拉曼分布式光纤温度传感器研究及其空间分辨率的提高

摘要

分布式光纤温度传感技术是近年来传感测量领域的热门课题之一,该文研究的课题属于光纤传感测量领域.在许多特定的环境场合下,要求同时监测大量位置甚至是沿着长距离位置连续变化的温度量,此时传统的点式温度传感器无法有效地实现传感测量,而分布式光纤温度传感技术则恰好提供了可行的新手段.该文在分析和研究拉曼分布式光纤温度传感器测量原理的基础上,以系统的主要技术指标要求和信号光功率的大小为基准,完成了拉曼分布式光纤温度传感器系统的结构设计,并在此基础上成功地开发出了一套实验系统,从而顺利地完成了现阶段的温度传感实验任务.在该系统中,通过采用新的温度信号解调方法,使系统的信噪比获得提高的同时,还提高了系统的测温灵敏度.系统的主要技术指标是进行系统结构设计的基准,该文在对系统主要技术指标深入分析的基础上,得出了系统结构设计上必须注意的问题及解决方案.空间分辨率描述了传感系统分布式测量的程度,好的分布式光纤传感器必然要求高的空间分辨率.而高空间分辨率与信号光功率又是一对明显的矛盾,因此至今所报道的该类系统中,空间分辨率最高只能达到2m,而这一指标在许多场合并不能满足要求.因此,该文的研究重点便是提高系统的空间分辨率的方法与实现.深入分析的结果表明,系统空间分辨率虽然是由三个时间常数确定,然而真正决定系统空间分辨率高低的是信号光功率的大小.要想提高系统的空间分辨率,就必须以牺牲信号光功率为代价,同时光探测器的响应时间和A/D采样卡的采样速率也必须满足一定的条件.改善信噪比是提高系统空间分辨率最根本的办法.该系统通过采用高隔离度光滤波器使背景光噪声得到最大程度的抑制,同时采用低噪声前放和三级低噪声主放大电路使放大电路的噪声也得到最大程度的减小,从而大大改善了系统的信噪比.另一方面,系统中通过软硬件结合的方法,大大提高了系统的工作稳定性,保证了系统工作的可靠性.现有系统采用输出脉冲功率180mW的激光器和PIN光电二极管,在此基础上在5km的传感光纤上实现了空间分辨率10m的温度传感测量.这一实验结果离1m的空间分辨率目标还有一定距离,但通过采用EDFA光纤放大器进行功率提升和高灵敏度APD光电二极管进行光探测后,一定能使实验结果更加完善.目前,新的实验系统正在构建中,即将开展下一阶段的研究工作.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1引言

1.2分布式光纤温度传感器的国内外研究发展概况及应用前景

1.2.1分布式光纤温度传感器的国内外研究发展概况

1.2.2分布式光纤温度传感器的应用前景及发展趋势

1.3本文研究的主要内容

第2章拉曼分布式光纤温度传感器的基本原理

2.1分布式光纤温度传感器的比较及系统总体方案的选定

2.2光纤中的拉曼散射理论

2.3拉曼分布式光纤温度传感器的测量原理

2.3.1光时域反射(OTDR)技术

2.3.2光纤中自发拉曼散射的温度效应

2.3.3拉曼分布式光纤温度传感器的温度信号解调方法

2.3.4拉曼分布式光纤温度传感器的温度测量定标方法

2.4本章小结

第3章拉曼分布式光纤温度传感器的系统结构设计

3.1系统主要技术指标分析

3.2系统的总体构架

3.2.1系统工作原理图

3.2.2信号光功率的估算

3.3拉曼分布式光纤温度传感器各子系统的研究与设计

3.3.1光纤温度场采集子系统

3.3.2光电探测子系统

3.3.3数据采集与信号处理子系统

3.4本章小结

第4章系统空间分辨率的提高

4.1拉曼分布式光纤温度传感器的系统空间分辨率

4.1.1系统空间分辨率的确定[20]

4.1.2系统空间分辨率在系统设计中的指导意义

4.2入射光脉冲的展宽对系统空间分辨率的影响

4.3提高系统空间分辨率的方法与实现

4.4本章小结

第5章拉曼分布式光纤温度传感器的性能分析

5.1系统信噪比特性分析

5.1.1系统信噪比分析

5.1.2改善系统信噪比的方法与实现

5.2系统工作稳定性分析

5.2.1影响系统稳定性的因素

5.2.2提高系统稳定性的方法

5.3本章小结

第6章实验结果与分析

6.1温度传感实验

6.2实验结果分析

结论

参考文献

攻读硕士学位期间主要从事的研究工作

致谢

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