X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Существование линий с измененными частотами в спектре рассеянного света впервые предсказал Адольф Смекал в 1923 году [4]. Экспериментальное подтверждение данного явления было начато с опытами по исследованию рассеяния света в конденсированных средах Г.С. Ландсберга и Л.И. Мандельштама в 1926 году в Москве. В результате этих опытов было установлено, что в спектре рассеянного света присутствует слабое излучение, частота которого сдвинута по отношению к частоте первичного, возбуждающего излучения. В то же время, в 1928 году, аналогичные опыты по изучению рассеяния света в жидкостях проводили индийские физики Ч. Раман и К. Кришман. В своей работе они пришли к выводу, что в жидкостях происходит рассеяние света сопровождающееся изменением частоты. В дальнейшем это явление получило название эффект Рамана [3].

Происхождение данного эффекта удобнее всего объяснить в рамках квантовой теории излучения. Предположим, что квант излучения с энергией взаимодействует с молекулой, находящейся в основном состоянии 1 или в произвольном возбужденном состоянии 2. Тогда энергия системы равна или [4].

Спектр рамановского рассеяния имеет две компоненты – стоксовскую и антистоксовскую. Стоксово рассеяние характеризуется поглощением кванта в состоянии 1 и излучением кванта с энергией с переходом в состояние 2. Антистоксово рассеяние – поглощением кванта в состоянии 2 и излучением кванта с энергией с переходом в состояние 1 (рисунок 1). Антистоксовы линии значительно слабее стоксовых, поскольку состояние 2 менее заселено, чем основное состояние 1. Стоксовская компонента зависит от температуры незначительно, в то время как антистоксовская компонента отличается сильной температурной зависимостью [2, 4].

Рисунок 1. Схема квантовых переходов при взаимодействии молекулы с квантом света и частотный спектр излучения

Измерение температуры распределенным волоконно-оптическим датчиком на основе температурной зависимости комбинационного рассеяния было предложено и впервые продемонстрировано в середине 1980-х годов [6]. Его принцип работы заключается в том, что опросное устройство испускает лазерный импульс длительностью 10 нс, который претерпевает обратное рассеивание в каждой точке оптоволоконного кабеля. Анализ спектра обратного рассеивания позволяет определить температуру каждой точки волоконно-оптического кабеля [2].

Рисунок 2. Принцип работы волоконно-оптического датчика

Определение температуры основано на температурной зависимости отношения интенсивностей стоксовой и антистоксовой компонент рассеянного излучения, и определяется по формуле:

где h – постоянная Планка, с – скорость света, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Иногда, регистрируется не интенсивность излучения в обычном понимании, а сравнительно небольшое количество фотонов, падающих на фотоприемник. Выполняется соотношение и , где и – число стоксовых и антистоксовых квантов в единицу времени. Отношение определяется по формуле [5]:

Рамановское обратное рассеяние регистрируется при помощи модифицированного метода OTDR (Optical Time Domain Reflectometry – оптическая временная рефлектометрия), в котором анализируется соотношение уровней стоксова и антистоксова излучения в обратном рассеянии, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Распределённый датчик измерения температуры, основанный на регистрации рамановского обратного рассеяния методом OTDR

Данный подход применим в случае, если длина волокна превышает 1 км, и обеспечивает разрешение по температуре ±1 С и пространственное разрешение от 3 до 10 м.

Основной недостаток этого метода заключается в том, что из-за низкого коэффициента рамановского рассеяния, примерно на три порядка более слабого по величине, чем рэлеевское, возникает необходимость использования входного сигнала большой мощности, что приводит к существенному удорожанию всей системы [6].

Другим способом регистрации рамановского рассеяния является метод OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry – рефлектометрия частотной области), который работает не во временном диапазоне, а в частотном.

Рисунок 4. Распределённый датчик измерения температуры, основанный на регистрации рамановского обратного рассеяния методом OFDR

При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье (преобразование Фурье). Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники [1].

Волоконно-оптические датчики температуры имеют достаточно широкую область применения: мониторинг пожарной безопасности на крупных объектах, контроль температуры при химических процессах, слежение термической активности на нефтяных и газовых скважинах, контроль за утечками в трубопроводе и т.д. Таким образом, распределенные волоконно-оптические датчики температуры позволяют вести непрерывный мониторинг термической активности на крупных или протяженных объектах, при относительно небольшой стоимости эксплуатации.

Список литературы:

NTK photonics. OFDR technology

Yokogawa Electric Corp. Распределённый датчик для контроля температуры в нефтяных и газовых скважинах на расстоянии до 6 км

Горелик В.С. Комбинационное рассеяние света // Соросовский образовательный журнал №6 1997 с. 92

Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. Пер. с польск. / Перевод В.Д. Новикова. Под ред. и с предисл. М.Ф. Бухенского. – М.: Мир, 1980. – с. 300-301

Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – с. 181-182

Э. Удд. Волоконно-оптические датчики / под ред. Э. Удда. – М.: Техносфера, 2008. – с. 238-239

Код для цитирования: Скопировать