拉曼型光纤温度传感系统信号处理的研究与实现
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摘要
分布式光纤温度传感技术是一种用于实时测量空间温度分布的高新技术,是目前传感领域研究的一个热点。本文综述了分布式光纤温度传感技术的研究现状,深入研究了拉曼散射的基本理论,设计了一套基于自发拉曼散射原理的温度传感系统,搭建了光路部分与光电转换部分的实验系统,研究了传感光纤和功率对信号的影响;给出了信号采集与处理系统的总体设计框图,编程实现了信号采集、去噪处理、温度解调和图形显示等功能,完成了整个系统的设计与实现。针对数字累加平均算法存在的问题,引入了小波分析的方法,仿真验证了不同小波去噪方法的去噪效果,采用了将现有的累加平均算法与小波变换模极大值相结合的方法对信号进行处理,缩短了系统的测量时间,改善了系统的性能指标。
Distributed optical fiber temperature sensing technology is a high-tech for the real-time measurement of temperature, which is hot in sensor field. The research condition of distributed optical fiber sensing technology is introduced in this paper. Deep research is taken on the principle of Raman scattering and a temperature sensing system based on the spontaneous Raman scattering is designed. The experiment system of optical part and the photoelectric conversion part is built to study the effects of sensing fiber and power on the signal. The diagram of signal acquisition and processing system is given, and the functions of acquisition, de-noising, temperature demodulation and graphics are realized. The system has been designed and achieved. Finally, according to the problems of cumulative average algorithm, the wavelet is introduced, and the effects of different wavelet de-noising methods are verified by simulating, a method combined with cumulative average algorithm and wavelet modulus maximum is proposed, shortening the system's measurement time and improving the system performance.
Distributed optical fiber temperature sensing technology is a high-tech for the real-time measurement of temperature, which is hot in sensor field. The research condition of distributed optical fiber sensing technology is introduced in this paper. Deep research is taken on the principle of Raman scattering and a temperature sensing system based on the spontaneous Raman scattering is designed. The experiment system of optical part and the photoelectric conversion part is built to study the effects of sensing fiber and power on the signal. The diagram of signal acquisition and processing system is given, and the functions of acquisition, de-noising, temperature demodulation and graphics are realized. The system has been designed and achieved. Finally, according to the problems of cumulative average algorithm, the wavelet is introduced, and the effects of different wavelet de-noising methods are verified by simulating, a method combined with cumulative average algorithm and wavelet modulus maximum is proposed, shortening the system's measurement time and improving the system performance.
引文
[1]刘瑞复,史锦珊.光纤传感器及其应用.北京:机械工业出版社,1987
[2]张在宣,王剑锋,余向东,等.Raman散射型分布式光纤温度测量方法的研究.光电子激光,2001,12(6):596～600
[3]时斌.光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用.高电压技术,2007,33(8):169～173
[4]周芸,杨奖利.基于分布式光纤温度传感器的高压电力电缆温度在线监测系统.高压电器,2009,45(4):74～81
[5]姜明顺,隋青美,林宗强.分布式光纤测温系统在石油测井中的应用.光纤与电缆及其应用技术,2007,(2):29～31
[6]魏康林.基于瑞利散射的准分布光纤温度报警系统研究:[硕士学位论文].重庆:重庆大学,2002
[7]T.Horiguehi.Tensile strain dependence of Brillouin frequeney shift in siliea fibers.IEEE Photon.Teeh Lett,1989,1(5):107-108
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[11]张在宣,刘天夫,张步新,等.激光拉曼型分布光纤温度传感器系统.光学学报, 1995, (11):1585-1589
[12]张在宣,王剑锋,刘红林,等.30km远程分布光纤拉曼温度传感器系统.光电子激光,2004,15(10):1174～1177
[13]张利勋,廖云,欧中华,等.分布式光纤拉曼温度传感器的对称解调.光学学报,2007,27(3):400～403
[14]王静,姜明顺,隋青美,等.基于单模光纤的分布式温度传感器研制.光学技术,2008,34(5):724～727
[15]张磊,冯雪,张巍,等.基于变脉宽光源的分布式光纤拉曼温度传感器研究.光子学报,2009,38(10):2584～2587
[16]朱晓辉,杜伯学,周风争,等.高压交联聚乙烯电缆在线监测及检测技术的研究现状.绝缘材料,2009,42(5):58～63
[17]张岩红.分布式光纤温度传感器信号处理系统的研究与设计:[硕士学位论文].秦皇岛:燕山大学,2003
[18]文莉,刘正士,葛运建.小波去噪的几种方法.合肥工业大学学报,2002,25(2):167～172
[19]侯思祖,简燕红,李程.小波去噪在拉曼单模光纤传感系统中的应用.计算机仿真,2010,27(3):366～370
[20]程光煦.拉曼布里渊散射—原理及应用.北京:科学出版社,2001,1～4
[21]Shu Namiki,Yoshihiro Emori. Ultrabroad-Band Raman Amplifiers Pumped and Gain-Equalized by Wavelength-Division-Multiplexed High-Power Laser Diodes.J of Quantum EleCtroniCs,2001,7(1):3～16
[22]范琦康,吴存恺,毛少卿.非线性光学.北京:电子工业出版社,1989
[23]刘文.基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统的研究:[硕士学位论文].武汉:华中科技大学,2005
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[25]Paul Urhuhart W,Laybourn Peter L R Stimulated Raman scattering in optical fibers with noncomstant lossed Applied Optics 1987:25(11)
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[30]安毓英.光电探测原理.西安:西安电子科技大学出版社,2004,79-82
[31]邹江,王殊,杨宗凯.分布式光纤测温系统的温度分辨率.激光与红外,2000,30(5):304～306
[32]李秀琪.基于拉曼散射分布式光纤测温系统的研究与设计:[硕士学位论文].保定:华北电力大学,2008
[33]刘红林,张在宣,余向东,等.30km分布式光纤温度传感器的空间分辨率研究.仪器仪表学报,2005,26(11):1196～1198
[34]史晓锋,李铮,蔡志权.分布式光纤测温系统及其测温精度分析.测控技术,2002,21(1):9～12
[35]徐海峰,张在宣,王剑锋,等.在DCF光纤中放大的背向自发拉曼散射的增益特性.光电工程,2006,33(11):97～100
[36]曹立军.分布式光纤温度测量及数据处理技术研究:[博士学位论].合肥:合肥工业大学,2006
[37]侯国屏,王坤,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.北京:清华大学出版社,2005,178～219
[38]张硕.外差检测布里渊分布型光纤温度和应变传感及信号处理技术:[硕士学位论文].保定,华北电力大学,2008
[39]邹建.分布式光纤温度测量系统关键技术研究:[博士学位论文].重庆:重庆大学,2005
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[45]袁华,张卫宁,路峻,等.一种改进的小波去噪中模极大值处理的方法.系统仿真学报,2005,17(4):838～843
[46]刘洋.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:[硕士学位论文].保定:华北电力大学,2008
[47]夏敏华.3mm波段脉冲雷达系统研究和小波去噪分析:[硕士学位论文].南京:南京理工大学,2004
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[50]黄松.拉曼分布式光纤温度传感器及其空间分辨率研究:[硕士学位论文].成都:电子科技大学,2004
[51]盛健,张在宣,王剑锋,等. 30公里远程分布式光纤拉曼温度传感器系统测试方法与技术的研究.计量技术,2004,16～19
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[55] Lin Wang,Xiaofei Yang,Buyun Sheng.Distributed Optical Fiber Sensor for virtual monitoring of turbine rotor's temperature. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation,2009
[56]郭兆坤,郑晓亮,陆兆辉,等.分布式光纤温度传感技术及其应用.中国电子科学研究院学报,2008,3(5):543～546
[57]罗佑坤,夏慧恒,钟卫良,等.基于虚拟仪表的网络化电缆温度实时监测装置.电力系统保护与控制,2009,37(15):107～109
[58]陈继宣,龚华平,张在宣.光纤传感器的工程应用及发展趋势.光通信技术,2009
[59]郑晓亮,胡业林.基于分布式光纤测温技术的井下电缆温度监测系统设计.煤炭工程,2009
[60]严洪,姜明武,徐海峰.Raman散射线型光纤感温火灾探测器的优化设计.消防科学与技术,2009,28(11):834～837
[2]张在宣,王剑锋,余向东,等.Raman散射型分布式光纤温度测量方法的研究.光电子激光,2001,12(6):596～600
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