致系统存在信噪比低，测量时间较长等问题。因此在工业锅炉或变压器绕组等一些温度变化速率快的场合，分布式光纤测温系统就体现出了其局限性。另一方面，光纤SRS效应在分布式光纤温度传感系统中的逐步运用提供了一种提高测温系统性能的新思路。本文在这种思路的引导下，探究光纤SRS的温度效应，并探讨其在分布式光纤温度传感领域的应用。本文的主要研究内容如下：(1) 介绍了光纤SRS的基础理论，分析了光纤SRS的产生机理，并分别从仿真和实验两方面研究了光纤SRS的各项基本特性。(2) 针对目前受激拉曼散射阈值定义的不一致性和阈值的难以测量性，提出基于Sokes拉曼散射光二次微分顶点的阈值定义方法，并理论详细推导了精确的阈值表达式，同时通过基于脉冲光源的实验系统对阈值定义和表达式进行了验证。研究结果表明，此种定义下的阈值不仅物理意义清晰，而且易于测量。并通过对阈值与脉冲光源参数的关系研究，给出了光源参数选择的优化方案。(3) 从实验和理论两方面研究了光纤SRS的温度特性，结果表明，温度对受激拉曼散射光光强、拉曼频移及SRS谱线宽均有显著影响，受激拉曼散射光也具有明显的温度效应。研究结果为探讨SRS在光纤温度传感领域的应用奠定了理论与实验基础。(4) 研究了基于光纤SRS的分布式温度传感系统的关键技术，包括温度的解调算法、系统有效传感距离确定和系统信噪比测定。对目前已有的温度解调算法进行了修正，采用基于比值解调的单路等效解调方案，有效地改善了原始方法造成的解调曲线弯曲。(5) 搭建了基于光纤SRS的分布式光纤温度传感系统，进行了温度传感实验，并对系统的性能进行了测试分析。同时对比了基于光纤SRS的温度传感技术与基于自发拉曼散射的温度传感技术的系统性能指标。结果表明，光纤SRS温度传感系统具有较优的系统性能，具有信噪比高、响应快和实时性强的特点。