利用光纤光谱响应

希尔维兰德^一个和安东尼·n·戴维斯^b

^一个AP传感有限公司，Herrenberger Straße 130, 71034 Böblingen，德国
^b英国南威尔士大学计算、工程与科学学院可持续环境研究中心

DOI:https://doi.org/10.1255/sew.2022.a21
©2022作者
在创作共用BY-NC-ND许可下发布

关于前同事的行踪和活动，社交媒体是一个有趣的信息来源。在我们各走各的路之前，我被告知Wieland Hill的角色发生了变化，他是拉曼光谱学家，也是我们在多特蒙德的分子光谱方法研究团队的一员。我祝贺Wieland担任了系统架构师的新角色，并期待看到他的第一座新建筑!维兰德回应说，他正在研究新颖的拉曼系统建筑设计，而不是公寓楼或花哨的博物馆。这项工作似乎是对光纤电缆光谱数据处理的一个非常有趣的应用。看看他的论文，这当然是我们在过去的专栏中没有涉及到的，因此，适合这一期!

利用来自光纤的光谱信号进行分布式传感

读了维兰德在这一领域的一些论文后，很有趣地发现，维兰德和他的同事们在他们的工作中所利用的东西，在使用光纤的“传统”光谱学中，会被视为来自光纤本身的令人讨厌的令人不安的人工制品!半岛综合体育官方APP下载德甲当我们发现自己目前处于一个意想不到的不稳定世界时，利用这些信号可以，例如，提供更好的边境安全。在那些边境线很长的地方，尤其是在偏远地区，不适合经常有人巡逻或监视的地方，情况尤其如此。¹

那么，这些光纤的哪些特性可以被利用呢?好吧，让我们回到一些基本的激光散射，通过观察光纤。分布式光纤传感系统的基本原理是沿光纤发送激光脉冲并分析其反向散射辐射。

瑞利散射

光的瑞利弹性散射是由光所经过的介质的偏振性(波长不变)引起的。²散射量与波长的四次方成反比(试着用这个解释给你的孩子解释为什么天空是蓝色的!^3.)。通常在光纤中不受欢迎，因为它会引起通过光纤的激光强度的衰减。

布里渊散射

一种导致散射光的波长发生很小变化的非弹性散射过程。布里渊散射是通过入射光子与周期性振动(声子)的相互作用产生的，例如，光穿过的矩阵。可以是由入射激光束本身或与反向传播光(自发或受激布里渊散射)相互作用引起的线性或非线性效应。⁴

喇曼散射

可能是光谱学中应用最广泛的光散射效应。半岛综合体育官方APP下载德甲⁵布里渊散射是由激光光子电磁场与介质中声子的相互作用驱动的，而拉曼散射则需要电磁波与介质中光学声子或分子结构振动的相互作用。拉曼散射比瑞利散射弱几个数量级。

这三种效应产生的散射光，要么与入射激光(瑞利)的频率相同，要么与入射辐射的拉曼散射频率变化最大。图1显示了不同散射现象相对于原始入射激光光子的频率(严重没有按比例缩放)。图1中的不同颜色表示由于物理效应而观察到的稳态信号的变化，这将在下一节中解释。

图1所示。非弹性散射辐射的瑞利、拉曼和布里渊散射相对于激光频率的相对频率。蓝线和黄线表示在光纤传感器中使用时各自散射光的变化。©2012 AP Sensing

远程监控物理性质

通过正确设计的设备，可以测量产生散射辐射的三种不同现象。每种现象都容易受到光纤物理参数/环境变化的影响。现在，图1显示了Stokes和Anti-Stokes散射频率，表明在散射过程中能量被介质损失或从中获得。三种散射过程均受系统温度变化的影响，其中两种散射过程对应变也很敏感。

拉曼散射作为斯托克斯和反斯托克斯拉曼信号的相对强度，适合于分布式温度传感。它们与引起散射的分子的基态和第一激发态的居群成正比。由于这些种群差异在环境温度下相当大，因此能够通过斯托克斯和反斯托克斯拉曼信号相对强度的相应变化来监测非环境温度的变化。

布里渊散射也容易受到温度的影响，但也会受到系统应变的影响，导致散射光的强度和频率发生变化。在计量信号中有两个潜在的变化源是一个复杂的问题，需要解决，以确定哪种影响，在多大的比例，负责观察到的强度变化。

瑞利散射不改变频率，但散射光子的强度和相位发生了变化，这是由温度和动态应变引起的。到目前为止，我相信您已经开始意识到为什么在这个领域设计健壮和新颖系统的公司需要像Wieland这样的系统架构师!除了在生产复杂的光谱仪来测量各自的信号时遇到一些困难的挑战外，这些物理参数在长距离分布式传感中有什么用?

分布式光纤传感的应用

光纤长度的微小变化会引起多个瑞利散射中心产生的干涉图样的变化。在光纤电缆附近发生的任何声事件都可以被电缆“听到”，并且可以通过瑞利干涉模式的变化来测量。你可以想象一下，你可以通过脚在地面上的撞击来探测到有人沿着你的安全围栏走，或者通过铲子在地面上的撞击来探测到有人试图在你的安全墙下挖隧道。

通过适当的信号处理来过滤掉假警报，这是一个出色的分布式警报系统。使用通信级光纤，可以监测距离光谱仪位置数公里远的地方。因此，不仅提供警告，还提供正在发生的事件的位置。如果我们举一个例子，在这个破纪录的欧洲干旱和缺水的一年里，这个例子经常出现在新闻中。bdapp官方下载安卓版分布式光纤传感系统可以很容易地警告和定位供水管道的裂缝。不仅节省了寻找漏洞的成本，而且在大量资源丢失之前能够更快地做出反应，并最大限度地减少对漏洞周围环境的破坏。

布里渊散射已被用于大型基础设施项目的分布式应变传感，在这些项目中，长期的环境变化(例如管道周围的地面移动)可能对部署的基础设施投资构成严重问题。⁶当与拉曼放大器和远程泵浦光放大器结合使用时，布里渊散射也被证明能够实现数百公里长的最长光纤电缆的部署。⁷达到距离范围、空间和温度分辨率的理论极限是设计先进分布式传感系统的主要挑战。当信号在它的短噪声中消失时，你不能仅仅增加另一个放大器，所以你需要仔细考虑正确的架构。

拉曼散射可以对数十公里的基础设施，如配电电缆、公路隧道或化工厂内部，提供可靠的温度监测。在电力电缆中，检测光纤电缆实际上可以集成到电缆屏幕本身，使部署变得简单得多。

结论

我很高兴地看到，社交媒体不仅可以用来组织大学生聚会和促进学生之间的欺凌行为，而且还让我看到了维兰的新任命。这导致我读了一些关于光谱学和光谱数据处理领域的有趣文章，而我对此几乎一无所知。半岛综合体育官方APP下载德甲有关进一步的阅读和详细说明更多应用程序的大表格，请参阅参考资料8。

参考文献

1. W. Hill, J.J. Williams和G. Lees，“智能光纤传感系统增强物理边界墙和栅栏”，激光聚焦世界7月,23日(2019年)。https://www.laserfocusworld.com/fiber-optics/article/14036796/smart-fiberoptic-sensing-systems-enhance-physical-border-walls-and-fences
2. 瑞利勋爵，“X。关于光的电磁理论，伦敦，爱丁堡和都柏林哲学杂志和科学杂志12 (73),81 - 101(1881)。https://doi.org/10.1080/14786448108627074
3. 瑞利勋爵，"第34章。关于光通过含有悬浮小颗粒的大气的传输，以及关于天空的蓝色的起源，伦敦，爱丁堡和都柏林哲学杂志和科学杂志47 (287),375 - 384(1899)。https://doi.org/10.1080/14786449908621276
4. L. Brillouin，“光的扩散和光线的扩散与透明均匀度”，安。理论物理。9 (17),88 - 122(1922)。https://doi.org/10.1051/anphys/192209170088
5. C.V.拉曼，"一种新的辐射"印度J.物理学。2，387 - 398(1928)。高密度脂蛋白:10821/377
6. 智慧化措施,利用光纤技术进行结构监测。学术出版社，美国圣地亚哥，第7章(2001)。ISBN: 978-0-12-487430-5
7. 私人通信，Wieland Hill, 2022年8月(接受出版)。
8. “光纤传感协会(FOSA)讨论了分布式光纤传感技术如何提高管道运营的安全性和效率”，世界管道10月,20 - 24(2021)。