基于拉曼散射分布式光纤测温系统的研究与设计

论文摘要

分布式光纤温度传感技术于20世纪70年代末被提出,目前这项技术已成为光纤传感器技术中最具前途的技术之一。本文在对各种分布式温度传感器进行比较分析的基础上,确定了所采用的基于拉曼散射的分布式光纤温度传感方案。此方案的基本原理主要是后向拉曼散射的温度效应和OTDR空间定位技术。在此基础上构建了利用斯托克斯光解调反斯托克斯光的分布式光纤温度传感系统。分析了系统的主要技术指标和各项关键技术,重点研究了光电检测组件(雪崩二极管APD)的噪声和增益特性,使用了一种采用集成电路芯片ADL5317的APD偏置电路。最后,根据系统设计框图,对系统的光电部分器件进行了详细的分析与选择,并进行了相关实验的尝试性设计。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 本课题国内外研究动态
• 1.3 本课题在电力系统中的应用
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第二章 分布式光纤温度传感器的理论基础
• 2.1 后向散射分布式光纤温度传感系统的分类及方案确定
• 2.1.1 基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术
• 2.1.2 基于后向布里渊散射的分布式光纤传感技术
• 2.1.3 基于后向拉曼散射的分布式光纤传感技术
• 2.1.4 方案确定
• 2.2 光时域反射（OTDR）原理
• 2.3 拉曼散射原理
• 2.3.1 光纤中拉曼散射原理
• 2.3.2 自发拉曼散射的温度效应及其解调方法
• 2.3.3 受激拉曼散射（SRS）
• 2.3.4 光纤中拉曼阈值
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于拉曼散射分布式光纤测温系统的分析与设计
• 3.1 系统的组成结构及测量机理
• 3.1.1 系统的组成结构
• 3.1.2 系统的测量机理
• 3.2 系统的主要技术指标
• 3.2.1 温度分辨率的确定性分析
• 3.2.2 空间分辨率的确定性分析
• 3.2.3 系统响应时间的确定性分析
• 3.3 系统的性能分析
• 3.3.1 系统信噪比分析
• 3.3.2 系统工作稳定性分析及提高稳定性措施
• 3.3.2.1 影响系统工作稳定性的因素
• 3.3.2.2 提高系统稳定性措施
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的关键技术研究
• 4.1 系统工作波长的选择
• 4.1.1 系统工作波长与待检光功率的关系
• 4.1.2 系统工作波长与温度灵敏度的关系
• 4.1.3 系统工作波长与工作稳定性的关系
• 4.1.4 系统工作波长的合理选择
• 4.2 定标区的位置选择
• 4.3 系统待检光功率的估算
• 4.4 光电检测器件的选择与特性分析
• 4.4.1 光电检测器件的选择
• 4.4.1.1 光电倍增管PMT
• 4.4.1.2 光电二极管PIN
• 4.4.1.3 雪崩二极管APD
• 4.3.1.4 光电检测器件的总体对比选择
• 4.4.2 光电检测器件APD 的特性分析
• 4.4.2.1 APD 工作机理
• 4.4.2.2 APD 的主要性能指标
• 4.3.2.3 APD 的噪声、信噪比和最佳雪崩增益的分析
• 4.4.2.4 APD 的偏置电路
• 4.5 放大电路的分析与设计
• 4.5.1 前置放大器
• 4.5.2 主放大器
• 4.5.3 完整的光电检测电路
• 4.6 系统的数据采集与处理
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的设计实现
• 5.1 系统实验器件的选择
• 5.1.1 脉冲激光器与波分复用器
• 5.1.2 传感光纤
• 5.1.3 雪崩二极管APD
• 5.1.4 放大电路器件
• 5.1.5 高速数据采集卡
• 5.2 系统实验方案的设计
• 5.2.1 激光脉冲测试实验设计
• 5.2.2 拉曼散射光测试实验设计
• 5.2.3 光电信号测量实验设计
• 5.2.4 实验前应注意的问题
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 课题总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况