基于FPGA的分布式光纤拉曼测温仪研制

摘要

伴随着我国经济的快速发展，工业和城市化的进程不断加快，为了满足工业和城市现代化的需求，诸如工业厂房、地铁隧道、城市综合管廊及大型楼宇等大型基础工程设施日益增多，火灾安全的防范也备受关注。然而，其空间范围广且环境恶劣，使用传统手段实现其环境温度或火灾的分布式在线检测存在一定困难。因此，亟需一种适用于大范围和复杂环境下的分布式温度在线检测技术。 针对测温空间范围广且环境复杂场所的温度检测，传统的检测技术存在维护成本高、测量范围有限、敏感元件易腐蚀等诸多问题。光纤传感检测技术具有抗电磁干扰、本征安全和耐腐蚀等优点，为长距离、大范围的分布式温度传感检测提供了一种新思路。本文研究以光纤作为温度传感单元及信号传输介质的分布式光纤温度传感检测技术（Distributed Fiber Temperature Sensing Detection Technology，DTS），针对该技术在长距离分布式温度检测方面测量反馈周期长的不足，提出采用 FPGA数据边采集边累加的快速处理方案，缩短DTS长距离温度检测时间，研制一种快速的分布式光纤测温仪，为空间范围广，环境复杂的场合的安防提供一种温度在线实时检测技术，具有易维护、测量范围大、抗电磁干扰、本质安全和耐腐蚀等优势。本文研究工作主要包括以下几个方面： (1) 利用FPGA在高速数据采集、处理和提高系统实时性方面的巨大优势，设计采用了基于FPGA数据采集处理的快速DTS系统总体方案。根据 系统总体方案和课题研究的技术目标，综合分析需求的各个关键模块的参数指标，选择合适的关键器件搭建了实验平台。 (2)研究DTS测温理论和DTS定位理论。分析散射信号的信噪比较低的问题，为了保证系统测量精度的同时获得良好的实时性，提出采用累加平均融合小波降噪的方法来改善探测信号的信噪比，并结合实验验证了该方法的可行性和有效性。 (3)结合DTS系统的功能需求，设计了软件系统的总体结构。根据软件总体结构设计完成了软件的启停控制、散射信号的读取、温度的解调显示与阈值报警、数据的存储与查询等功能。 (4)结合DTS软件系统和硬件系统，完成了DTS系统样机的集成。通过实验对DTS样机各项性能进行了测试，在10km长的测量距离，温度从-25℃到200℃进行了实验，实现了±1℃的测量精度，±2m的定位精度和测量时间为2.031s，在2.6km长的测量距离，测量时间为1.063s。与现有DTS产品相比，测量实时性得到了改善。

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