分布式光纤传感系统的检测技术及硬件设计

论文摘要

随着现代智能传感网络的飞速发展,分布式光纤传感技术在长距离智能控制领域必然得到广泛的应用。检测系统作为分布式光纤传感器的关键部分之一,它与系统的测量精度、空间分辨率和测量时间等性能指标有直接相关,因此提高检测系统性能成为了推进分布式光纤传感技术进一步发展的关键。本文围绕分布式光纤传感器的检测系统,分别从温度及应变的区分和高速数据采集和信号处理系统板设计两个方面进行研究。首先,基于光纤中瑞利散射和受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）原理,分析了光纤中的后向瑞利散射光功率和SBS信号光功率与温度和应变的关系,介绍了一种用SBS和后向瑞利散射来同时解调温度和应变的分布式光纤传感方案,并对该方案进行了理论分析与讨论。其次,针对基于拉曼散射的分布式光纤传感器后向散射信号的特点,设计了高速数据采集和信号处理系统,阐述了DSP （Digital Signal Processor,数字信号处理器）+FPGA （Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列）的高速采集和信号处理系统设计思路及DSP、FPGA等各部分的硬件实现方法。最后,利用设计的硬件系统搭建了3 km的基于拉曼散射的分布式光纤传感系统,并进行了温度测量实验,对实验结果进行了分析。研究结果表明：第一,联合SBS和后向瑞利散射的分布式光纤传感方案可以比较准确的解调出待测场温度和应变值；温度解调精确度同时受到SBS信号光及后向瑞利散射信号光信噪比的双重影响,还受到应变大小和应变解调精度的影响；第二,DSP+FPGA方案兼具了这两种芯片的优点,具有较高的系统工作效率；该采集和处理系统能够稳定工作,为系统的软件设计提供了一个良好的硬件平台；第三,该实验在室温条件下,可实现温度精确度±3℃、空间分辨率50 m的温度测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作和结构安排
• 第2章 分布式光纤传感器理论基础
• 2.1 瑞利散射理论
• 2.1.1 光纤中的后向瑞利散射及其传感类型
• 2.1.2 后向瑞利散射光强度与温度和应变的关系
• 2.2 受激布里渊散射理论
• 2.2.1 光纤中的受激布里渊散射及其传感类型
• 2.2.2 受激布里渊散射的物理过程
• 2.3 布里渊散射强度与温度和应变的关系
• 2.3.1 布里渊散射强度与温度的关系
• 2.3.2 布里渊散射强度与应变的关系
• 第3章 联合SBS和后向瑞利散射同时解调温度和应变
• 3.1 联合SBS和后向瑞利散射的传感系统设计
• 3.2 受激布里渊散射强度与温度和应变交叉影响的关系
• 3.2.1 布里渊增益谱与温度和应变交叉影响的关系
• 3.2.2 受激布里渊散射强度与温度和应变交叉影响的关系
• 3.3 后向瑞利散射光强度与温度和应变交叉影响的关系
• 3.4 解调温度和应变
• 3.4.1 解调温度和应变
• 3.4.2 应变对温度精确度的影响
• 3.5 小结
• 第4章 数据采集和信号处理系统设计
• 4.1 数据采集和信号处理系统总体方案概述
• 4.2 数据采集和信号处理系统主要芯片选型
• 4.3 数据采集和信号处理系统硬件电路设计
• 4.3.1 系统电源
• 4.3.2 系统时钟
• 4.3.3 A/D转换
• 4.3.4 外部存储器
• 4.3.5 接口电路
• 4.4 小结
• 第5章 分布式光纤传感器实验结果及分析
• 5.1 基于自发拉曼散射的分布式光纤传感器测量方案
• 5.2 数据采集和信号处理卡硬件测试结果
• 5.3 实验温度结果及分析
• 5.3.1 拉曼散射曲线测试结果及分析
• 5.3.2 实验温度结果及分析
• 5.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文