分布式光纤温度传感器的系统设计及信号处理
|
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。
Research on distributed optical fiber sensing technology could be traced back to the late 1970s. With more than thirty years development and research, this technology has been widely applied in various fields. As an important branch of distributed optical fiber sensing technology, distributed optical fiber temperature sensing technology has been focused studied by research institutions and enterprises all round the world.
Different from the single-point temperature sensors, distributed fiber optical temperature sensors could collect multi-point temperature information and accurately locate in real time by using optical time domain reflectometry technology on a single fiber. The fiber is not only the signal transmission medium, but also the sensor of temperature information as well. Distributed fiber optical temperature sensor is incomparable especially in the explosive, strong electromagnetic interference, corrosion resistance and complex geographical environment. Thus, it surely has broad market prospects.
This paper describes the basic principle of distributed Raman fiber optic temperature measurement technology theory - optical time domain reflectometry, and Raman scattering temperature effect principle, and introduced several other common fiber optical temperature sensing technology.
According to the theory above, this paper designs the distributed optical fiber temperature measurement system which includes optical signal transmission unit, photoelectric detection unit, the signal acquisition unit, etc. and describes the working principle and performance of these components. This paper also analyzes some vital indicators of the system performance, for instance, the best working wavelength of LD, avalanche multiplication coefficient of APD, the accuracy of capture cards and so on. This paper presents several methods to improve system performance and some options to resolve system stability has been proposed.
For the analog temperature signal, several demodulation methods have been derived. Dual-channel demodulation by the anti-Stokes with Stokes has been selected in this dissertation. In order to eliminate differences in channel sensitivity to temperature measurement system, a calibration area has been established and discussed comprehensively.
As to the weak signal in Raman scattering, the average time-domain superposition algorithm and wavelet multi-resolution analysis has been used to reduce the noise and extract the useful signal in order to improve the signal-noise ratio significantly.
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。
Research on distributed optical fiber sensing technology could be traced back to the late 1970s. With more than thirty years development and research, this technology has been widely applied in various fields. As an important branch of distributed optical fiber sensing technology, distributed optical fiber temperature sensing technology has been focused studied by research institutions and enterprises all round the world.
Different from the single-point temperature sensors, distributed fiber optical temperature sensors could collect multi-point temperature information and accurately locate in real time by using optical time domain reflectometry technology on a single fiber. The fiber is not only the signal transmission medium, but also the sensor of temperature information as well. Distributed fiber optical temperature sensor is incomparable especially in the explosive, strong electromagnetic interference, corrosion resistance and complex geographical environment. Thus, it surely has broad market prospects.
This paper describes the basic principle of distributed Raman fiber optic temperature measurement technology theory - optical time domain reflectometry, and Raman scattering temperature effect principle, and introduced several other common fiber optical temperature sensing technology.
According to the theory above, this paper designs the distributed optical fiber temperature measurement system which includes optical signal transmission unit, photoelectric detection unit, the signal acquisition unit, etc. and describes the working principle and performance of these components. This paper also analyzes some vital indicators of the system performance, for instance, the best working wavelength of LD, avalanche multiplication coefficient of APD, the accuracy of capture cards and so on. This paper presents several methods to improve system performance and some options to resolve system stability has been proposed.
For the analog temperature signal, several demodulation methods have been derived. Dual-channel demodulation by the anti-Stokes with Stokes has been selected in this dissertation. In order to eliminate differences in channel sensitivity to temperature measurement system, a calibration area has been established and discussed comprehensively.
As to the weak signal in Raman scattering, the average time-domain superposition algorithm and wavelet multi-resolution analysis has been used to reduce the noise and extract the useful signal in order to improve the signal-noise ratio significantly.
引文
[1]李海军.双折射光纤SAGNAC环镜相位压缩光纤传感器的研究[D].北京：北京工业大学,2009
[2]高希才.功能型光纤传感器[J].压电与声光,1990,(4)：54-56
[3]黄松.拉曼分布式光纤温度传感器研究及其空间分辨率的提高[D].杭州：电子科技大学,2004
[4]魏鹏.光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景[J].山东电力高等专科学校学报,2010,(1)：38-42
[5]张友能.分布式光纤测温系统及其在井壁冻结中应用[D].淮南：安徽理工大学,2009
[6]张达伟.光纤测温系统信号处理方法的研究与实现[D].大连：大连理工大学,2008
[7]李秀琦.基于拉曼散射分布式光纤测温系统的研究与设计[D].保定：华北电力大学,2008
[8]崔立强.多通道分布式温度传感器的研制[D].福州：福建师范大学,2009
[9]李向舜.光纤Bragg光栅波长检测信号处理系统研究[D].武汉：武汉理工大学,2004
[10]谢苗苗.基于虚拟仪器技术的分布式光纤测温系统的研究[D].淮南：安徽理工大学,2010
[11]张颖,张娟,郭玉静,王庆华.分布式光纤温度传感器的研究现状及趋势[J].仪表技术与传感器,2007(8)：1-3
[12]周正仙,皋魏.一种高分辨率分布式光纤温度传感系统的研究[J].光通信研究,2009(6)：23-24
[13]方曼.分布式拉曼光纤温度传感器系统及温度分辨能力提高的研究[D].成都：电子科技大学,2004
[14]黎昵.分布式光纤温度传感检测数据处理技术及应用研究[D].南京：河海大学,2008
[15]林玉兰,陈永泰.拉曼散射分布式光纤温度传感器的设计[J].光电子技术与信息,2002(2)：43-45
[16]王喜光.分布式光纤温度传感器信号处理的研究[D].秦皇岛：燕山大学,2006
[17]宋牟平.喇曼型分布式光纤温度传感器温度分辨率的理论分析[J].仪器仪表学报,1998,19(5)：485-489
[18]张桂涛.基于小波的分布式光纤温度传感器系统的设计[D].山东：山东大学,2004
[19]林家明,李为.红外发光二极管(LED)工作原理与特性[J].光学技术,1993,(4)：12-14
[20]吕宗岩.分布式光纤温度传感器的系统设计[D].秦皇岛：燕山大学,2005
[21]时斌,蒋玉俊.基于光纤传感器的开关柜及其接点温度的在线监测系统[J].电气时 代,2007,(1)：132-134
[22]韦雄.分布式光纤温度传感器系统及其微弱信号处理的研究[D].淮南：安徽理工大学,2010
[23]熊任强.超辐射发光二极管温度特性分析与测控技术研究[D].杭州：浙江大学,2002
[24]戚风云.基于DSP的分布式光纤测温系统[D].上海：华东理工大学,2005
[25]解金山,陈宝珍.光纤数字通信技术,2002
[26]原荣.光纤通信.北京：电子工业出版社,2002
[27]陈会.3毫米稳频脉冲雪崩管振荡器研究[D].成都：电子科技大学,2002
[28]彭孝东.基于APD的红外极微弱光探测器的设计及相关特性研究[D].广州：广东工业大学,2005
[29]范柏松.激光雷达信号接收电路的研究[D].西安：西安电子科技大学,2008
[30]王乾发.基于QD激光视轴快速、精密检测技术研究[D].长春：长春理工大学,2008
[31]刘建文,徐仲玉,马红梅,吕霞,周翾.实验室研究与探索[J].2009(4)：58-60
[32]赵丽娟.布里渊分布型光纤温度传感及信号处理技术研究[D].保定：华北电力大学,2006
[33]周胜军.分布式光纤温度传感器高速数据采集系统可靠性研究[J].测试技术学报,1998(1)：9-12
[34]侯培国.分布式光纤温度传感系统的理论和实验研究[D].秦皇岛：燕山大学,2003
[35]宋慧娜.射频系统失配状态的辨识[D].郑州：郑州大学,2007
[36]吴长江.电抗器温度场分布及光纤测温系统的研究[D].西安：西北工业大学,2005
[37]王静.基于单模光纤的分布式温度传感器研制[J].光学技术,2008,34(5)：25-28
[38]刘扬.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统研究—数据采集与处理[D].保定：华北电力大学,2008
[39]张桂涛,张红光.喇曼散射分布式光纤传感器系统的信号处理[J].青岛大学学报工程技术版,2005(3)：71-75
[40]刘文.基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统的研究[D].武汉：华中科技大学,2005
[41]葛旭亮.光纤拉曼放大器的设计与实现[D].上海：上海大学,2004
[42]李水冰,王宇,赵健康,刘茜倩.光纤喇曼测温系统中APD增益稳定的研究[J].光电子技术,2009,29(3)：168-170
[43]常程,李铮,周荫清.基于后向喇曼散射分布式光纤测温系统温度解调方法研究[J].航空学报,2001,22(6)：53-56
[44]朱洁.基于喇曼散射的分布式光纤温度检测系统的研究[J].枣庄学院学 报,2005,22(5)：13-15
[45]程正兴.小波分析算法与应用[M].西安：西安交通大学出版社,2001
[46]曾周末,万博坤.动态数据建模与处理[M].天津：天津大学出版社,2005
[47]封常生.小波分析在信号处理中的应用[D].上海：上海交通大学,2007
[48]王雷.利用二维小波变换去除地震数据噪声的方法[D].沈阳：沈阳工业大学,2001
[49]柯熙政,汪丽,倪广仁.改进的小波闽值消噪法应用于脉冲星弱信号处理[J].西安理工大学学报,2008(24)：18-21
[50]王新,朱高中.一种新型小波阈值法在信号消噪中的应用研究.高电压技术,2008(2)：342-345
[51]崔华,宋国乡.基于小波闽值去噪方法的一种改进方案[J].现代电子技术,2005(1)：8-10
[2]高希才.功能型光纤传感器[J].压电与声光,1990,(4)：54-56
[3]黄松.拉曼分布式光纤温度传感器研究及其空间分辨率的提高[D].杭州：电子科技大学,2004
[4]魏鹏.光纤传感技术及其在电力系统中的应用前景[J].山东电力高等专科学校学报,2010,(1)：38-42
[5]张友能.分布式光纤测温系统及其在井壁冻结中应用[D].淮南：安徽理工大学,2009
[6]张达伟.光纤测温系统信号处理方法的研究与实现[D].大连：大连理工大学,2008
[7]李秀琦.基于拉曼散射分布式光纤测温系统的研究与设计[D].保定：华北电力大学,2008
[8]崔立强.多通道分布式温度传感器的研制[D].福州：福建师范大学,2009
[9]李向舜.光纤Bragg光栅波长检测信号处理系统研究[D].武汉：武汉理工大学,2004
[10]谢苗苗.基于虚拟仪器技术的分布式光纤测温系统的研究[D].淮南：安徽理工大学,2010
[11]张颖,张娟,郭玉静,王庆华.分布式光纤温度传感器的研究现状及趋势[J].仪表技术与传感器,2007(8)：1-3
[12]周正仙,皋魏.一种高分辨率分布式光纤温度传感系统的研究[J].光通信研究,2009(6)：23-24
[13]方曼.分布式拉曼光纤温度传感器系统及温度分辨能力提高的研究[D].成都：电子科技大学,2004
[14]黎昵.分布式光纤温度传感检测数据处理技术及应用研究[D].南京：河海大学,2008
[15]林玉兰,陈永泰.拉曼散射分布式光纤温度传感器的设计[J].光电子技术与信息,2002(2)：43-45
[16]王喜光.分布式光纤温度传感器信号处理的研究[D].秦皇岛：燕山大学,2006
[17]宋牟平.喇曼型分布式光纤温度传感器温度分辨率的理论分析[J].仪器仪表学报,1998,19(5)：485-489
[18]张桂涛.基于小波的分布式光纤温度传感器系统的设计[D].山东：山东大学,2004
[19]林家明,李为.红外发光二极管(LED)工作原理与特性[J].光学技术,1993,(4)：12-14
[20]吕宗岩.分布式光纤温度传感器的系统设计[D].秦皇岛：燕山大学,2005
[21]时斌,蒋玉俊.基于光纤传感器的开关柜及其接点温度的在线监测系统[J].电气时 代,2007,(1)：132-134
[22]韦雄.分布式光纤温度传感器系统及其微弱信号处理的研究[D].淮南：安徽理工大学,2010
[23]熊任强.超辐射发光二极管温度特性分析与测控技术研究[D].杭州：浙江大学,2002
[24]戚风云.基于DSP的分布式光纤测温系统[D].上海：华东理工大学,2005
[25]解金山,陈宝珍.光纤数字通信技术,2002
[26]原荣.光纤通信.北京：电子工业出版社,2002
[27]陈会.3毫米稳频脉冲雪崩管振荡器研究[D].成都：电子科技大学,2002
[28]彭孝东.基于APD的红外极微弱光探测器的设计及相关特性研究[D].广州：广东工业大学,2005
[29]范柏松.激光雷达信号接收电路的研究[D].西安：西安电子科技大学,2008
[30]王乾发.基于QD激光视轴快速、精密检测技术研究[D].长春：长春理工大学,2008
[31]刘建文,徐仲玉,马红梅,吕霞,周翾.实验室研究与探索[J].2009(4)：58-60
[32]赵丽娟.布里渊分布型光纤温度传感及信号处理技术研究[D].保定：华北电力大学,2006
[33]周胜军.分布式光纤温度传感器高速数据采集系统可靠性研究[J].测试技术学报,1998(1)：9-12
[34]侯培国.分布式光纤温度传感系统的理论和实验研究[D].秦皇岛：燕山大学,2003
[35]宋慧娜.射频系统失配状态的辨识[D].郑州：郑州大学,2007
[36]吴长江.电抗器温度场分布及光纤测温系统的研究[D].西安：西北工业大学,2005
[37]王静.基于单模光纤的分布式温度传感器研制[J].光学技术,2008,34(5)：25-28
[38]刘扬.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统研究—数据采集与处理[D].保定：华北电力大学,2008
[39]张桂涛,张红光.喇曼散射分布式光纤传感器系统的信号处理[J].青岛大学学报工程技术版,2005(3)：71-75
[40]刘文.基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统的研究[D].武汉：华中科技大学,2005
[41]葛旭亮.光纤拉曼放大器的设计与实现[D].上海：上海大学,2004
[42]李水冰,王宇,赵健康,刘茜倩.光纤喇曼测温系统中APD增益稳定的研究[J].光电子技术,2009,29(3)：168-170
[43]常程,李铮,周荫清.基于后向喇曼散射分布式光纤测温系统温度解调方法研究[J].航空学报,2001,22(6)：53-56
[44]朱洁.基于喇曼散射的分布式光纤温度检测系统的研究[J].枣庄学院学 报,2005,22(5)：13-15
[45]程正兴.小波分析算法与应用[M].西安：西安交通大学出版社,2001
[46]曾周末,万博坤.动态数据建模与处理[M].天津：天津大学出版社,2005
[47]封常生.小波分析在信号处理中的应用[D].上海：上海交通大学,2007
[48]王雷.利用二维小波变换去除地震数据噪声的方法[D].沈阳：沈阳工业大学,2001
[49]柯熙政,汪丽,倪广仁.改进的小波闽值消噪法应用于脉冲星弱信号处理[J].西安理工大学学报,2008(24)：18-21
[50]王新,朱高中.一种新型小波阈值法在信号消噪中的应用研究.高电压技术,2008(2)：342-345
[51]崔华,宋国乡.基于小波闽值去噪方法的一种改进方案[J].现代电子技术,2005(1)：8-10