基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器研究

摘要

分布式光纤温度传感技术是利用后向反射的拉曼散射光对光纤所在的温度场进行测量的技术，分布式光纤温度传感具有体积小、抗干扰、精度好等特点，广泛应用于医疗、工业、国防等诸多领域。本文对分布式光纤温度传感器进行了整体设计和系统研制，主要研究工作内容如下:
　　(1)对拉曼散射中的单通道解调算法和双通道解调算法进行了深入的比较研究，分析了这两种算法的各自优缺点。进一步采用双通道解调算法进行了系统设计，并开展了相关数据的采样实验。
　　(2)开展了分布式光纤温度传感器中的处理器、AD等关键器件的设计选型研究。设计的分布式光纤温度传感系统的处理器采用了FPGA+DSP+ARM的模式，一方面，传统的PC+FPGA的模式具有模块简单、开发容易的特点，但是也使得整个系统的功耗和体积变得比较大;另一方面，FPGA+DSP+ARM的模式能够充分利用各个处理器的优势:FPGA具有硬件可编程的特性，适合做高速逻辑运算，DSP适合数学运算，而ARM适合做接口设计，这样整个系统达到了耗能低、速度快、体积小的特点。另外，AD元件采用了单通道分时复用的工作方式，降低了整个系统的设计成本。
　　(3)完成分布式光纤温度传感器系统中一种新型高速PCB的设计。具体工作包括:模拟电路的设计、AD电路的设计、PCB的整体布局等。设计工作中充分考虑了采样过程中的模拟信号、高速信号等关键信号的完整性，为后续拉曼信号的采集提供了很好的保障。
　　(4)开展了分布式光纤温度传感器的软件设计研究。一方面，在FPGA平台上，使用Verilog设计了一种高速累加器，提高了拉曼信号的信噪比;另一方面，在DSP平台上，完成了Sys/bios下温度解调算法的实现及DSP与FPGA的同步控制;另外，在ARM平台上，充分利用嵌入式领域相关成熟的技术，开展了SQL数据库的设计、QT下人机交互界面的设计和基于Syslink双核通信的设计。

目录

声明

摘要

1．1 光纤温度传感器简介

1．2 几种光纤温度传感器的原理及研究现状

1．2．1 光纤温度传感器的分类及研究现状

1．2．2 分布式光纤温度传感器的分类及研究现状

1．3 光纤温度传感器的应用

1．4 研究目的及研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

第2章 分布式光纤温度传感技术的测温原理

2．1 引言

2．2 拉曼散射的温敏机理

2．2．1 拉曼散射原理

2．2．2 拉曼散射的温敏关系

2．3 分布式光纤温度传感系统的主要参数及技术指标

2．3．1 温度分辨率

2．3．2 空间分辨率

2．3．3 测量精度

2．3．4 测量时间

2．3．5 动态范围

2．5 本章小结

第3章 分布式光纤温度传感器的设计开发

3．1 引言

3．2 分布式光纤温度传感器的整体设计

3．3 分布式光纤温度传感器的硬件设计

3．3．1 采集和处理模块设计

3．3．2 激光器控制器模块设计

3．3．3 高速PCB设计

3．4 分布式光纤温度传感器的软件设计

3．4．1 软件总体设计

3．4．2 数据存储

3．4．3 显示界面

3．4．4 通讯协议

3．4．5 激光器控制

3．7 本章小结

第4章 分布式光纤温度传感器的信号处理

4．1 引言

4．2 常用算法

4．2．1 取样积分法

4．2．2 小波去噪法

4．2．3 格雷互补码法

4．3 线性累加算法的实现

4．3．1 硬件平台设计

4．3．2 算法实现

4．4 本章小结

第5章 分布式光纤温度传感器测量分析

5．1 常用解调算法

5．1．1 单通道解调算法

5．1．2 双通道解调算法

5．2 分布式光纤温度传感器实验

5．2．1 定标区位置选择

5．2．2 采样结果分析

5．3 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢