分布式光纤温度测量及数据处理技术研究

论文摘要

分布式光纤传感技术是利用光纤的相关物理特性对被测量场的空间和时间行为进行实时监测的技术。光纤传感器作为一种测量新技术，利用光波导原理，具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可挠性好、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、原料丰富、制造过程能耗少、节约大量有色金属等突出优点，近年来逐渐扩大应用范围和应用领域。在光电子技术、计算机技术和微电子技术的发展带动下，分布式光纤传感技术迅速发展，从理论研究走向产品化，解决了很多使用传统传感器难以解决的问题，也是传感领域研究的一个热点。分布式光纤温度传感器的光纤即是传输介质，又是传感介质，可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高，误差小，与单点或多点准分布测量相比具有较高的性能价格比，以其独特的技术优势广泛应用于工业、国防、航空航天、交通运输和日常生活等各个领域。 本论文对基于拉曼散射的分布式光纤温度传感及其数据处理技术进行了系统而深入的研究，通过对长距离皮带传输线工作特性进行分析及试验，设计分布式光纤温度传感系统并应用于长距离皮带传输线的实际温度检测和火灾报警中。主要工作有以下几个方面： 1．基于散射的光纤传感技术所涉及的基础理论的研究。利用传统光学和量子力学理论，对光在光纤中的传输特性进行了分析，研究了光纤传感中的影响因素，获得了受温度调制的反斯托克斯光强的关系。为得到沿光纤分布的温度场信息，采用光时域反射技术和对温度不敏感的斯托克斯曲线求解反斯托克斯曲线，实现分布式光纤温度测量。 2．从长距离皮带传输线的实际温度检测应用角度探讨了基于拉曼散射的分布式光纤传感系统的设计并完成实用的虚拟仪器设计。设计中采用了先进的计算机软硬件和数据库技术，使系统满足实际工程测量要求，在实际皮带传输线温度检测中测试应用良好，为工程应用和生产化提供基础。 3．深入探讨了分布式光纤温度传感中测量距离、空间分辨率、测温精度和测量时间等几者的关系及其影响因素。有别于其它温度传感技术，在分布式温度传感测量中这些因素是互相关联的，不能孤立的谈论某一参数，对系统整体的性能评估用品质因数来描述。 4．由于测量的反斯托克斯信号和斯托克斯信号非常微弱，完全淹没在噪声中。需要采用微弱信号处理技术。而且数据处理技术的性能对测量指标有重要的影响，在整个分布式光纤温度传感系统中具有重要地位，是系统设计中的重要一环。通过对各种新的信号处理技术进行研究，提出了一种基于高精度A／D转换器完成的信号处理方案。 5．深入研究了Sigma Delta调制器实现高精度A／D转换的原理和计算方法并应用于数据采集处理中，很好的解决了测量精度的问题。通过采用sigma delta调制器改进的有限周期算法和减少冗余算法，使得可以根据工程实际需要灵活调整计算精度和计算速度。 6．先进的编程技术(LabVIEW)和关系型数据库的采用，即加快了系统开发的时间，又解决了实际工程应用中分布式温度测量海量数据的管理问题。采用LabVIEW完成上层软件设计，实现了虚拟仪器功能。 7．分析了皮带传输线工作特点，通过实验和现场测试，获得了温度检测的基准数据和修正方法，并在实际测量中应用获得了良好的效果。而灵活、多样可设置的报警方式为系统应用提供了有力的保证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概论
• 1.1 前言
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.3.1 基于瑞利散射的分布式光纤传感系统
• 1.3.2 基于布里渊散射的分布式光纤传感系统
• 1.3.3 基于拉曼散射的分布式光纤传感系统
• 1.3.4 分布式光纤传感系统的信号处理技术
• 1.3.5 分布式光纤传感系统研究现状
• 1.3.6 分布式光纤温度传感应用研究
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 分布式光纤温度传感基本理论
• 2.1 光纤基本概念
• 2.2 激光在光纤中的传播
• 2.3 光纤的损耗特性
• 2.3.1 吸收损耗
• 2.3.2 散射损耗
• 2.4 光纤的色散特性
• 2.4.1 模色散
• 2.4.2 材料色散
• 2.4.3 波导色散
• 2.5 自发拉曼散射
• 2.5.1 拉曼散射的经典光电（学）分子模型
• 2.5.2 拉曼散射的量子力学模型
• 2.5.3 拉曼散射的量子力学分析
• 2.5.4 转、振动拉曼散射谱分析
• 2.5.5 玻璃基体中的拉曼散射
• 2.6 受激拉曼散射
• 2.7 布里渊散射
• 2.8 光时域反射原理
• 2.9 光纤拉曼背向散射的温度效应
• 本章小结
• 第3章 皮带传输线分布式光纤温度测量系统
• 3.1 皮带传输线温度测量
• 3.2 皮带传输线分布式光纤温度测量的实现
• 3.3 系统组成及技术指标
• 3.4 光发射机
• 3.4.1 激光器设计
• 3.4.2 激光器波长选择
• 3.4.3 激光器功率分析
• 3.4.4 半导体激光器驱动电路分析
• 3.5 光探测器和接受器
• 3.5.1 光电探测器的性能
• 3.5.2 光探测器分析
• 3.5.3 APD噪声信号分析
• 3.5.4 放大电路噪声分析
• 3.6 系统定标
• 3.6.1 定标区的位置
• 3.6.2 温度标定
• 3.7 测量系统技术指标分析
• 3.7.1 系统性能参数
• 3.7.2 空间分辨率
• 3.7.3 测温精度
• 3.7.4 测量时间
• 3.7.5 传感光纤长度
• 3.7.6 技术指标关联性实验分析
• 本章小结
• 第4章 分布式光纤温度传感关键技术研究
• 4.1 数据处理技术概述
• 4.2 信号处理分析
• 4.2.1 取样积分
• 4.2.2 分布式光纤测量中的数字式平均技术
• 4.2.3 分布式光纤测量中数字式平均的信噪比改善
• 4.2.4 数字式平均算法
• 4.2.5 基于小波分解的检测方法
• 4.2.6 基于混沌系统的微弱信号检测
• 4.3 基于相关检测的分布式信号处理
• 4.3.1 测量分析
• 4.3.2 运算误差分析
• 4.4 上位机管理实现
• 4.4.1 信号处理模块
• 4.4.2 数据的存储、管理
• 4.4.3 温度显示输出
• 4.4.4 报警模块
• 4.4.5 主程序框图
• 本章小结
• 第5章 实现高精度测量的信号处理技术
• 5.1 多点采样处理方法
• 5.1.1 模拟多点信号平均器
• 5.1.2 分布式测量数字多点信号平均器
• 5.2 Sigma Delta调制器实现A／D转换
• 5.3 Sigma Delta调制器原理
• 5.4 Sigma Delta调制器实现分析
• 5.5 Sigma Delta调制器算法分析
• 5.5.1 输入模拟信号为直流
• 5.5.2 输入信号为交流
• 5.5.3 分组量化编码
• 5.5.4 对输出码流小值计算
• 5.6 误差分析
• 5.6.1 基于数字抽取滤波器的特性分析
• 5.6.2 直接计算的特性分析
• 5.6.3 计算分析
• 5.6.4 量化信噪比分析
• 5.7 Sigma Delta调制器电路设计
• 本章小结
• 第6章 测试实验与结果分析
• 6.1 测量的原始数据曲线分析（未加修正）
• 6.2 解调的温度曲线
• 6.3 现场测试
• 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间公开发表的论文与著作
• 致谢