基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分析研究

基于拉曼散射的分布式光纤测温系统利用光纤作为温度的传导介质,测量沿光纤走向的连续空间的温度场分布.通过高速采集卡采集敷据,并将数据进行去掉噪声干扰和累加的处理,得到准确的温度数据.这种系统的实用性是可以对光纤沿线的温度数据实时和定点监控.通过对拉曼散射所产生的斯托克斯光/反斯托克斯光与温度关系的研究,确定分布式光纤测温系统的温度测量方法,对所采集的信号利用小波变换进行去噪声和微弱信号的处理.     

提高分布式温度传感器测温准确度的降噪方法

为了减小拉曼散射光波长相关损耗、光电探测器附加噪声及散射光中的瑞利噪声对分布式光纤温度传感器测温误差的影响,通过分析分布式光纤温度传感系统的解调原理提出了一种反斯托克斯光降噪方法。将光纤按照环形结构铺设,以每次测量的反斯托克斯光信号中菲涅耳反射峰后的基底噪声平均值作为动态本底噪声,利用两段处于不同温度的光纤消除动态本底噪声后的瑞利噪声。反斯托克斯光降噪解调法从原理上避免了参考斯托克斯光引入的测温误差,消除了本底噪声和瑞利噪声导致的测温误差。实验结果表明,修正的分布式光纤温度传感系统的最大测温误差从5.4℃降低到0.6℃,测温准确度有明显提高。     

面向分布式光纤拉曼测温的新型温度解调方法

为提高分布式光纤拉曼测温系统的测量速度和测量准确度,提出了一种自补偿光纤损耗及光纤色散的温度解调方法,并进行了实验验证。该方法对斯托克斯与反斯托克斯后向散射信号进行了损耗修正,避免了测温前对整条传感光纤进行定标处理的过程,减小了系统的运行时间;采用色散补偿平移算法对斯托克斯后向散射信号的位置进行修正,获得了与反斯托克斯后向散射信号相同位置处的斯托克斯后向散射信号的强度,降低了光纤色散对温度解调的影响,提高了系统的测温准确度。实验结果表明,当光纤传感距离为5.8km时,温度波动由9.01℃下降到0.57℃,测温准确度由5.50℃优化至0.87℃。     

LMS算法在分布式光纤测温系统中的应用

信号采集和数据处理是分布式光纤测温系统的核心,信号中的噪声决定了整个系统的测量精度,空间分辨率,采集速度及最终的请求响应时间。通常系统采集到微弱的温度信息的反斯托克斯信号会被完全淹没在噪声中。因此,得到含有温度信息的有用信号就显得尤为重要。文中针对系统中噪声信号的特征,提出一种变步长的最小均方根自适应滤波算法,对拉曼散射的温度信号进行去噪处理并进行Matlab仿真。仿真结果表明,该算法有效提高了去噪的效果,从而可提升整个系统的测量精度,空间分辨率。     

结合小波变换和经验模态分解的拉曼信号去噪研究

在分布式光纤温度传感器(DTS)的系统分析中,所探测到的含有温度信息的后向拉曼散射信号的强度十分微弱,并且所携带的噪声很大,严重影响了测温精度。针对该系统存在的噪声,提出了将小波变换和经验模态分解(EMD)相结合的方法对拉曼信号进行信号处理。实验结果表明:该方法能够有效地去除系统中的噪声,很好地保留了信号的有用部分,系统的信噪比由原来的5.7dB提高到15dB,系统的平均测温误差也由原来的2.8℃降到0.5℃,从而得到更加精确的温度值。     

基于独立成分分析的拉曼光纤温度传感系统去噪算法研究

针对拉曼光纤温度传感系统中拉曼散射信号被噪声 淹没的问题,利用快速独立成分 分析(ICA)法对单模光纤(SMF)中红外激光产生的拉曼散射信号进行去噪处理,并在拉曼散射 信号前端添加一定幅值和 相位的正弦信号,根据正弦信号处理前后幅值和相位的变化校正拉曼散射信号的幅值和相 位,从而完全 恢复拉曼散射信号。在20km SMF拉曼温度传感仿真系统中,拉曼散 射信号的 信噪比(SNR)由14.90dB提高 到20.99dB,提高了6.09dB。结果表明,本 文方法能有效提高拉曼测温系统 的SNR,是一种针对拉曼光纤温度传感系统有效的去噪算法。     

自动测试及其系统

0320715分布式光纤测温系统温度数据的最佳解调方法[刊]/苏国彬//北京航空航天大学学报.—2003,29(4).—374～376(L)分布式光纤测温系统中喇曼散射光是极其微弱的,由滤光片检测出的斯托克斯光和反斯托克斯光分别经过光电变换以及放大后均淹没在噪声之中。研究     

拉曼型分布式光纤温度传感器的自校准解调

稳定性是拉曼型分布式光纤温度传感器在实际应用中面临的主要问题。拉曼型分布式光纤温度传感器一般使用APD雪崩光电探测器作为主探测器,由于APD探测器的雪崩放大过程容易受到环境温度的影响,使得APD探测器增益随环境温度发生变化,即使采用恒温措施也无法完全消除检测电路增益变化的影响。为了消除检测电路增益变化对拉曼型分布式光纤温度传感器常规解调的不良影响,提出了一种自校准解调技术。通过在测温光纤上选取一段标准光纤,利用铂电阻温度计实时测量标准光纤环的实际温度,并利用标准光纤环所对应的反斯托克斯光和斯托克斯光的光强度比值,及时获取并修正传感器的温度系数,抵消增益波动产生的解调误差,提高传感器的长期稳定性。实验结果表明,自校准解调可以消除检测电路增益增大1.6倍时所产生的解调误差,测温均值误差优于1℃。     

基于分布式光纤传感的合成气管道温度在线监测研究北大核心CSCD

针对现有煤气化工艺中合成气管道温度监测问题,研究基于拉曼散射的分布式光纤测温系统,研制了带不锈钢套管的耐高温传感光纤,模拟合成气管道周围温度分布,在合成气管道现场铺设434.6 m的分布式耐高温光纤进行实验研究。实验结果表明:基于拉曼散射的分布式光纤测温系统测温范围为0~350℃,测温误差为±2℃,空间分辨率0.5 m,系统能够完成对煤气化合成气管道温度的在线监测,同时可以对温度异常点进行空间定位。     

基于分布式光纤测温的水管泄漏检测与定位

利用基于拉曼散射和光时域反射技术相结合的分布式光纤测温系统,对自来水管道进行泄漏检测和定位实验研究。分析了系统的温度分辨率和水管道泄漏时泄漏点处的温差情况。选取长200 m和700 m的传感光纤对水管道进行泄漏定位实验,并对检测信号进行小波变换分析处理,最后统计对比了检测系统的漏警率。实验结果表明,该系统运行稳定且能够准确识别管道泄漏情况并进行泄漏定位,定位误差≤1 m。     

小波分析在恶劣环境光纤传感中的应用(英文)

光纤光栅是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息的,是一种波长调制型光纤传感器。现代光纤传感系统的应用领域要求光纤传感器能适用于各种极端恶劣复杂环境,并在恶劣环境中实现高精度高灵敏度的检测。现有很多方法可用于光纤光栅的波长检测,但这些方法的精度都受限于不同的光噪声。如果光纤光栅检测系统的光源采用激光光源,信号功率可大大增强,但多余反射会产生有害干扰信号,限制光栅的波长解调精度。论文采用理论仿真和实验验证的方式将小波分析用于恶劣环境中的光纤传感信号的去噪。仿真和实验结果表明,小波分析处理方法可有效降低系统检测误差,提高测量精度和系统信噪比,满足恶劣环境中光纤传感检测的性能要求。     

分布式光纤温度传感器的温度测量与信号处理方法及实现

分布式光纤温度传感器利用一根光纤为温度信息的传感和传导介质，可以测量沿光纤长度上的温度变化。这种传感器的信号处理是将探测器输出信号尽可能地去除噪声和干扰，得到准确快速的温度显示和温度数据，这在解决大型重要结构的实时监控、准确测量等问题以及在组成智能材料结构方面具有重要价值和应用潜力。文章对基于反斯托克斯／斯托克斯比值的分布光纤温度传感器的温度测量方法和信号处理方法进行了全面而深入的研究，据此建立了传感器的信号处理系统。     

基于保偏光纤环镜的光纤光栅传感解调

研究了基于保偏光纤的光纤环镜结构并建立理论模型,分析各参数之间的关系,设计并搭建了基于偏振干涉的保偏光纤环镜传感解调系统.以LabVIEW作为软件平台,依据理论模型,开发了光纤光栅传感嚣解调控制系统,不仅实现了对解调系统的远程控制、数据采集、图形化显示及数据存储,节省了成本,还能直接获得待测参量值.采用可调谐激光器模拟光纤光栅反射波长的变化,实验证明了该解调方案的可行性和正确性.温度传感检测实验表明,该系统对温度的测量平均精度可达0.03℃,准确度为±0.01℃.

Abstract：

The loop mirror structure based on the polarization-maintaining fiber was investigated, the corresponding theoretical model was established, and the relations of these parameters are also analyzed. The sensor demodulation system of the polarization-maintaining fiber loop mirror based on polarization interference was designed and established. Using LabVIEW as the software platform, the demodulation control system for the fiber grating sensor was developed based on the theoretical model, realizing the remote control of the demodulation system, diagrammatic display and data acquisition and storage. With this scheme, the cost is reduced and the measured parameters can be directly obtained. The fluctuation of the reflection wavelengths of the fiber grating was simulated with the tunable laser, and the feasibility and validity of this scheme were confirmed by experiments. Detection experiments with temperature sensors show that the average temperature measuring precision can be up to 0.03 ℃ and the accuracy is ±0.1 ℃.     

Performance Analysis of Temperature and Strain Simultaneous Measurement System Based on Heterodyne Detection of Brillouin Scattering

Microwave heterodyne detection can be used to measure the temperature and strain distribution along a fiber with high accuracy in a Brillouin optical time domain reflectometry （BOTDR） system. This method involves simultaneous measurement of Brillouin scattering and Rayleigh scattering in fiber, and scanning of Brillouin spectrum to obtain the desired information. This paper presents a simultaneous measurement system of temperature and strain based on microwave detection and analyzed the system performances such as measurement accuracy, dynamic range, and spatial resolution theoretically. The analysis shows that the system can achieve a temperature resolution of 1°C and a strain resolution of 100 μs.     

基于数据融合的倾斜光纤光栅温度测量

为使倾斜光纤光栅所测量的温度测量值更准确地反映温度情况,提出了利用倾斜光纤光栅的不同模式作为温度测量的多个温度传感器,并在此测量数据的基础上采用多传感器数据融合的方法提高测量数据精度,得到更准确的温度信息.这种方法获得比有限个传感器的算术平均值更准确的测量结果,具有较高的可靠性,可推广到其他具有正态分布特性测量结果的多传感器测量系统.     

Novel spatial spread spectrum based fiber optic CDMA networks forimage transmission

Novel code division multiple access (CDMA) fiber optic networks based on spatial frequency spread spectrum for image transmissions are proposed. Two key technologies are the parallel fiber optic transmission of spatially encoded images and parallel access to image data through optical spatial encoding and decoding. The temporal signature sequences used in conventional time-domain CDMA are replaced by two-dimensional (2-D) signature patterns to encode and decode binary image pixels. This enables the fully parallel access and transmission of images. The fundamental rules and methodology to construct optical orthogonal signature patterns (OOSP) are presented. Furthermore, it is shown that the all-optical implementation of the proposed system is feasible by utilizing optically addressable spatial light modulators in both the spatial encoder and the decoder along with multicore fibers as the parallel image transmission medium. The predicted overall throughput can reach 10 Tb/s     

光纤阵列编码成像激光雷达系统

提出了一种基于光纤阵列的编码成像激光雷达,该系统采用光纤阵列代替传统成像激光雷达中的多像元光电探测器阵列。该设计通过编码、合波形探测、解码使用少探测器实现高分辨率成像,避免了高像素光电探测器阵列的研制难题。同时,对系统解码信号进行了进一步的去噪算法,仿真结果表明在低信噪比条件下小波去噪算法可以获得比较好的成像效果。     

光纤传感空分复用下多点温度与应力的监测显示

多参量多点实时监测显示是传感研究领域的一项重要技术。以光纤Fabry-Perot（F-P）腔与光纤Bragg光栅（FBG）传感器的串联复用结构为单元构建空分复用（SDM）系统,设计了温度、应力多点实时显示的方案。由FPGA构建的SOPC与NiosII完成对多监测点的数据采集,由VB串口通信接收FPGA存储器存储的采集数据,再把此数据由高斯曲线拟合方程处理得到温度和应力的参数值,最后用VB实现监测显示。结果表明F-P腔与FBG串联能有效克服温度与应力的交叉敏感,FPGA结合VB能很方便的实现多参量多点的实时监测显示。     

Design of distributed Raman temperature sensing system based on single-mode optical fiber

The distributed optical fiber temperature sensor system based on Raman scattering has developed rapidly since it was invented in 1970s. The optical wavelengths used in most of the distributed temperature optical fiber sensor system based on the Raman scattering are around from 840 to 1330 nm, and the system operates with multimode optical fibers. However, this wavelength range is not suitable for long-distance transmission due to the high attenuation and dispersion of the transmission optical fiber. A novel distributed optical fiber Raman temperature sensor system based on standard single-mode optical fiber is proposed. The system employs the wavelength of 1550 nm as the probe light and the standard communication optical fiber as the sensing medium to increase the sensing distance. This system mainly includes three modules: the probe light transmitting module, the light magnifying and transmission module, and the signal acquisition module.