分布式光纤传感器解调技术的研究

论文摘要

分布式光纤传感技术在分布式多点温度、压力等测量领域有着举足轻重的地位,它不仅能克服传统传感器对环境要求较高的限制,还能避免传统传感器多点安装所带来的不便。为了满足工程应用的需要,分布式光纤传感技术逐渐在特殊的测量领域中得到应用,并朝着高精度、低成本、高可靠性、实时性等方向发展。本文从温度和应变同时解调的分析以及光纤温度传感器数据采集与信号处理板卡设计两个方面对传感信号处理进行研究。首先,通过比较温度和应变同时存在时对两者解调的各种检测方案,总结并分析一种基于微波电光调制的自发布里渊散射外差检测系统。其次,以TMS320VC5416型号数字信号处理(DSP)芯片为核心器件,设计分布式光纤温度传感器数据采集与信号处理板卡中嵌入式软件部分,主要包括板卡接收准备的控制、信号处理子程序与串口通信子程序,完成信号接收、降噪、解调以及与电脑(PC)通信。最后,将嵌入式软件应用于合作开发的数据采集与信号处理板卡,对分布式光纤温度传感信号进行大量的测试、数据分析,通过参考理论解调系数,结合实验所得数据进行解调参数调整,获得一组最佳参数,并讨论降噪效果与解调精度的关系。研究结果表明：第一,基于微波电光调制的自发布里渊散射外差检测系统在温度和应变同时作用于传感光纤时,拟合所得解调系数与已报道的实验数据一致,对温度和应变的解调精度分别为1℃和100με。第二,采用CCS3.3软件设计的控制板卡接收准备子程序、数据接收子程序、数据降噪处理子程序、温度解调子程序和PC机串行通信子程序分别运行正确。第三,将嵌入式软件与硬件结合,DSP能够控制系统进入连续接收状态,并实现了基于拉曼效应的分布式温度传感信号接收、降噪、解调以及输出到PC机显示的整个流程,分析得到系统最佳解调精度为3℃

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 光纤温度、应变同时检测方案的发展现状
• 1.2.1 布里渊频移和强度直接检测方案
• 1.2.2 布里渊频移和强度外差检测方案
• 1.2.3 布里渊频移和强度相干外差检测方案
• 1.3 论文结构安排
• 第二章 自发布里渊散射光纤传感器基础理论
• 2.1 光纤中的散射效应
• 2.2 基于自发布里渊散射的光纤传感
• 2.2.1 自发布里渊散射传感接收原理
• 2.2.2 自发布里渊散射光功率和频移
• 2.2.3 自发布里渊散射温度、应变交叉敏感
• 第三章 光纤传感器温度与应变同时检测系统分析
• 3.1 温度与应变同时检测的几种方案
• 3.1.1 直接检测
• 3.1.2 外差检测
• 3.1.3 相干外差检测
• 3.2 基于微波电光调制的自发布里渊散射外差检测系统
• 3.3 温度和应变解调
• 3.3.1 微波电光调制外差检测分析
• 3.3.2 矩阵分析法解调温度和应变
• 3.4 本章小结
• 第四章 光纤传感数据采集与信号处理板卡软件设计
• 4.1 传感信号处理与传输软件设计框图
• 4.2 传感信号处理嵌入式软件设计
• 4.2.1 初始化DSP
• 4.2.2 中断服务程序
• 4.2.3 平均降噪
• 4.2.4 温度解调
• 4.2.5 与PC机通信
• 4.3 温度显示上位机软件设计
• 4.3.1 上位机软件工作流程
• 4.3.2 显示界面功能函数介绍
• 4.4 本章小结
• 第五章 光纤拉曼温度传感器信号处理测试结果
• 5.1 传感信号处理与解调实验结果
• 5.2 传感实验数据分析
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文