分布式光纤温度传感器的系统设计及信号处理

论文摘要

分布式光纤传感技术的研究可以追溯到20世纪70年代末,经过了三十多年的发展,这项技术已经被广泛应用于各种生产实践当中。作为分布式光纤传感技术的一个重要分支,分布式光纤温度传感技术一直是国内外科研机构和企业关注研究的重点领域。区别于单点式的温度传感器,分布式光纤温度传感器可以在一根光纤上实时地测量多点的温度信息,并利用光时域反射技术精确地定位空间温度场。光纤既是光信号的传输媒介,又是温度信息的传感媒介。尤其在易燃易爆、电磁干扰强烈、腐蚀性强和不易铺设的场合,分布式光纤温度传感器更是具有不可比拟的优势,因而具有广阔的市场前景。本文详细阐述了分布式拉曼光纤测温技术的理论基础—光时域反射技术以及拉曼散射的温度效应原理,并介绍了其它几种常见的光纤温度传感技术。本文从光信号发生和传输、光电检测、信号采集等方面设计了分布式光纤测温系统的结构,讨论了各个元件的工作原理和性能并着重分析了半导体光源的最佳中心波长、APD的雪崩倍增系数、采集卡的精度等指标对系统性能的影响。本文提出了几种改善系统性能指标的方法并探讨了解决系统稳定性的方案。对于系统采集到的模拟温度信号,本文推导了几种解调的方法并选择了使用双通道后向斯托克斯光解调反斯托克斯光的解调方法。为了消除通道灵敏度的差异对温度测量带来的误差,本系统设立了定标区,对定标区的设置进行了详细的分析并解决了定标未能解决的问题。针对微弱的拉曼散射信号,本文采用时域叠加平均算法和小波多分辨率分析相结合的方法降低系统噪声干扰,提取有用的温度信号并显著地改善了信噪比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 本论文主要研究内容
• 2 分布式光纤温度传感器基础理论
• 2.1 光时域反射（OTDR）技术原理
• 2.2 分布式光纤温度传感器基本原理
• 2.2.1 基于瑞利（Rayleigh）散射的分布式光纤温度传感技术
• 2.2.2 基于布里渊（Brillouin）散射的分布式光纤温度传感技术
• 2.2.3 基于拉曼（Raman）散射的分布式光纤温度传感技术
• 2.3 拉曼（Raman）散射原理
• 2.3.1 拉曼（Raman）散射的量子理论
• 2.3.2 拉曼（Raman）散射的温度效应
• 2.4 本章小结
• 3 拉曼分布式光纤温度传感器系统设计
• 3.1 光信号发生和传输系统
• 3.1.1 激光光源
• 3.1.2 双向耦合器
• 3.1.3 分光器
• 3.1.4 传感光纤
• 3.2 光电检测单元
• 3.3 恒温装置
• 3.4 信号采集与处理单元
• 3.4.1 数据采集卡
• 3.4.2 数据采集方式
• 3.4.3 数字信号的处理
• 3.5 本章小结
• 4 拉曼分布式光纤温度传感系统技术指标和性能分析
• 4.1 分布式光纤温度传感系统的主要技术指标
• 4.1.1 系统温度分辨率
• 4.1.2 系统时间分辨率
• 4.1.3 系统空间分辨率
• 4.2 分布式光纤温度传感系统性能分析
• 4.2.1 系统信噪比的分析
• 4.2.2 系统稳定性的分析
• 4.3 本章小结
• 5 分布式光纤温度传感器温度信号的解调与定标
• 5.1 温度信号的解调方法
• 5.1.1 单通道后向斯托克斯散射曲线自解调法
• 5.1.2 单通道后向反斯托克斯散射曲线自解调法
• 5.1.3 双通道后向斯托克斯散射曲线解调反斯托克斯散射曲线
• 5.1.4 双通道后向瑞利散射曲线解调反斯托克斯散射曲线
• 5.2 温度信号的定标
• 5.2.1 定标区域的选择
• 5.2.2 通道灵敏度对测量精度的影响
• 5.2.3 进一步完善定标方法的研究
• 5.3 本章小结
• 6 分布式光纤温度传感器弱信号处理
• 6.1 时域叠加平均算法
• 6.1.1 时域叠加平均算法的基本原理
• 6.1.2 时域叠加平均算法抑制噪声的原理
• 6.2 小波变换的多分辨率分析
• 6.2.1 小波变换的基本理论
• 6.2.2 小波多分辨率分析在拉曼散射信号中的消噪
• 6.2.3 小波阈值处理方法
• 6.3 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果