分布式光纤测温系统的设计与实现.docx

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分布式光纤测温系统的设计与实现

西南大学毕业论文

题目：

分布式光纤测温系统的设计与实现

专业：

电子信息工程技术

班级：

一班

学生姓名：

杨杰

指导教师：

谢熹

摘要

以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术在20世纪后半叶至今的几十年里R新月异，极大地推动了人类社会的进步。

与其他传感器相比，光纤作为一种新型的传感器件有其独特的优势。

它抗电磁，耐高温，对温度、应变等外界变化敏感，而且价格便宜，容易获取，可以形成分布式的线测量甚至是场测量。

因此光纤传感在最近几年的到快速发展．将应用于更广的范围。

分布式光纤测温系统的信号采集、数据处理，以及后台软件的编写占系统成本的绝大部分。

它的检测精度和速度决定了整个系统的测量精度，空问分辨率，采集速度以及

最后的请求响应时间。

如何提高系统各个部分的处理速度，协调好数据传输，成为分布式光纤铡温系统的关键。

论文提出了一种基于嵌入式的利用光纤拉曼散射原理的分布式测温解调方案。

由于传感距离长，使得系统可以进行场式的温度测量，可以全面的获得空间式的3维温度模型，满足大型工程传感网络的实时监测。

论文详细介绍了嵌入式光纤传感分布测温系统的光路设计，硬件电路设计和软件设计。

光路设计包括：

在嵌入式主机的控制下利用激光源和脉冲调整器形成固定周期的脉冲光，作为光纤传感器的激励信号；使用3dB耦合器对激励光进行分束，传入光纤传感器，散射拉曼光回传经过耦合器进入分光系统，只有固定频率的Stokes光和Anti．Stokes光透过分光系统；两束光分别进入光电探测器（PD），完成光电转换过程。

系统中各个模块间的同步由硬件电路控制，主控芯片为TI公司的双核微处理器。

0MAP5912对FPGA模块发出采集控制信号，FPG巩负责控制与脉冲调制器间的同步，计时，同时触发AD采集。

采集结束，FPGA发出中断，通知采集过程结束。

OMAP5912发出传输数据指令，将外接RAM中的数据读入DSP进行数据处理。

在DSP中对数据进行小波变换多分辨分析对采样的数字量进行降噪处理，消除传输和测量过程中的各种噪音和随机干扰。

论文还阐述了在双核微处理器oMAP5912下的软件开发，包括在ARM下的GPP

的开发，在DSP下数据处理算法的编写以及双方的通讯控制。

最后论文对系统测试结

果进行分析，通过系统测得的数据和谱图分析误差类型和来源，并提出系统改良的方法。

关键词：

拉曼散射；分布式光纤测温；双核徼处理器0mtP5912；FPGA；数据处理

DesignandImplementationofDistributedFiberTemperature—measuredSystem

Abstract

Theinformationtechnologyandsensingtechnologyrepresentedasfibercommunicationandfibersensingarestronglydevelopedinthisseveraldecades,whichimmenselyacceleratestheprogressofhumansociety．

Comparedwithothersensor,fiberisnewsensorwithitsindividualadvantage．Itresistselectromagnetism，adaptshightemperature，andissensitivetotemperatureandemergencyItisverycheapandeasytoproduct．Itcanrealizerealmeasurementinline,eveninfield．Sofibersensingisdevelopedveryfastinrecentyears，andusedinmorewiderange．

Themostcostofdistributefibertemperature-measuredsystemaresignalcollecting,dataprocessingandbackgroundsoftwareprogramming．Theydecidethecollectingprecision,collectingspeedandfinalresponsetime，Howtoimprovetheprocessingspeedandhowtocoordinatedatatransmissionbetweendifferentpartsaremostimportantinthissystem．

ThepaperbringsupanewproposalbasedonembeddedsystemwhichusesRamanscatteringtodemodulatetemperate．Becauseofthelongdistanceoffibersensor，thesystemcanrunfieldmeasurement，whichcouldgetstericaltemperatureinformationin3-Dmodel．Thisexactlymeetstherequesttorealtimemeasurementofsensingnetinlargeproject

Thepaperdetailedintroduceslightpathdesign,hardwarecircuitdesignandsoftwaredesigninembeddedfibersensingdistributedtemperature-measuredsystem．Thesynchronousofdifferentmodulesinsystemiscontrolledbyhardwarecircuit．Themaincontrolchipisdual-kemelmicroprocessorOMAP5912manufacturedbyTIcompany．OMAP5912sendsacollectingsignaltoFPGA，andFPGAcontrolthesynchronousbetweencollectingpartandpulsemodulator,countingandtriggerADcollect．Oncecollectends．FPGAsendsainterrupttoOMAP5912．ThenOMAP5912runinstructiontotransportdatafromRAMoutside．Waveletmulti-resolutionanalysisisdoneinDSP，whichcanreducenoiseseffectively．

AISOthePaperexpoundsoftwaredevelopmentunderdual-kernelmicroprocessorOMAP5912．includingGPPonARM，arithmeticcompileOnDSP，andcommunicationbetweenthem．Finally．thepaperanalyzestestresultandbringupanimprovedmethod．

KeyWords:

RamanScattering；DistributedFiberMicroprocessorOMAP5912；FPGA；DataProcessing

绪论

1．1应用背景及国内外研究现状

随着网络技术、嵌入式技术和计算机技术的不断发展，如何将各种先进技术应用在

工程监测领域，使得系统功能更强大、性能更稳定，是未来的发展方向。

特别是与光纤测温相结合，在这种数据量大的应用场合中，采用嵌入式微处理作为采集节点的核心部分更是显示出无法比拟的优势。

作为一种先进的采集仪器，该系统广泛的应用在隧道、地铁、公路的火灾监测和报警，石油、天然气输送管线或储罐泄漏监测，油库、油管、油罐的温度监测及故障点的检测，电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位，电缆隧道、夹层的火情监测，发电厂和变电站的加的温度监测、故障点的检测和火灾报警，大坝、河堤的渗漏，大坝、河堤、桥梁的混凝土凝固与养护温度等方面。

流经沈阳东陵地下输油管道因超期服役发生泄露，平项山石油泄露引发火灾事故，云南景洪水电站坝堤出现渗水，这些事故不断发生，给国家带来非常大的经济损失，人员伤害及环境污染。

如果采用分布式的测温系统，就可以准确的定位事故发生位置，并及时的发出事故预警，减小事故带来的损失。

1．1分布式光纤测温系统在管道泄露上的检测

分布式光纤测温系统在管道泄露上的检测。

在管道的周围埋入两条光纤传感器，一条作为参考传感器，一条作为实测传感器。

使用分布式的光纤测温系统，测出环境温度，并对比管道温度，发生泄露的位置会发生温度上的变化，从而找出泄露点的位置。

同时，如果温度超过限定的闽值，就会发生报警，说明此次泄露事故重大，需要紧急抢修。

1．2为光纤传感器的铺设现场，在管道铺设的同时埋入光纤传感器。

本系统将采用目前国内外比较先进的TI公司的OMAP5912舭tM+DSP双内核微处理器作为采集点的核心部分，利用DSP核作为数据的采集与处理，ARM核则用来进行控制和人机界面交互等操作。

同时分析国内外水电监测领域目前绝大部分采用的都是单节点的采集方式，该应用引入网络部分，网络部分可根据现场的采用有线网络和无线网络两种形式。

有线网络采用以太网的形式，接入公共网，而无线网络采用CDMA方式接入公共网，使得操作者可以在网络所及的任意地方进行对被监测体的实时监测，同时采用C／S通讯模式，提供了较高的安全机制，非本系统的人员无法对其进行干预或破坏。

对于监测现场环经恶劣，不宜搭建网络，无线方式更是体现了其优势。

这个系统同时将光纤测温传感技术、嵌入式技术、网络技术、数据库技术等先进技术应用在水电监测领域．具有一定的先进性及创新性。

对于光纤测温传感器的研究，目前，国外（主要是英国、日本等国）已利用激光光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品，而国内也在积极地开展这方面的研究工作，但研究产品的精度不高，没法进行工程应用。

作为光纤测温系统，目前国内外也有一些。

不过成本过高，特别是网络型的光纤测温系统在国内尚无成形产品。

当前国内的分布式测温系统，总体上的特点是测量距离短，精度不够高，测量时间过长，而且是单节点产品，无法形成分布式的，可进行自动控制的大型测量系统。

本系统采用国外的先进的光纤铡温传感器作为前端的信号产生装置，在光纤测温系统中，空间分辨率是一个重要参数，它取决于ADC的采样速率。

激光脉冲在传感光纤中的传输速率约为2X108m／s，要实现O．5～2m的空间分辨率，ADC采样速率要达到100MSPS。

另外，由于光纤测湿中ADC采样的肘钟对应着光纤上的空间距离，采样时钟频率或相位上的偏移即意味着光纤上测量点位置的偏移。

因此，为保证高的空间分辨率和高的空间定位准确度，如何设计系统的采样电路通过ADC同步对Anti．Stokes和Stokes信号进