分布式光纤温度传感器信号处理的研究.docx
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分布式光纤温度传感器信号处理的研究
燕山大学
硕士学位论文
分布式光纤温度传感器信号处理的研究姓名:
王喜光
申请学位级别:
硕士
专业:
电路与系统
指导教师:
吴长奇
20061101
摘要
摘要
分布式光纤温度传感器及其信号处理技术是近年来随着电子、通信与信息系统,光电技术、光纤传感器技术和自动控制领域的飞速发展而逐步形成和发展起来的多学科综合应用技术。
分布式光纤传感系统可以在一根光纤上同时监测多点的温度（或者应力等其他物理量,并利用光时域反射技术对温度场进行空间定位。
它广泛应用于工业过程的监控,煤矿、隧道、油库的火灾报警、大型堤坝的渗水、漏水监视等许多领域。
目前这项技术已成为光纤传感器技术中最具前途的技术之一。
分布式光纤温度传感器信号处理的研究是比较重要的,因为所探测到的含有温度信息的拉曼后向散射光十分微弱,甚至完全淹没在噪声中。
对消除拉曼后向散射光噪声的信号处理水平直接关系到整个系统的性能指标,因此必须采用微弱信号检测技术。
本文对拉曼分布式光纤温度传感器信号处理进行了全面的研究,分析了拉曼分布式光纤温度传感器性能指标,并重点分析了温度分辨率及其改进的方法。
根据传统单脉冲拉曼分布式光纤温度传感器脉冲宽度的增加能够提高信噪比、温度分辨率,但同时会降低空闻分辨率的矛盾,本文提出了采用格雷互补码作为拉曼分布式光纤温度传感器的探测脉冲,联合相关技术和数字平均对信号进行处理,可以大幅提高分布式光纤拉曼温度传感器的性能,在不降低空间分辨率的前提下提高温度分辨率、减少测量所需时间,改善了拉曼分布式光纤温度传感器的性能指标。
然后探讨了高阶累计量在曼分布式光纤温度传感器信号检测中的应用,提出了基于双谱检测的拉曼分布式光纤温度传感器信号检测方法,有效地抑制了系统的噪声,取得了趋于零的温度分辨率。
关键词分布式光纤温度传感器;信号处理;格雷互补码;高阶累积量;温度分辨率
燕山大学工学硕士学位论文
Abstract
Distributedopticaltemperaturemeasurementandsignalprocessingisanewlyestablishedmulti—disciplinedappliedtechnologyalongwithrecentrapiddevelopmentsinthefieldsofelectronics,communicationandinformationsystem.photo-electricity,opticalfibersensor硒wellasauto—contr01.11ledistributedopticalfibertemperaturesensorsystemCanmonitormanypointstemperatureforotherphy7sicsvariabilitysuchasstrainalongasingleopticalfiberatsalnetime,andCalllocatethepositionoftemperaturefieldbymeansofopticalrimedomainreflect.Itiswidelyusedinmonitorofproduceprocess,firealarmsystemofcoalmine,tunnelandfueldepots,seepageandleakageofdams.Atpresentthistechnologyhasbecomeintheopticalfibersensortechnologyoneofmostpromisingtechnical.
Thedistributedopticalfibertemperaturesensorsignalprocessingresearchisquiteimportant,becausethebackscatteringRamansignalwiththeinformationoftemperatureisweakorcompletelysubmergedinnoise.Asaresult,thedenoisingleveldeterminedtheaccuracyofthewholesystem,weaksignalmeaSurementmustbeusedinthissystem.nlisarticlehasconductedthecomprehensiveresearchtotheRarnandistributedopticalfibertemperaturesensorsignalprocessing,hasanalyzedtheRalnandistributedopticalfibertemperaturesensorperformanceindexandemphasisanalyzedthetemperatureresolutionanditsimprovementmethods.Increasingpulsewidthoftheprobepulse
CanimprovethesignaltonoiseratioandtemperatureresolutionoftheconventionalsingleRamandistributedopticalfibertemperaturesensoLbutdegradesthespatialresolution.UsingGolaycomplementarycodescorrelationtechniqueanddigitalaveragingtechniquemayhasmuchbetterperformancethanconventionalRamandistributedopticalfibertemperaturesensor.Thenhasdiscussedtheapplicationofhigher-ordercumulantintheRamandistributedlI
Abstract
opticalfibertemperatureSensorsignaldetection,proposedbasedonthebispectrumRanlandistributedopticalfibertemperaturesensorsignaldetectmethod,hasreslrainedthesystemnoiseeffectively,obtainedtendedtothezerotemperatureresolution.
KeywordsDistributedopticalfibertemperaturesensor;Signalprocessing;Golaycomplementarycodes;Higher-ordercumulant;Temperatureresolution
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燕山大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明:
此处所提交的硕士学位论文《分布式光纤温度传感器信号处理的研究》,是本人在导师指导下,在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。
据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签字互誊影日期:
2。
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日燕山大学硕士学位论文使用授权书
《分布式光纤温度传感器信号处理的研究》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果归燕山大学所有,本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。
本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅。
本人授权燕山大学,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。
保密口,在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密囹。
（请在以上相应方框内打“√”
作者签名:
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第1章绪论
1.1引言
第1章绪论
光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径迅速发展起来的一种崭新的传感技术。
在光纤通信系统中,光纤用作远距离传输光波信号的媒质。
入们很快发现,通信质量易受干扰的一个原因是光纤对外界环境因素十分敏感,如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化将引起光波参量,如强度、相位、频率、偏振态等的变化。
这一现象启发人们提出了光纤传感的概念。
如果能测出光波参量的变化,就可以知道导致这些光波参量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小。
另一方面,光纤本身有许多固有优点:
如工作频带宽、动态范围大、适合于遥测遥控、长距离低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、防火、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰、抗辐射性能好、对被测环境影响小等等。
这促使人们在各个领域对光纤传感器进行深入研究,使光纤传感技术获得了飞速发展——在航天、航海、石油化工、电力工业、核工业、医疗器械、科学研究等技术领域都取得了可喜的研究成果。
概括地说,光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制,并对被调制过的光波信号进行解调检测,从而获得待测量值的一种装置。
按照光纤在传感器中所起的作用,光纤传感器一般可分为两大类:
功能型——利用光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件,既感知信息又传输信息（有时又称为传感型光纤传感器或叫做全光纤传感器;非功能——利用其他敏感元件感知待测量的变化,光纤仅作为光的传输介质,传输来自远处或难以接近场所的光信号（有时也称为传光型传感器或叫做混合型传感器。
对功能型光纤传感器来说,核心问题是光纤本身起敏感元件的作用。
一种情况是:
光纤与被测量对象相互作用时,光纤自身的结构参量（尺寸和形状发生变化,光纤的传光特性发生相关变化,光纤中的光波参
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量受到相应控制,即在光纤中传输的光波受到了被测对象的调制,空载波变为调制波,携带了被测对象的信息;另一种情况是:
光纤与被测对象作用时,光纤自身的结构参量并不发生变化,而光纤中传输的光波自身发生了某种变化,携带了待测信息。
对非功能型光纤传感器来说,关键部件是光转换敏感元件。
一种情况是:
光转换元件与待测对象相互作用时,光转换元件自身的性能发生了变化,由光纤送来的光波通过它时,光波参量发生了相关变化,空载波变成了调制波,携带了待测量信息;另一种情况是:
不采用任何光转换元件,仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能,结构十分简单。
从上述讨论可知,无论是功能型光纤传感器,还是非功能型光纤传感器,最终都是利用光波参量的调制来实现待测信息提取的,即光波调制技术。
从光波调制的形式来分类,有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制及颜色调制等。
分布式光纤温度传感技术,就是利用光纤测量沿光纤走向几十公里连续空间的温度场分布情况。
点式温度传感器,只能测试一小部分区域内的温度状态,而某些特定场合（例如空间飞行器、大型结构件等,迫切需要对温度场的空间分布状态进行准确测量和实时监控,此时虽然可以用多个点式温度传感器的阵列进行测试,但其测试过程复杂,且不经济、不准确、不可靠。
分布式光纤温度测量系统为强电磁场、高压大电流、易燃易爆、复杂几何空间等恶劣环境的温度场测量与控制,提供了可行的新手段。
分布式光纤温度传感器利用光纤作为温度信息的传感和传输介质,光纤设在整个温度场中,可以测量光纤沿线的温度分布情况,随着光纤的增长,测量点数的增加,单位信息的获取成本大大降低,这是分布式光纤温度传感器相对于其它温度传感器的显著优点。
1.2分布式光纤温度传感器国内外发展概况及应用前景1.2.1分布式光纤温度传感器国内外发展概况
（1基]ZRayleigh散射、Brillouin散射的分布式光纤温度传感器1881年2
第1章绪论
英国科学家瑞,;FrJ（Raylei曲在对光的散射现象研制的基础上提出光的散射是由介质的密度起伏造成的,Rayleigh散射光的强度与光波波长的四次方成反比,从而解释了天空成蓝色的原因。
初期,物理学家认为光与介质的相互作用不存在能量交换,即入射光波的频率不变,按光子观点而言,光子与介质分子的相互作用是弹性碰撞,在光子与分子相互作用过程中,声子不参与作用。
1922年法国科学家布里渊（Brillouin在研究流体介质中光的散射现象时,他预言由于介质分子的热运动,弹性波的热运动速度产生的多普勒频移,会产生入射光波频率的位移;与此同时,俄国物理学家孟捷利斯塔姆从理论上预言,介质密度的热起伏会产生频移,Rayleigh散射具有精细结构【”。
1930年俄国物理学家格罗斯从实验上证实Rayleigh散射具有精细结构。
之后,对流体和固体介质的Rayleigh散射精细结构谱进行了研究。
激光技术的出现有力地推动TRayleigh散射、Bfillouin散射效应的研究,也出现了新的散射现象,如受激Brillouin散射等;而JlRayleigh散射效应,Brillouin散射效应得到了广泛的应用。
1981年,英国南安普敦大学罗杰斯等人首先提出了利用OTDR原理来实现对空间分布的温度测量12J。
1983年,英国Hartog等A13l演示了第一个使用液体纤芯的光纤分布式温度传感系统。
此系统能在1s内对一个100m光纤取得lnl的空间分辨率和1℃的测温精度。
直至今日,这一指标在所报道的分布式光纤温度传感器系统中仍是相当高的。
但是,这种液芯系统在制作和使用中都十分不便,并且存在测温范围非常有限以及不能保证寿命等问题。
因此随着使用基于其它基理的普通全固光纤传感系统的出现,这种液芯光纤系统己被淘汰。
1985年英mHartog等人在实验室里用氨离子激光器作为光源进行分布式光纤温度传感器的测温实验,同年,Hartog和Payte分别独立地用半导体激光器作为光源,研制了测温用的分布式光纤温度传感器实验装置141,在1km的光纤上实现了l℃的温度分辨率,7.5m的空间分辨率,时间分辨率为180s。
‘
近年来,国外的一些科学家利用测量光纤qbRayleigh散射精细结构谱中的Brillouin散射的频移量作为一种新型的分布光纤传感器原理,研制分布式光纤温度传感器系统。
1989年,Horiguchi[5】和Clllverhollsel6】等人首次分别提出利用Brillottin散射频移特性作为分布式应变和温度传感以来,在世界范围
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内众多研究人员展开了基于Brillouin散射的传感系统的研究,并取得了可喜的成绩。
目前,基于Brillouin散射的温度传感技术主要集中在三个方面:
一是基于Brillouin光时域反射技术的分布式光纤传感技术;二是基于Bfillouin光时域分析技术的分布式光纤传感技术;三是基于Brillouin光频域分析技术的分布式光纤传感技术。
1993年,Kurashimal71等人首先利用相干检测的方法实现了基于Brillouin光时域反射技术的分布式光纤传感对温度的检测,并在11.57km的光纤上获得了空间分辨率为10m,温度分辨率为3℃的实验结果。
不同于相干检测,英国的T.P.Newson[sl等人利用直接检测的方法实现了分布式测量,在最近的研究中,他们在15km的光纤上成功获得了空间分辨率为10m,温度分辨率为4℃的实验结果。
在基于Brillouin光时域分析技术的分布式光纤传感技术研究中,Horiguchil[91等人首先将该类分布式光纤传感技术扩展到分布式温度的研究中去。
在众多研究中,X.Bao[10】等人将基于Brillouin光时域分析技术的分布式光纤传感器系统的性能大大提高,他们采用Brillouin损耗的方式最终实现了长达51km、温度分辨率1℃和空间分辨率5m的传感测量。
在国内,重庆大学、天津大学均有该类系统的理论研究报道,但相关实验方面的报道目前还没有。
有关基于BriUouin光频域分析技术的分布式光纤传感技术的研究中,D.Garustlll等人取得了空间分辨率3nl,温度分辨率5℃的实验结果。
（2基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器1928年印度科学家拉曼（Raman发现,当光子与流体和气体分子相互作用时,在入射光频率的两端会出现新的谱线,这~现象称为并合散射效应,即拉曼散射光谱。
拉曼的发现,证实了1923年GGS斯梅卡尔的理论预言。
拉曼散射效应可以用入射光与散射介质的相互作用、能量转移加以解释,入射光与散射介质发生非弹性碰撞,在相互作用时,入射光可以放出或吸收一个与散射介质分子振动相关的高频声子,称作为Stokes散射或Anti.Stokes散射。
激光器的出现,有力地推动了对拉曼散射的研究,并发现了新的拉曼散射效应,如共振拉曼散射、非线性拉曼散射、超拉曼散射、受激拉曼散射、相干Anti—Stokes散射。
拉曼散射广泛地应用于化学、物理学、生物学和医学等各个学科领
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第1章绪论
域,用以研究和测定分子的结构、对物质成分进行定性和定量分析和测量环境温度。
近年来,一些科学家利用Rayleigh散射精细结构谱的强度与Rayleigh散射的强度比作为一种新型的分布光纤传感器原理,进行了探索。
中国计量学院光电子研究所的张在宣等在近红外波段1550nlll分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的研究实验中,观察到光纤Rayleigh背向散射精细结构的温度效应。
之后,在短波段905nm也发现了光纤Rayleigh背向散射精细结构的温度效应。
1985年,英国的J.EDankin/12】等人首次成功地利用光纤的拉曼散射温度效应和光时域反射原理实现了采用拉曼散射的分布式测温技术以来,在世界范围内众多研究人员展开了基于拉曼散射的传感系统的研究,并取得了可喜的成绩。
目前,基于拉曼散射的温度传感技术主要集中在二个方面:
一是基于拉曼光时域反射技术的分布式光纤传感技术;二是基于拉曼光频域分析技术的分布式光纤传感技术。
在基于拉曼光时域反射技术的分布式光纤传感器系统研究中,80年代末由英国YORK公司研制成功的DTS.1,DTS.2型分布式光纤温度传感器该系统在2km的光纤上实现了空间分辨率7.5m,温度分辨率l℃。
90年代中后期该公司又推出了中短距离的DTS,80型分布式光纤温度传感器。
除英国以外,日本等国也开展了分布式光纤温度传感器的研究。
90年代初,日本藤仓公司研制成DFS.1000分布式光纤温度传感器系引”】,该系统在2km的光纤上实现了空间分辨率3.5rtl,温度分辨率3℃的传感测量。
近年以来,国外将1550nnl光纤激光器、EDFA光纤放大器技术应用于拉曼散射型分布光纤温度传感器系统,取得了较好的结果。
在国内,重庆大学、中国计量学院、浙江大学、北京理工大学、华中科技大学和北京航空航天大学等单位根据应用的需要,先后开展了分布光纤温度传感器的研究,并取得了可喜的成绩。
1991年,重庆大学光电精密机械研究所黄尚廉等研制成功多模拉曼分布式光纤温度传感器系统【141,该系统在lkm的光纤上实现了空间分辨率7i11,温度分辨率3℃的传感测量。
1994年,中国计量学院光电子研究所张在宣等研制成功FGC.W1激光拉曼分布式光纤温度传感器系统II51,该系统测量距离lkm,多模方式工作,空间分辨率10m,温度分辨率2℃。
随后,他们又分别研制成功短、中、远程三套系统,2kmFGC.W2,10kmFGC.W10
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和30kmFGC.W30分布式光纤拉曼光子温度传感器系统【161。
表1.1、表1-2、表l-3分别列出了国内外短、中、远程主要系统的技术特性对比。
由此可见,在该类系统中我国自主研制的系统已经达到国际先进水平。
表I.1国内外2km分布式光纤温度传感器系统的技术特性
Tab.1-1Theperformanceof2Iondistributedopticalfibertemperaturesensorsysteminthehomeandoverseas
光纤长度温度分辨率空间分辨率测量时间工作范围传感器型号
km℃℃FTR030A（BICC20.1190040DTS・80（YORK2l75120-40FGC-W2（CIM2O.I4400.40表l-2国内外10km分布式光纤温度传感器系统的技术特性
Tab.1-2Theperformanceof10kmdistributedopticalfibertemperaturesensorsysteminthehomeandover￥cas
光纤长度温度分辨率空间分辨率测量时间工作范围传感器型号
km℃℃FTRl10AfBICC10Ol260o.30DTS800MR（YORK10I.55600叫0FGC-WIofCIM10.20.14300O-40表l-3国内外30km分布式光纤温度传感器系统的技术特性
Tab.1-3Thepexformaneeof30kmdistributedopticalfibertemperaturesensorsysteminthehomeandoverseaLq
光纤长度温度分辨率空间分辨率测量时间工作范围传感嚣型号
km℃℃FTR300（BICC300.1560010-40DTS900ULR（YORK3028600O-40FGC-W30（CIMl3020l44200-40在基于拉曼光频域分析技术的分布式光纤传感器系统研究中,自1998t刍MostsfaAhagraniFarahani和TorstenGogolla[11提出方案以来,目前众多6
第1章绪论
国内外的科研工作者正在展开研究,国内外均有该类系统的理论研究报道,但相关实验方面的报道目前还没有。
1.2.2分布式光纤温度传感器的应用前景及发展趋势
分布式光纤温度传感器问世以来,主要应用予以下几个方面:
（1各种大、中型变压器、发电机组的温度分布测量、热保护和故障诊断:
（2地下和架空高压电力电缆的热点检测和监控;
（3火力发电所的配管温度、供热系统（暖水、暖气的管道、输油管道的热;
（4医院的ICU,CCU监护病房的温度监测和火灾监测;
（5煤矿、隧道的灾害防治及其报警系统;
（6油库、油罐、危险品仓库、大型仓库和大型轮船的货仓火灾及报警系统;
（7化工原料、照相材料及油料生产过程的在线检测、动态检测;
（8高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等灾害性在线监测、动态检测、防护及报警:
（9作为一种典型的机敏结构（SmartStructrue用于航空、航天飞行器的动态检测和机器人的神经网络系统。
特别值得提出的是文献[18】,把分布式光纤温度传感器埋入材料结构中,组成智能材料结
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