冻结监测中分布式光纤测温系统的研究与应用

论文摘要

分布式测温是近年来测温领域的研究热点,而分布式光纤测温系统凭借其自身优点倍受关注,本文属于分布式光纤测温系统的研究与应用领域。在冻结法施工中,需要对冻结壁温度进行全面监测,现有的测量手段都是基于离散点的测量,不能实现分布式测量,而分布式光纤测温系统的成功研制为分布式测量冻结壁温度提供了可能。本文在分析了基于拉曼散射的分布式光纤测温系统原理基础上,以设计一套能基本满足冻结施工中应用的测温系统为目标,对分布式光纤测温系统整体结构、各性能指标之间的关系进行了详细研究。在系统设计过程中,采用了对比法进行优化设计,给出了后向拉曼散射光与温度的关系,并研究设计了激光器驱动电路、温控电路及信号放大电路,完成了脉冲激光的发射、接收与信号处理,并对耦合器分光比、温度解调方案进行改进,节省了一路光滤波器与放大电路,降低了系统成本,并利用软硬件结合的方法,提高了系统稳定性与可靠性,实现了系统可视化。目前所设计的系统能在2km范围内实现测温范围为-4050℃,测温精度为1℃,空间定位精度为1m的技术指标,基本上能满足冻结施工中对温度监测的要求,要完全应用于冻结施工中,系统还需要对测温精度进行提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 冻结温度监测及设计原则
• 1.2 地层冻结温度监测的发展现状
• 1.3 课题提出
• 1.4 光纤测温与传统测温性能对比
• 1.5 分布式光纤测温系统发展现状
• 1.6 光纤测温系统应用前景及发展趋势
• 1.6.1 应用前景
• 1.6.2 发展趋势
• 1.7 研究内容
• 2 测温系统理论分析
• 2.1 光时域反射技术
• 2.2 拉曼散射机理与定量描述
• 2.3 受激拉曼散射分析
• 2.4 实现测温的技术方案
• 2.4.1 瑞利散射型分布式测温系统
• 2.4.2 拉曼散射型光时域分布式测温系统
• 2.4.3 拉曼散射型光频域分布式测温系统
• 2.4.4 受激布里渊散射型分布式测温系统
• 2.5 技术方案比较
• 2.6 系统主要技术指标
• 2.6.1 系统分辨率
• 2.6.2 系统测量精度
• 2.6.3 测量时间
• 2.6.4 测量范围
• 3 测温系统的设计
• 3.1 系统结构
• 3.2 传感光纤的选取
• 3.3 激光器参数的确定
• 3.3.1 测量点最佳中心波长的确定
• 3.3.2 中心波长与系统灵敏度
• 3.3.3 中心波长与系统稳定性
• 3.3.4 系统中心波长的确定
• 3.3.5 光功率估算
• 3.3.6 所选激光器性能指标
• 3.4 耦合器及光滤波器的设计
• 3.4.1 耦合器模型及分光比计算
• 3.4.2 光滤波器的确定
• 3.5 光检测与放大电路
• 3.5.1 光电检测器的选取
• 3.5.2 光电检测器响应分析
• 3.5.3 光电检测器噪声分析
• 3.5.4 主放大电路
• 3.6 光纤放大器的选取
• 3.7 数据采集与处理
• 3.7.1 数据采集
• 3.7.2 信号处理
• 4 系统关键技术研究
• 4.1 实现温度解调方案
• 4.1.1 单路解调方案
• 4.1.2 双路解调方案
• 4.1.3 改进的双路解调方案
• 4.1.4 方案对比分析
• 0的确定'>4.2 温度解调中T₀的确定
• 0与系统稳定性'>4.2.1 T₀与系统稳定性
• 0的精度要求'>4.2.2 T₀的精度要求
• 4.3 系统软件实现
• 4.3.1 “文件”菜单简介
• 4.3.2 “测量”菜单简介
• 4.3.3 “设置”菜单简介
• 4.4 激光器驱动电路
• 4.5 激光器温控电路
• 4.6 对干扰的控制
• 5 实验与分析
• 5.1 安装与使用
• 5.1.1 系统安装
• 5.1.2 温度测量、显示与存储
• 5.1.3 历史记录查询
• 5.2 系统实验
• 5.2.1 激光器温控实验
• 5.2.2 信号采集与处理
• 5.2.3 室内模拟实验
• 5.3 现场试验
• 5.3.1 光纤的铺设
• 5.3.2 对比结果
• 5.4 实验分析
• 5.5 不足与改进
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 导师简介
• 在读期间参与的工程项目及课题情况