基于背向布里渊散射分布式光纤传感系统的数据采集与处理

摘要

基于布里渊背向散射的光纤传感技术由于能够在长距离范围内较为准确地测量光纤沿线的温度和应力等环境参数变化，并且具有抗电磁干扰、耐腐蚀、适应恶劣环境等优点，在国防和民用的环境安全监测中得到越来越多的应用。目前关于布里渊分布式光纤传感器的理论的基本架构已经较为成熟，后续工作大多是在信号的采集和处理方法方向上做研究，如何从光纤中提取微弱的布里渊传感信号并得到较高质量的光纤传感信息是很重要的。
　　本文针对 BOTDR系统中传感光纤中反射回来的背向布里渊光信号的特点，从光纤中布里渊实现传感的基本原理出发，推导了布里渊频移分布关于温度和应力变化的线性函数关系式，并详细介绍了提取检测光纤中微弱信号的方法和数字信号叠加平均处理技术。设计利用微波射频源对参考光进行移频，采用光相干外差检测的方法设计BOTDR系统，以降低信号频率，从光纤中的瑞利散射信号分离出布里渊散射信号。采用Altera公司的NiosⅡ软核处理器作为数字信号处理CPU，使用C语言编写FPGA片上处理软件，FPGA控制数字信号采集和滤波去噪，通过 FPGA控制信号传输给计算机客户端软件进行进一步数据处理分析。利用MATLAB软件编写数据接收和处理上位机，并用控件设计用户操作界面，使用相关工具打包生成可移植的可执行文件，供客户控制系统数据采集处理工作和获取光纤中各种频率分布和温度分布曲线。
　　采用本文设计的基于布里渊散射传感系统和数据采集处理模块，实现了30千米范围的温度监控，并给出了实验测量数据和分析处理的结果。系统的工作较为安全稳定，并且各种工作性能指标达到了项目预期设计要求。

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1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文研究的主要内容

2 分布式布里渊光纤传感系统相关原理

2.1 应用于光纤中温度和应力传感的布里渊散射基本理论

2.2 微弱信号检测和处理原理

2.3 本章小结

3 分布式布里渊传感系统的分析与设计

3.1 布里渊分布式光纤传感系统总体方案

3.2 信号检测的相关设计

3.3 数据采集系统及数据处理

3.4 基于FPGA网口传输数据的方案

3.5 本章小结

4 系统功能测试实验和结果分析

4.1 用户软件控制功能测试

4.2 数据采集系统功能测试

4.3 温度传感测试及结果分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录· 攻读硕士期间论文发表及参加科研情况