基于拉曼散射的分布式光纤测温系统设计及优化

摘要

近年来，由于光纤技术的飞速发展，分布式光纤传感器成为一个研究热点。在此系统中，光纤既作为传输介质进行长距离信息传输，又作为传感介质，通过检测光纤中传输的光波信号的特征参量变化，实现对温度、应力、湿度等参数的测量。其中，基于拉曼散射的分布式光纤测温系统是集光、机、电、计算机、弱信号检测为一体的高科技产品，通过对传感光纤的一次信息采集即可获得上万个点的温度信息，测量距离可达数百公里。此外，该系统的传感介质为光纤，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高压、绝缘性好的特点，所以非常适合于易燃易爆、高压高温等危险区域。
　　 本文主要完成了分布式光纤拉曼测温系统的整体设计及温度实验，并做了相关的理论分析及优化，主要内容及创新点如下:
　　 1.从经典电磁学理论和量子学理论阐述了拉曼散射的原理，分析了拉曼散射的温度解调原理，着重介绍了对定标区和参考温度的选择;
　　 2.确定系统结构方案，介绍了系统器件的主要功能及指标参数，还介绍了系统的各项性能指标如空间分辨率、测温精度等的定义和影响因素，重点分析了提高信噪比的措施，包括累加平均算法、小波变换处理方法及目前较为热门的Simplex编码方法，从理论上分析了各种算法对信噪比的改善效果;
　　 3.搭建实验系统进行相关温度测试实验，详细分析了数据处理过程及实验结果，获得了测温精度±1℃，空间分辨率3m，测温距离6Km的系统指标，满足一般生产应用的需求;
　　 4.提出了一种基于双参考点的温度解调方法，通过该方法可计算出测量信号中的直流偏置量，测量精度可满足一般实用性要求。此外，提出了一种消除波长色散影响的自修正算法，理论模拟结果表明该算法可对光纤所有测量点的位置误差进行修正和补偿，消除了色散对温度精度的影响，方便简单，有效提高了温度测量精度。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 分布式光纤测温系统发展及应用

1．2．1 分布式光纤测温系统国外发展现状

1．2．2 分布式光纤测温系统国内发展现状

1．3 论文主要研究内容

第2章 分布式光纤测温系统的理论基础

2．1 引言

2．2 拉曼散射

2．2．1 拉曼散射的经典电磁理论

2．2．2 拉曼散射的量子理论

2．2．3 拉曼散射的测温原理

2．3 温度标定

2．3．1 定标区选择

2．3．2 参考温度选择

2．4 光时域反射原理

2．5 本章小结

第3章 分布式光纤拉曼测温系统的设计与信噪比分析

3．1 引言

3．2 分布式光纤拉曼测温系统的设计

3．2．1 系统结构

3．2．2 系统器件选择

3．2．3 温度控制系统设计

3．3 主要技术指标

3．4 系统信噪比改善方法

3．4．1 累加平均算法

3．4．2 小波变换算法

3．4．3 Simplex编码

3．5 本章小结

第4章 分布式光纤拉曼测温系统的实验

4．1 实验装置

4．2 实验准备

4．2．1 温控实验

4．2．2 采集卡校准

4．3 温度测试实验

4．3．1 衰减补偿

4．3．2 温度解调

4．4 本章小结

第5章 分布式光纤拉曼测温系统的优化

5．1 引言

5．2 双参考点解调方法

5．3 色散的影响及补偿

5．3．1 色散的影响

5．3．2 色散补偿

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所获成果