分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)信號處理及性能提升.pdf

1、在眾多光纖溫度傳感技術(shù)中，分布式光纖溫度傳感技術(shù)能夠?qū)φ麠l光纖的溫度分布場進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)測量，并且體積小，抗輻射，穩(wěn)定性強(qiáng)，使其成為光纖傳感技術(shù)中獨(dú)具特色的一項(xiàng)技術(shù)。同時(shí)引起了人們的廣泛的關(guān)注，并且取得了重大進(jìn)展。在分布式光纖溫度傳感技術(shù)中，基于拉曼散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)最為成熟，應(yīng)用也比較簡便。分布式光纖拉曼傳感技術(shù)根據(jù)光纖背向拉曼散射的溫度效應(yīng)測出光纖環(huán)境中的溫度信息，再通過光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)對光纖的各個(gè)位置進(jìn)行定位，以

2、連續(xù)函數(shù)的形式得到整體光纖中的溫度分布場。而點(diǎn)式的光纖溫度傳感器只能測量一小部分區(qū)域的溫度場，在一些需要連續(xù)測量溫度的工程場合中，點(diǎn)式傳感器需要通過傳感陣列進(jìn)行多點(diǎn)測量，這樣不僅安裝不方便，而且成本也比較多，在這種場合，點(diǎn)式光纖溫度傳感器不占有優(yōu)勢。但是，分布式光纖拉曼傳感系統(tǒng)以一條光纖作為媒介，此光纖既能通訊又能傳感，通過OTDR原理能夠?qū)φ麠l光纖進(jìn)行定位，能對光纖的各個(gè)位置進(jìn)行監(jiān)控，獲得實(shí)時(shí)連續(xù)的溫度信息，這樣使系統(tǒng)的成本大大降低。

3、此系統(tǒng)抗電磁干擾，絕緣性好，靈敏度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠適合高壓高溫和易燃易爆等區(qū)域，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、航天、石油、電力和軍事等領(lǐng)域，比如:煤礦、隧道、油庫的火災(zāi)監(jiān)控、大型堤壩的漏水報(bào)警、石油管道泄漏監(jiān)測、電纜的溫度監(jiān)測等。
　　分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)是根據(jù)光纖中的背向拉曼散射原理，由反斯托克斯光和斯托克斯光解調(diào)出溫度信息，通過OTDR原理能夠?qū)φ麠l光纖進(jìn)行定位，得到整條傳感光纖中的溫度信息。在解調(diào)過程中，反斯托克斯光和斯托

4、克斯光強(qiáng)度都非常弱，直接解調(diào)出的溫度信息信噪比比較差，影響系統(tǒng)性能，如果要獲得高性能，必須要對數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理，要根據(jù)信號的特性選擇合適的信號處理方法，只有這樣才能有效的提高系統(tǒng)中的信噪比。因此，對分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)中的信號處理方法進(jìn)行研究對提高系統(tǒng)信噪比和性能指標(biāo)有著重大的意義。在提高性能指標(biāo)的方法中，比如系統(tǒng)溫度精度，空間分辨率以及系統(tǒng)穩(wěn)定性，除了直接的信號處理方法外，合理的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對提高系統(tǒng)的指標(biāo)也有著直接的意義，合理的

5、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠消除一些不穩(wěn)定因素的影響，比如:激光器功率的波動(dòng)，光纖衰減的標(biāo)定誤差等等，為信號處理減少不必要的麻煩，通過有效的信號處理方法和系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，能夠有效得提高系統(tǒng)的指標(biāo)。在系統(tǒng)使用過程中，人們對系統(tǒng)中的穩(wěn)定性要求比較高，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素主要是外界環(huán)境，外界溫度和外界擾動(dòng)等等都會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著重要的作用。
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對系統(tǒng)的性能需求也越來越高，因此，

6、對分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)的信號處理方法進(jìn)行研究以及對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對提高系統(tǒng)性能，滿足人們的需求有著非常重要的意義。本文對分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，介紹了系統(tǒng)中各個(gè)器件的功能，對系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了闡述，并對系統(tǒng)噪聲和性能進(jìn)行了研究，提出了提高系統(tǒng)信噪比和系統(tǒng)性能的信號處理方法和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。文章的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)對光纖散射理論進(jìn)行了闡述，包括瑞利散射，布里淵散射和拉曼散射，著重通過經(jīng)典電磁

7、理論和量子學(xué)理論分別詳細(xì)講述了拉曼散射原理;并且分析了三種散射的溫度特性，根據(jù)散射的溫度特性介紹了基于拉曼散射和布里淵散射的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu);又介紹了分布式光纖傳感系統(tǒng)中的光纖定位的光時(shí)域反射原理，后面對分布式光纖拉曼傳感系統(tǒng)解調(diào)方法進(jìn)行了論述和比較，包括基于反斯托克斯光的單路解調(diào)方法，基于反斯托克斯光與瑞利散射光的雙路解調(diào)方法以及基于反斯托克斯光與斯托克斯光的雙路解調(diào)方法，并對每種方法的解調(diào)特性進(jìn)行了分析。

8、　　(2)基于反斯托克斯與斯托克斯光的雙路解調(diào)方法，介紹了分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和儀器選擇的標(biāo)準(zhǔn)，并且列出了主要儀器的功能和指標(biāo)以及對系統(tǒng)性能的影響，隨后介紹了系統(tǒng)的主要指標(biāo):溫度精度、溫度分辨率、定位精度、空間分辨率和測量時(shí)間以及影響各項(xiàng)指標(biāo)的各種因素。最后分析了系統(tǒng)的噪聲來源，對系統(tǒng)中的噪聲作了全面分析，這對系統(tǒng)降低噪聲提高系統(tǒng)性能有著重要的意義。
　　(3)講述了分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)信號處理方法，主要包括累

9、加平均算法和小波模極大值信號處理方法。描述了累加平均信號處理方法的原理，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)評價(jià)了噪聲與累加平均次數(shù)關(guān)系;隨后主要介紹了小波變換及去噪的原理，以及基于小波變換的信號處理方法，主要包括三種方法，小波分解與重構(gòu)法、非線性小波變換閾值法以及小波變換模極大值法;重點(diǎn)介紹了小波模極大值信號處理方法，包括小波模極大值信號處理方法原理，具體的實(shí)現(xiàn)方案，小波分解層的確定方法和小波信號模極大值的選取方法，并且針對低信噪比的情況，提出了高低分解層相結(jié)

10、合的小波模極大值選取方法，在這方法中，信號分別選擇高和低兩種分解層進(jìn)行小波分解，并分別獲取這兩種情況下的各層的信號模極大值，把這兩種情況下的信號模極大值進(jìn)行組合，以低分解層數(shù)作為最后的重構(gòu)層數(shù)，進(jìn)行信號重構(gòu)，此方法并通過了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(4)分析了系統(tǒng)瑞利噪聲的來源和瑞利噪聲對系統(tǒng)性能的影響，包括單路解調(diào)和雙路解調(diào)系統(tǒng)，分別對溫度精度、溫度分辨率和溫度靈敏度等指標(biāo)的影響，通過理論分別模擬了單路解調(diào)和雙路解調(diào)系統(tǒng)中，傳感光纖

11、中單個(gè)光纖位置處及一段光纖中瑞利噪聲對系統(tǒng)性能的影響，主要包括不同強(qiáng)度的瑞利噪聲，在不同的溫度以及在不同的光纖位置對系統(tǒng)性能的影響關(guān)系。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，提出了兩種消除瑞利噪聲的方法，一種是差值解調(diào)方法，就是利用參考光纖中溫度T2下和溫度T1下的反斯托克斯光強(qiáng)的差值作為參考信號，傳感光纖中溫度T和T1下的反斯托克斯光強(qiáng)差值作為測量信號，然后根據(jù)這種信號進(jìn)行解調(diào)溫度;另外一種方法是自動(dòng)消除瑞利噪聲算法，就是選擇兩段參考光纖，兩個(gè)不同

12、的參考溫度，通過這兩段參考光纖上的信號實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算瑞利噪聲，然后再將測量光纖和參考光纖的信號同時(shí)減去瑞利噪聲，獲得真正的信號再進(jìn)行解調(diào)溫度，并且針對這兩種方法搭建了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　(5)由于光纖各個(gè)位置的衰減受外界環(huán)境的影響以及標(biāo)定衰減過程中存在誤差，這些都會導(dǎo)致系統(tǒng)溫度精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性的降低，針對這個(gè)問題文章中運(yùn)用了一種單輸入端環(huán)路解調(diào)方法，此方法通過環(huán)路結(jié)構(gòu)傳感光纖，在這個(gè)環(huán)路傳感光纖中滿足距離解調(diào)系統(tǒng)相同位置

13、的兩個(gè)光纖位置處在相同的環(huán)境，這樣可以認(rèn)為處在相同環(huán)境中的兩個(gè)位置處的光纖衰減相同，通過這兩個(gè)位置的信號解調(diào)出此環(huán)路位置的溫度信息，這種方法能夠使各個(gè)環(huán)路位置的光纖衰減保持相同，不會與光纖的具體位置有關(guān)系，為了消除這個(gè)衰減，在環(huán)路光纖結(jié)構(gòu)前端選擇了參考溫度，由此以來既消除了由光纖衰減標(biāo)定過程中誤差帶來的影響，也可以消除由于外界溫度、濕度等外界環(huán)境造成的光纖衰減的變化。通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　(6)由于在分布式光

14、纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)中通過反斯托克斯光和斯托克斯光進(jìn)行溫度解調(diào)，因此這兩個(gè)信號的同步性將直接影響系統(tǒng)的空間分辨率的指標(biāo)，文章中分析了導(dǎo)致反斯托克斯和斯托克斯這兩個(gè)信號不同步的原因，主要有兩個(gè)方面:第一，由硬件引起兩路信號的不同步，比如:WDM及APD兩路尾纖不相同，APD和采集卡兩路的響應(yīng)時(shí)間不相等，第二，由于光纖中的色散影響，兩路信號在光纖的傳播速度不一樣導(dǎo)致了兩路信號的不同步。針對第一方面的原因，論文中通過添加補(bǔ)償光纖，消除了兩路信號