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基于拉曼散射的分布式光纤测温系统设计及优化


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硕士学位论文

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作者姓名

基于拉曼敢射钓分布式光钎删湿孬、钪姑舭化

至堡查!
芜望墨蕉

学院名称篮盘独当』蕉望匦
专业名称 指导教师
合作 导 师

聋呈数.虽

沙B年岁月冽日

原创性声明
本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。

论文作者签名:至兰堑望三!



期:迎!丕:壶!幽

关于学位论文使用授权的声明
本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 (保密论文在解密后应遵守此规定)

论文作者签名:量堡查,导师签名:垄车



期:狸!主!主:幽

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要……………………………………………………………………………………….I

ABSTRACT……….………………….……………………….………………………………………………..II

第1章绪论……………………………………………………………………………….1
1.1课题背景和意义……………………………………………………………………1 1.2分布式光纤测温系统发展及应用…………………………………………………2 1.2.1分布式光纤测温系统国外发展现状…………………………………………..2 1.2.2分布式光纤测温系统国内发展现状…………………………………………一4 1.3论文主要研究内容…………………………………………………………………5

第2章分布式光纤测温系统的理论基础……………………………………………….7
2.1引言…………………………………………………………………………………7 2.2拉曼散射……………………………………………………………………………8 2.2.1拉曼散射的经典电磁理论……………………………………………………一8 2.2.2拉曼散射的量子理论…………………………………………………………一9 2.2.3拉曼散射的测温原理………………………………,………………………一10 2.3温度标定…………………………………………………………………………一14 2.3.1定标区选择……………………………………………………………………15 2.3.2参考温度选择…………………………………………………………………15 2.4光时域反射原理…………………………………………………………………..1 8 2.5本章小结…………………………………………………………………………..19

第3章分布式光纤拉曼测温系统的设计与信噪比分析………………………………20
3.1引言………………………………………………………………………………..20 3.2分布式光纤拉曼测温系统的设计………………………………………………..2l 3.2.1系统结构………………………………………………………………………21 3.2.2系统器件选择…………………………………………………………………22 3.2.3温度控制系统设计……………………………………………………………24 3.3主要技术指标……………………………………………………………………..26

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3.4系统信噪比改善方法……………………………………………………………..29

3.4.1累加平均算法…………………………………………………………………29
3.4.2小波变换算法…………………………………………………………………30
3.4.3

Simplex编码…………………………………………………………………。32

3.5本章小结……………………………………………………………………………37

第4章分布式光纤拉曼测温系统的实验…………………………………………………38 4.1实验装置…………………………………………………………………………..38 4.2实验准备…………………………………………………………………………..40
4.2.1温控实验………………………………………………………………………40 4.2.2采集卡校准……………………………………………………………………42

4.3温度测试实验……………………………………………………………………..43
4.3.1衰减补偿………………………………………………………………………43 4.3.2温度解调………………………………………………………………………45 4.4本章小结…………………………………………………………………………一48

第5章分布式光纤拉曼测温系统的优化……………………………………………49
5.1引言…………………………………………………………………………………………………………..49 5.2双参考点解调方法………………………………………………………………一49

5.3色散的影响及补偿………………………………………………………………..52
5.3.1色散的影响……………………………………………………………………54 5.3.2色散补偿………………………………………………………………………55 5.4本章小结…………………………………………………………………………..58

总结与展望…………………………………………………………………………………59 参考文献……………………………………………………………………………………61 致 谢……….
67

攻读硕士学位期间所获成果……………………………………………………………68

CONTENTS

Abstract in Chinese……………………………………………………………………………………………I Abstract in English……………………………………………………………………………………………Ⅱ 1 Introduction……………………………………………………………………………………………………1 1.1

Back舒。und…………………………………………………………………………??1

1.2 Development and application…………………………………………………………………………??2 1.2.1 Extemal

development……………………………………………………………2 development………………………………………………………………?4 coments………………………………………………………………5
■■

1.2.2 Domestic 1.3 Main research

seusor………………………………7 2 The theory of Raman distributed fiber temperature

2.1‰duction…………………………………………………………………………………………………??7
2.2妇nan scattering……………………………………………………………………?8
2.2.1 E1ectromagnetic theory ofRaman 2.2.2

scattering……………………………………8

Q1lantlⅡn theory

of Raman

scartering……………………………………………9

2.2.3 Theo拶oftemperature 2.3 Temperature

measurement………………………………………………………?10
4 5 5

calibration……………………………………………………………?1

2.3.1 Calibration area………………………………………………………………………………………1 2.3.2 Ref.erence temperature……………………………………………………………………………?1 2.4 OTDR………………………………………………………………………………………………………??1



2.5 Conclusions…………………………………………………………………………………………………19 3 Design of Raman distributed temperature
sensor

and

a的lysis。f

SNR.…………20

3.1 In臼oduction…………………………………………………………………………………………………20
sellsor………………………………………上1 3.2 Design of Raman distributed fiber temperature

3.2.1 SyStem design………………………………………………………………………………………一21 3.2.2 Svstem devices………………………………………………………………………………………?22 3.2.3 DesigIl oftemperature control

system…………………………………24

3.3 PerfonnaIlce indices……………………………………………………………………………………??26

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3.4 Methods ofimproving SNR…………………………………………………………………………..29 3.4.1 Cumulative average method……………………………………………………………………..29 3.4.2

Wavelet

transformation method………………………………………………………………..30

3.4.3 Simplex Coded method….………………………………….…….…...…….。…………….……32 3.5 Conclusions…………………………………………………………………………………………………37 4 Experiments of Raman distributed fiber temperature
sensor

system………………?38

4.1 Experimental setup……………………………………………………………………………………….38 4.2 Experimental preparation……………………….……………………………………………………..40 4.2.1 Experiments oftemperature control system………………………………….…………….40 4.2.2 Calibration ofdata acquisition card………………………………………..…………….…..42 4.3 Experiments oftemperature tests…………………………………………………………………...43 4.3.1 Compensation offiber attenuation…………………………………………………………….43 4.3.2 Temperature demodulating……………………………………………………….………………45 4.4 Conclusions…………………………………………………………………………………………………48 5 The optimization of Raman distributed fiber temperature
sensor

system…………49

5.1 Introduction…………………………………………………………………………………………………49 5.2 Dual.points demodulating method………………………………………………………………….49 5.3 The compensation ofwavelength dispersion…………………………………………………….52 5.3.1 Effects ofwavelength dispersion………….………………………………………..…………54 5.3.2 Compensation ofwavelength dispersion……………………………………………………55 5.4 Conclusions…………………………………………………………………………………………………58

Summary and Outlook………………….…………………………………………………………………?59
Referen‘!es………………………………………………………………………………………………………..61 Acknowledgement……………….. ………………67

Academic achievements……………………………………………………………………………………68

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搐要
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,
获得了测温精度士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。

关键词:光纤传感器;拉曼散射;温度解调;

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ABSTRACT

Distributed fiber

sensors

have attracted

much attention for decades with the

development and maturity of fiber technology.In these systems,fiber plays the role of

transmission channel and sensing medium.The environmental information such temperature,strain,humidity could be
detected by demodulating the

as

change

of

characteristic parameters of light.Speciall5 the

Raman

distributed temperature

sensor

(RDTS)system
electronics

is



kind of high—tech product,which combined optics,mechanics, signal detection

and

weak

technology.It

could obtain

the temperature

information
immunity

of thousands of points along the entire fiber

simultaneously.Owing to
of handling

their

to

electromagnetic interference,the capability
in hazardous conditions,RDTS fields,such

much higher successful
monitoring,

bandwidth,safety
implementation in

system

has

found
cable

various

application

as

power

leakage-detection of oil pipelines In this thesis,the

and health
system

monitoring of

dam.
scattering

RDTS

based

on

Raman

and
the

optical relative

time—domain

reflectometry(OTDR)technique

Was

designed,and

temperature

tests were

completed.Moreover,some theoretical analysis and optimization
contents

measures were proposed.The main

and

innovation are as follows:

1.The Raman

scattering theory Was analyzed from traditional influence factors
on

electromagnetic theory

and quantum theory.And the
temperature were simulated.

the calibrating area and reference

2.The

experiment system

design Was determined

and technical characteristics of each

device were introduced.Some methods were presented to improve the noise

signal

to

ratio(SNR),including

cumulative average method,wavelet

transformation

method,and Simplex

coded method.The simulation results indicated the Simplex

code Was obviously more effective than averaging method in reducing noise level. 3.Experiments about temperature measurements were

completed.The

temperature

accuracy was士1℃and the spatial resolution Was 3 m.which could satisfy the

II

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demands of common application.
4.A dual?points

temperature demodulating method was proposed

to

estimate the

channels amplifications and system DC

offsets.Moreover,a simple correction
the

algorithm
wavelength

Was

proposed

to

compensate

fiber

position
results

error

caused

by

dispersion.Temperature

simulation

validated

that

the

temperature distortion was corrected and the temperature accuracy was effectively improved.

Keywords:optical fiber

sensor;Raman scattering;temperature demodulation

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第1章绪论

1.1课怠背景和意义
在现代化的今天,实现有效、精确、安全的温度监测对人们的日常生活以及 工业生产等都具有重要的作用,例如长距离铺设的电力电缆由于长期处于高压高 电流环境易引起温度上升而导致火灾,地铁站、高速公路等由于温度监测不力而 发生严重的火灾事故,会给人民的生命财产安全带来很大威胁。因此,我们需要 采用安全有效的温度测量技术对人们所处的上述特殊环境进行温度监测,一旦发 现温度异常情况便可发出警报,避免严重火灾事故的发生,保障人们的生命财产
安全。

传统的温度传感器一般都是基于电信号工作,如热电偶将温度信号转换为热 电动势信号,热电阻将温度的变化反映在自身阻值的变化上,这类温度传感器技 术发展已经非常成熟,具有结构简单、灵敏度高、成本低等优点,在民用、工用、
军用等领域得到广泛应用。但是该类传感器只能在一些传统场合应用,无法满足

一些强电磁干扰、易燃易爆场合的应用需求‘1】,[21,所以开发新型温度传感器及特殊
的实用测量技术是目前各国科研人员及技术人员的研究热点。 光纤是利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射现象进行光的传输,在20

世纪70年代初贝尔实验室发明了低损耗光纤(损耗降低至1。ldB/Km)后,光纤 开始在通信领域崭露头角,并在长距离信息传输方面表现出了自身独特的优势,
成为现代通信的主要支柱之~。此外光纤不仅可以作为传输媒介进行信号传输, 也可以作为传感介质实现对各种物理量的探测。当光波在光纤中传播时,表征光 波的特征参量(如振幅、频率、相位、偏振态、波长等)会受到外界因素(如温 度、压力、电场、位移、磁场等)的作用而直接或间接地发生变化IlJ,通过光电探 测器、干涉仪等信号解调系统可获得待测变量信息。其中应用较为广泛的为光纤 温度传感器,可分为点式和分布式两类,顾名思义,点式温度传感器仅能测量单 个具体位置点的温度信息,目前主要有吸收型温度传感器、荧光衰减型光纤温度

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传感器、光纤光栅温度传感器等,相比于分布式温度传感器,点式温度传感器在 技术上实现起来较为简单,灵敏度也较高,但是在测量大范围区域的温度时,需 要铺设大量的点式温度传感器,一方面限制了生产实际应用,另一方面也提高了 生产成本。而分布式光纤温度传感器是在测温区域如井矿、高速公路、堤坝等处 铺设测温光缆,利用光时域反射原理结合某种散射光的温度效应实现对整条光缆
的温度测量,测量距离可达上百公里。目前主要有分布式光纤拉曼测温系统和分 布式布里渊测温系统,分别基于光纤中的拉曼散射和布里渊散射效应,具有高空

间分辨率、高精度、长距离监测等优势,已经在石油化工、核电站、桥梁隧道等 领域获得了较大的应用空间。除了一般光纤传感器所具有的抗电磁干扰、本征安
全、防雷防爆等优势,分布式光纤测温系统还具有以下优点:

(1)测温范围广,实现分布式温度监测
分布式光纤测温系统完成一次测量即可获取整条光缆上成千上万个测量点的

温度信息,真正实现分布式监测,具有较强的实时性,监测距离可达上百公里。
(2)体积小,易于安装,外形可变13J

光纤体积小、重量轻,而且在保证光纤衰减在可接受的范围内可以缠绕成各
种形状,置于某些特殊待测区域,适合在狭窄空间使用。

(3)结构简单,性价比高 系统结构简单,使用较为方便,只需将光缆铺设于待测区域,便可获取该区 域的温度信息,与点式温度传感器相比,具有更高的性价比。

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 20世纪70年代,随着光纤通信技术的迅速发展,光纤传感技术逐渐发展为研
究热点,成为21世纪传感技术的一个重要领域。尤其是分布式光纤传感技术具有 精度高、能够实现长距离分布式监测、性价比高等优势,成为近年来的研究热点, 逐渐发展为传统电子传感技术的替代技术。1983年英国Hartog等人设计完成了第 一个光纤分布式测温系统,该系统采用液体光纤,在100m的光纤长度上实现了 1m的空间分辨率和1℃的测温精度14J,随后,又采用半导体激光器进行相关实验,

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对1Km光纤实现了空间分辨率7.5m,温度分辨率1℃的技术指标【5j。1985年,英 国的J.P.Darkin首次完成了基于拉曼散射温度效应和OTDR原理的传感系统的实 验测量,该系统采用石英光纤,选择半导体激光器作为光源,测量距离1Km,空
间分辨率为3m,温度精度优于10。C[6|,虽然当时技术指标并未非常理想,但是分

布式光纤拉曼测温系统以其独特的实用优势得到了较快发展。在1986年,英国York 公司首次推出分布式温度传感器商品系统,在许多场合获得成功运用,将分布式
光纤拉曼温度传感器推向商品化、产业化,其首批分布式光纤拉曼测温系统的空 间分辨率为7.5m,温度分辨率为4"C。1990年,Paton等人研制出0.5Km多模分 布式光纤拉曼温度传感器,工作波长为337nm,空间分辨率为0.5m。1992年,日

本Ryozo等人研制出7km多模拉曼测温系统,空间分辨率3m,测温精度1℃。1996 年,日本东京大学Jansen等人将研制成功的分布式光纤拉曼测温系统应用在核工 厂冷冻回路的温度监测中【7】。 近十年来,随着光纤技术的日益成熟,分布式光纤测温系统也得到了较快的 发展。分布式(DTS)光纤测温系统是美国安捷伦公司的专利技术产品,目前最大 测量距离达30Km,多通道可选,温度分辨率O.1℃,空间分辨率lm,该公司独创 采用了单接收机设计,避免了普通DTS双接收机通道带来的测试误差,具有更高
的稳定性。SensorTran公司也参与研发DTS系统,主要将其应用于国防等领域, 1999年该公司的产品开始推向市场,目前产品遍布全球十几个国家,最新的 SensorTran5100系列产品融入了最新的计算机和光信号处理技术,更贴近客户需

求,测温距离可达15Km,空间分辨率lm,测温精度士1℃。此外,美国的Micron
Optics

International(MOI)研制的DTS系统采用了特殊设计的传感光缆,具有多种

温度报警方式,测温距离可达20Km,空间分辨率lm,测量精度为1℃,被广泛 地应用于隧道、地铁的火灾监测等领域。 在学术研究方面,很多学者报道了在系统结构、数据处理方法等方面的最新 进展,这些创新性的研究虽然并未完全在实际生产中得到应用,但是在实验室获 得了较好的性能指标,为光纤测温系统的未来发展及创新奠定了基础。2008年,
Kwang

Suh和Chung Lee提出了一种新颖的双光源结构的DTS系统设计方案,该

方案采用两个光源,第一光源的入射波长与第二光源的Stokes波长相同18J,通过该

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方法实现了对光纤衰减项的自动修正,使得温度解调更为简单,获得更高的测温 精度。2010年,C.Pandian等人提出了单一光纤网格法,具体地说是将光纤沿横向 和纵向两个垂直方向环绕排布形成一个网格,结合神经网络算法计算出的空间分

辨率提高了近10倒9I。2011年,M.A.Soto等人报道了一种仅利用Anti.Stokes光
的环形结构的分布式拉曼测温系统【l们。与传统的单端结构不同,在该系统结构中,
传感光纤通过一个光开关连成一个环形,分别从光纤的两端入射光脉冲,获取两 组曲线,再对其求几何平均值,可以达到自动标定温度,消除衰减项的目的,温 度分辨率提高了1.4倍。除了通过对系统硬件结构的改进和创新之外,不少研究者

也通过改善数据处理方法提高系统指标。A.R.Bahrampour等人采用了傅里叶小波 去卷积算法…】,在不改变光源脉冲宽度的前提下提升了系统的空间分辨率。F. Baroniti等人通过使用循环Simplex编码方法有效地提高了系统信噪比【l 2|,适用于
长距离光纤传感系统。M.A.Soto等人提出了一种基于低重复频率的周期编码技术

在26Km单模光纤上实现了3℃的温度分辨率和lm的空间分辨率【l 3I。目前分布式
光纤测温系统的研究热点主要集中于提高系统的各项指标,改善系统性能,满足 更多领域的应用需求。

1.2.2分布式光纤测温系统国内发展现状 1987年,在国家教委博士点基金的资助下,重庆大学首先开展了分布式光纤 温度传感技术的研究,于1991年承担了“分布式光纤温度传感技术”任务,1992 年研制出实验样机【l4|。1993年,在国家自然科学基金的资助下,中国计量学院在
张在宣教授的带领下开始进入该领域的研究,完成了2Krn、5Km、10Kin、30Kin 的分布式温度传感系统,目前实现了温度精度士1.2。C,温度分辨率0.1℃,空间分 辨率2m的性能指标【l 5】-【㈨。此外,北京航空航天大学、浙江大学、清华大学、电 子科技大学等院校也先后进入该领域的研究,取得较好的成果。2009年,清华大学

的张磊等人提出了采用可变脉宽光源的方法【17],可以满足不同的测温环境对高空间
分辨率或高温度分辨率的不同需求,相比于传统的固定脉宽光源方法,该方法可 以在获得相同温度分辨率的前提下减少系统的整体测量时间。201 1年,中国计量 学院的王剑峰等人报道了嵌入1×2光开关的方法【18j,通过光开关切换两路光纤通 道,将测温距离延伸为原来的2倍。2010年,浙江大学的宋牟平等人报道了采用

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Simplex编码光外调制的分布式光纤传感器【1 91,初步验证了当Simplex编码长度为 7时,信噪比改善了1.6倍。

近些年,除了各个高校及研究所进行分布式光纤传感的研究,国内的一些公 司企业也开始进行该领域产品的研发,推动其商业化,以期获得更好的应用价值。
上海华魏光纤传感技术公司是国内第一个把分布式光纤温度监测技术带入中国市

场的企业,该公司的DTS600是一套响应速度快、测温准确、工作稳定、方便使用 的新型分布式光纤温度传感系统,其空间分辨率为lm,测温精度为士1℃。宁波振
东光电有限公司与德国GESO公司合作开发的DTS系统在秦山核电站、广东长调 水电站得到了实际应用,测温距离可达12Km,通道数最大为32路,测温精度士1℃, 定位精度+lm。杭州聚光科技有限公司研发的DTS2000系列产品可实现8通道测

量,每通道的测温时间≤10s,测温距离可达12Km,测温精度≤0.5。C,定位精度 ≤lm,适用于电缆夹层、公路隧道等领域的监测。此外,深圳创鑫科技发展公司、
成都华赢光电公司也都在分布式光纤传感领域进行了研究开发,获得了可喜的成

果,为我国实现高精度、实时、长距离的温度监测做出了重要贡献。

1.3论文主要研究内容
本论文主要完成了分布式光纤拉曼测温系统的设计和相关实验,并进行了相
应的优化,主要内容包括以下几个方面:

(1)分析了分布式光纤测温系统的国内外发展状况及研究热点,介绍了分布式
光纤测温系统的应用领域及其在生产应用中的独特优势; (2)介绍了分布式光纤测温系统的相关理论基础,主要包括拉曼散射的原理、 光时域反射原理以及温度解调原理,并对温度标定时参考温度的选择做了相关理 论分析,为下一步的实验打好理论基础; (3)介绍了分布式光纤拉曼测温系统的设计方案,分析了系统各项指标的定义 及影响因素,分析了系统信噪比的影响因素及目前常用的提高信噪比的方法; (4)搭建了分布式光纤拉曼测温系统,进行了相关温度测试实验,并对实验结 果进行了分析讨论; (5)在已有的实验基础上,对系统进行了相关创新研究,提出了基于双参考点

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的温度解调方法,进行了原理分析和相关实验。此外提出了一种消除波长色散影 响的自修正算法,提高了系统的温度精度,并对该算法进行了理论模拟和分析。

第2章分布式光纤测温系统的理论基础
2.1引言

射光频率的关系,常见的光的散射分为三种:瑞利散射,村晷新酣寿田淄蜘0f:

竺要的现象,称为光的散射,具体地说,是光与不均匀介质中的分子或原享二三 竺?:从II--阿7--'改-变了光强的空间分布、偏振态或频率的过程。根据散射光二主:芙

…。:¨专馏引坝削小均匀性,当光束通过时不只定向传播,同时还沿其它方向

要三:。妻兰竺专入射光的散射谱示意图。其中,瑞利散射是入射光子与介质分子发 兰苎苎竺孚产生的,最大特点是瑞利散射光波长与入射光波长相同。凳孬;三; 兰竺竺翌是全射光子与光纤纤芯介质中的热激励声波或者传播的压力≤磊三荔; !:兰!二!非弹性光散射过程Ⅲ1。根据泵浦光功率的高低不同,可分为自发; 三翌竺竺竺兰激布里渊散射,布里渊频移量和布里渊散射光强度能够三芸芜薯言 。…“'。 竺竺苎竺兰竺竺应力信息,所以基于布里渊散射的分布式光纤传感技某孑夏萎;
对温度和应力的同时测量。 散 射 信


图2—1光的散射谱示意图

光纤中的拉曼散射是入射光子与光纤介质分子发生非弹性碰撞产生,频移量

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大于布里渊频移,容易与入射光分离,拉曼散射理论非常复杂,它是本论文分布

式光纤温度传感系统研究的理论基础。深入理解拉曼散射产生的原理,以及如何 利用拉曼散射光进行温度测量,是我们进行系统设计之前必须掌握的基本知识,
对于选择合适的激光器光源、光电探测器及信号处理系统的设计具有非常重要的 作用,本章将从阐述拉曼散射原理、光时域反射原理以及温度标定三个方面进行 详细分析讨论。

2.2拉曼散射
1 928年,印度科学家拉曼在Nature杂志上报道了拉曼散射实验现象,之后拉

曼光谱学蓬勃发展,尤其是在激光出现之后,拉曼光谱逐渐发展为常规的光谱测 量手段,逐渐应用于参数测量、光谱分析、光纤传感等领域。

2.2.1拉曼散射的经典电磁理论
在经典电磁理论的框架下,光波电场与介质分子相互作用,使得分子产生振

荡的感生电偶极矩,该振荡的感生电偶极矩作为辐射源产生散射。设入射光电场
为E=Eo
cos

2nv。,,在入射光场作用下,介质分子获得的感生电偶极矩与电场强度

的关系可表示为:
P=厄soE

(2-1)

式中,Z。为极化率。若z。为常数,则尸仍以入射光频率V。作周期性变化,由此得 到的散射光频率也为V。,这就是瑞利散射。如果分子以固有频率’,,振动,而且此

振动使得极化率Z。也以频率v,作周期性变化:
ZP=Zo+ZJ cos2n'v.,,

(2-2)

将其代入式2.1中,则有
P=zosoEo
cos

2n-vo,+z,so毛cos 2nvot cos 27rv,,

(2—3)

=舻。Eo

cos

2w+了1 ZjEo/;o Icos2,r(V0"kVi)+cos 2万(Vo--Vj)](2-4)

感生电偶极矩产生三个频率成分,分别为V。,’,。+V,和、,。一V,,其中,V。即与入射

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光频率相同的瑞利谱线,频率增加的’,。+v,分量对应Anti—Stokes拉曼谱线,频率
降低的y。一y,分量对应Stokes拉曼谱线,拉曼频移即为y,,等于介质分子、原子 振动的频率,仅与介质结构有关,与入射光频率无关。由式2.4可看出,Stokes与

Anti.Stokes光的强度相差不大,但是实验表明自发Anti.Stokes拉曼散射的强度比
Stokes要弱几个数量级,这种现象无法靠经典电磁理论解释,所以拉曼散射的经典 理论尚有不完善之处【22】,【23】。 2.2.2拉曼散射的量子理论 按照量子理论描述,散射过程可以看作是在光子和介质分子的相互作用下,
入射光子和散射光子的产生和湮没过程。当频率为V。的入射光子通过介质时会与 介质分子发生碰撞,如果该碰撞过程是弹性的,则光子的能量和动量保持不变, 散射光的频率仍是v。,即为瑞利散射光。当该碰撞过程为非弹性的,分子可能失 去或获得能量,从而产生频率增加或降低的散射光子。为了更清楚地表述该过程 中的能量关系,我们引入“虚能级"的概念,图2.2表示了拉曼散射过程的能级跃

迁图,E,巨表示分子的两个振动能级,当入射光子加。和处于低能级巨的分子 作用时,分子向上跃迁到虚能级E,再向下跃迁到高能级最,发出散射光子加,,
这时有

、,,:v。一拿每(2-5)
,2

即为拉曼散射的Stokes光频率,如图2-2(a)所示。如果入射光子加。和处于高能级易 的分子作用,分子向上跃迁到虚能级E,再向下跃迁到低能级互,发出散射光子
加。,则有

y。碱+单(2-6)


即为拉曼散射的Anti.Stokes光频率,如图2-2(b)所示。由于能级上的粒子数在平

衡状态时服从玻尔兹曼分布,Anti.Stokes与Stokes光的强度可以表示为:
乞oc 1/II-exp(一hAv/kr)](2-7)

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oc

1/[exp(hA、,/kT)-I]

(2—8)

其中,k为玻尔兹曼常量,丁为绝对温度,二者强度比值为: t/L
OC

exp(hAy/kT)

(2-9)

一般情况下,exp(hAv/kTl远大于1,所以通过量子理论分析可以正确地说明
Stokes光强度大于Anti.Stokes光,与实验现象一致,解决了经典电磁理论解释不
了的1'口-J题【20】,【24】。

J L



枷o
枷。

加。

加。


1 r

(a)

(b)

图2-2拉曼散射过程能级不恿图:(a)Stokes光;(b)Anti-Stokes光

2.2.3拉曼散射的测温原理 分布式光纤拉曼测温系统是基于拉曼散射光的温度效应进行温度测量的,当
入射光进入光纤后,由于光纤纤芯折射率的不均匀性,光子与分子发生作用,产 生后向拉曼散射光。后向拉曼散射光的强度受其所处的环境温度影响,所以通过 光电探测器检测拉曼散射光功率的强弱变化,即可获取温度场信息‘2引。

自发后向拉曼Anti.Stokes光和Stokes光的功率可以表示为【14】:

匕--e0/q,.z2Ra,(T)expE一(&。+a。)三] 只=咒蜒丑_B(T)exp[一(a。+a,)三]

(2.10) (2.11)

其中,P0,匕,只分别为入射光、Anti-Stokes光及Stokes光的功率,KOS,挺为
与Anti-Stokes散射和Stokes散射有关的系数,口o,a。,a,分别为入射光、

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Anti-Stokes光、Stokes光在光纤中的衰减系数,三为光纤长度,Ras(T),R。(丁)分
别为Anti.Stokes和Stokes的玻尔兹曼因子,与分子能级的布局数有关,可以表示 为:

如(丁)2葡丽1
B(r)2五再1面丽

(2.12)

‘2-13)

其中,h为普朗克常数,k为玻尔兹曼常数,Av为拉曼频移,在石英光纤中,

Av=1.32x1013Hz。由此看出Anti.Stokes和Stokes光的功率与光纤所处的温度有
关,当环境温度发生变化时,散射光强发生改变,如图2.3所示,为理论模拟的 Anti.Stokes和Stokes曲线,曲线的突起部分表示该处温度有变化。

图2.3拉曼散射信号曲线的理论模拟

警:一d



exp(hAv/kr)’?1

:耸篙岛p㈣

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TdPs/dT:蝗d墼1


1-exp(-hAv/kT)

:一p㈣
60



蒸0.
专 麦o?

《O。

二孝孝二霉_≥二


20

40

80

100

120

T/℃

图2-4 Anti-Stokes光和Stokes光的温度灵敏度曲线

常用的温度解调方法有两种,一是单路解调,仅利用Anti.Stokes信号,二是
双路解调,利用Anti.Stokes和Stokes的比值进行温度解调。

对于单路解调方法,仅利用Anti.Stokes光路信号,首先测出整段光纤在参考
温度7"0时的Anti.Stokes信号功率曲线,即【28】:

pos(v0)=昂k《面南expE—a+aas)£]
匕(丁)=异k《面面焉口expE—a+aas)上]

(2-16)

然后,获取任意温度歹时的Anti—Stokes功率曲线,即: (2-17)

将二者做比值得:

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一==—- - - - - - -—-—- - - - - - -一
exp(hAv/kTo)一1 PQ¥(70)exp(hAv/kT)-I
足(T)
从而可计算出温度分布曲线为:

(2-18)

卜平磊hA匾v可
会带来较大的温度测量误差,所以一般不用于实际现场测量。

批I帮醐)l“

口19)

一。

该解调方法仅适用于系统非常稳定的情况,如果系统出现光源功率波动等影响,

为了消除光源功率和其它背景因素的影响,可采用双路解调方法,将温度敏 感性较低的Stokes光作为参考光,利用Anti.Stokes与Stokes的比值进行温度解调。

该方法是目前较为常用的温度解调方法,避免了因外界环境或者系统不稳定造成 的温度测量误差,实用性较强。对于双路解调方法的温度计算,有以下两种方法:
(1)直接计算

光纤位置为z,待测温度为T时,Anti.Stokes与Stokes光的比值为:

晔)=等㈨eXp㈡△V/kr)eXp[-k飞糊
可得温度计算公式为:

(2-2。)

丁(z)2丽面素丽品
其中,y=1hA_v,Aa=as--Otas
c—K毯os

(2.21’

lLk九/14。假设y为已知量,光纤衰减系数

差Aa为常数,则只需标定出衰减量Aa和C。通过选取同一温度下的不同光纤位
置处的两点或者两段,将测得的两路比值代入式2-21,可得到两个方程,很容易 计算得到△a和C。若将,,,Aa和C均视作未知量通过实验进行标定,则需要选

取三段不同位置处z。,z:,2,的光纤,其中,毛和z:处于同一温度互,z,处于不
同温度乃,则△a,C和y可表示为:

△a:坐剑二坐幽](2-22)

h㈣=鸣糌一唑辫
y=[1工l(c)一hR(毛)+△a毛]丁(毛)
置点的温度值。 (2)选择参考温度
首先将待测光纤置于参考温度To下,两路信号比值为【29】:

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(2-23)

(2-24)

一旦确定了△a,C和y,则只需将测得的比值直接代入公式2-21计算光纤各个位

啦)=等谢exp(_心啡xp[-k飞阁
当待测光纤温度值变为T时,测得两路信号比值为:

(2?25)

即)=惫谢exp㈠酬州exp[-(。叫三]
对式2-25和式2-26求比值,消掉衰减项后得 化简得温度分布曲线为:

(2—26)

一=:一 一=…l
尺(T)

exp(-hAv/kT) R(To)exp(-hAv/kTO)

(2-27)

LT

LTo上hAv l m器R(To )Il
11n——————二I

(2.28)
I/一/^,




该式为分布式拉曼光纤测温系统的基本温度表达式,仅表示了对同一段光纤,在

消除了光纤衰减影响后根据参考温度下的信号比值求得待测温度值。而在实际的
现场测量时,并非所有光纤都能处于同一温度,所以应首先对采集到的比值曲线 进行衰减补偿,然后再取参考温度下的信号比值进行温度解调,具体计算方法将 在第四章实验部分进行详细介绍。

2.3温度标定
由上文的温度解调原理可知,对于分布式拉曼测温系统一般需要一个合适的 参考温度实现温度解调,即需要将一段参考光纤置于某一参考温度下,进而通过

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恰当的解调方法获取整条光纤的温度信息。所以如何实现温度标定对于系统的测 温精度具有决定性作用,需要考虑的主要有两点:合适的定标区域以及选择合适 的参考温度。 2.3.1定标区选择
图2.5表示的是分布式拉曼测温系统实际获取到的散射光信号曲线,中间的突

起部分表示有温度变化的区域。由图可看出,曲线的前端及末端均出现一段反射 区。前端产生的反射区是由于入射泵浦光为脉冲光,在传感光纤的入射端产生的
散射光较强,并且在很短的时间内到达光电探测器,而探测器在很短的时间内会 有暂时的饱和阻塞现象130】,所以会有一个强反射峰形成。而光纤末端的反射区是 由于光纤与空气的折射率不同而在光纤末端的端面引起后向散射光的反射,可以 通过将光纤端面置于折射率匹配液中或者用切割刀对其进行斜切,以减小反射的

影响,不过为了方便实验,可以直接将前端和末端反射区域的测试数据舍弃,不 作考虑。除去前后两端的反射区域,中间的区域可以称为温度测量区,该区域的 光纤产生的散射信号较为稳定,可以真实地反映光纤所处位置的温度变化信息,
作为准确的温度监测区域。因此参考光纤应在温度测量区域选择,一般实验操作

时,参考光纤选择200m~300m段,将该段光纤以合适的半径缠绕好置于设定的参 考温度Zo下。

图2-5散射信号曲线

2.3.2参考温度选择

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对参考温度的选择,主要要求其应当具有较好的稳定性,即当Vo有一个微小

扰动dTo时,相应的两路信号比值的扰动积(瓦)要尽量小,这样,参考温度的扰动
对系统温度测量的影响最小。两路信号的比值可以简单表示为f31】,[321:

啦)=陲]4 eXp(-心慨)
将式2-29对瓦求导:

(2.29)

识 百dR(Vo)=R(瓦)面hay
、¨七群

(2-3。)


图2-6所示为参考温度的波动与参考温度瓦的关系曲线,通过计算得到当

To=hAy/k=43.93。C时,温度波动对系统温度计算的影响最大,因此参考温度瓦尽
量不选择在44℃。

./—,\..

\、



≮ \

图2-6参考温度的波动与瓦的关系

此外,参考温度To的精度与系统的测温精度也有关系,由温度标定公式2-28

dr

2了h—A—:_=j云z{拿褊d瓦
( V一瓦七111(R(丁)/R(瓦)))一

c2-3?,

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…=…一 一等I去=一idT-I" ,专To
丁2’ T-? 4- 瓦2‘
2 2

c2趣, 卜一7
●/-’/l

简化得:

识=事刀
1"o选择的越高,相应的对其精度的要求就越低。

(2-33)

可得到定标精度与测温的上限丁和系统测温精度刀有关。在二者一定的情况下,

假设系统测温精度要求为dT=1℃,当测温范围分别为O、100。C,0~200。C和
0~300。C

,计算不同参考温度7"0对应的aro,结果如图2?7所示。由图可看出,

对于相同参考温度下,所测温度范围越高,对参考温度识的精度要求越高。


0.9

0?8

0.7



三二≯箬≠


苫0’6 j/
'0.5

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髫I!I:≯。’:;

图2—7当测温范围T不同时,参考温度的精度与ro的关系

设定参考温度To=80。C,测温范围上限T=300。C,计算当参考温度精度识分
别为O.1℃,O.2℃,0.3℃时,不同温度时的测温精度的曲线如图2.8所示。由图可 看出,随着温度升高,测量精度下降;参考温度精度越高,测温精度越高,
综上分析,可得以下结论: (1)参考温度精度一定时,测量温度越高,测量精度越低: (2)参考温度精度一定时,所选参考温度越高,测量精度越高; (3)参考温度精度一定时,所选参考温度越高,所需要的参考温度精度越低;

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(4)所选参考温度一定时,参考温度精度越高,测量精度越高;

图2.8参考温度精度不同时,测温精度与温度范围的关系

2.4光时域反射原理
光时域反射(Optical Time Domain Reflection)技术简称OTDR技术,是利用光 在光纤中传输时产生的瑞利散射或菲涅尔反射而研制出的精密的光电一体化仪 表,它可以用于对光缆的维护,对光纤衰减系数进行测试,而且可以实现接头衰 减测试以及故障定位等【36|。该技术通过检测光纤中的背向瑞利散射信号强度随时 间的变化来进行光纤传输特性的测试,工作原理类似于一个雷达,首先对光纤发

出一个一定重复频率的脉冲信号,同时会发出一个同步检测信号到信息采集系统,
信息采集系统开始以一定的采样率进行数据采集,建立时间与空间位置的对应关 系。重复进行该过程,然后将测量结果进行累加平均作出曲线,该曲线就反映了

从光纤散射回的信号强度变化,当某处出现严重衰减时,对应的位置处就会有信 号突变,当光纤某处发生断裂时,则在该处就会出现强反射峰然后信号曲线到此
截止,通过该方法,就可以确定衰减或故障发生的位置点,便于进行维护。 目前,OTDR被广泛应用于分布式传感系统进行空间定位,如分布式光纤拉 曼测温系统、分布式布里渊应变监测系统等,具体工作原理如图2-9所示。激光器 发出的脉冲光以一定的重复频率入射到光纤中,在距离入射端,处发生散射,假设 从脉冲光进入光纤为起始时刻,入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时间为 ,,激光脉冲在光纤中所走过的路程为2,,则有

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,=了vt(2-34) 厶

其中,v为光在光纤中传播速度,v:一C,c为真空中的光速,1'7为光纤折射率。在 测得时刻r时,就可求得距光源,处的距离,即定位距离。

阮一
:-滞

■L州

一已
图2-9 OTDR原理示意图

2.5本章小结
本章主要从拉曼散射原理、温度解调原理及光时域反射原理三个方面详细分 析讨论了分布式光纤拉曼测温系统的理论基础,分布式光纤拉曼测温系统主要利 用光纤中后向拉曼散射信号的强度与温度的关系,根据接收到的信号的强度变化 解调出温度信息,并从理论上分析了温度标定中参考温度的选择与测温范围及测
温精度的关系,并给出了具体结论,为接下来的实验提供了必要的理论依据。

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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
根据工作原理的不同,分布式光纤传感系统目前主要有三个研究热点:(1) 基于光纤光栅的准分布式光纤测温系统;(2)基于布里渊散射的分布式光纤测温 系统;(3)基于拉曼散射的分布式光纤测温系统【了71。对于(1),光纤光栅是一种

具有良好温度线性的光学器件,中心波长会随着温度的变化发生偏移【38l,【391,并且 中心波长的偏移量与温度的变化量具有线形关系。该系统采用带宽较宽的ASE光
源作为光源,在一根光纤上通过光开关、分路器等光学器件实现准分布式光纤传 感网络,在大范围内对多点同时进行测量,但是该系统受到光源带宽及光源功率 的限制,测量点数有限,应用领域受到限制。对于(2),基于布里渊散射的分布

式光纤温度传感器是利用布里渊散射和温度、应变等参量之间的关系进行传感【401,
利用光时域技术定位以构成布里渊散射分布式光纤传感器。目前国内外学者也都

进行了卓有成效的研究工作,实现温度和应变的同时测量,如国内浙江大学的宋
牟平实现了50Km长距离布里渊光时域分析分布式光纤传感器,达到空间分辨率

2m,温度分辨率2。Cf411。目前市场也逐渐出现布里渊温度和应变监测系统,具有 高空间分辨率、高精度等优点。但是由于布里渊传感器要求激光器具有极高的频
率稳定性和极窄的可调线宽,而且光的偏振对系统的性能也有极大的影响,必须

进行合理的偏振控制和调谐,这些使得布里渊系统在制作和成本上比较复杂和昂
贵,而且在现场实际应用时也受到种种限制,所以基于布里渊散射的分布式传感 系统的真正商品化和实用化还需要较长的发展时间。

基于拉曼散射的分布式光纤测温系统利用光纤的后向拉曼散射的温度效应与
光时域反射技术实现长距离温度监测,系统结构较布里渊监测系统简单,并且具 有较高的空间分辨率和测温精度,能够满足一般常用工业生产领域的指标要求, 所以我们选择了基于拉曼散射的分布式光纤测温系统方案,并根据方案介绍了选 择系统器件时应该注意的关键指标,分析讨论了系统各项性能指标的意义及影响

20

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因素。由于系统的信噪比对系统各项指标具有至关重要的作用,我们也将对系统
信噪比的影响因素以及目前常用的提升系统信噪比的方法进行理论分析和对比。

3.2分布式光纤拉曼测温系统的设计
3.2.1系统结构 分布式光纤拉曼测温系统由主机、信号采集与处理模块及传感光纤三部分组
成,具体系统结构框图如图3.1所示,主机部分主要包括脉冲光源、WDM及光电

探测器,信号采集与处理主要由数据采集卡和计算机实现。首先光脉冲经波分复 用器中的双向耦合器耦合进传感光纤,当入射脉冲光在光纤中传输时与介质分子 相互作用产生后向自发拉曼散射光(其光强随光纤所处环境温度的变化而变化), 散射光经波分复用器中的薄膜干涉滤光片滤出Stokes光和Anti.Stokes光,输入到
双通道光电探测器APD模块中进行光电转换和电压放大,然后高速数据采集卡以

一定的采样率对信号进行采集,不同的采样时间即对应着不同的光纤长度。数据 采集卡将一次采集的数据依次存储于特定的存储器,当下一个脉冲发出时,重复 以上过程,并将数据存储到对应的存储单元进行多次累加平均等数据处理,最后 由计算机通过事先编写好的温度解调程序和图形显示程序展示出最终温度测量曲
线。

图3.1系统结构框图

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3.2.2系统器件选择
(1)脉冲光源

光源作为整个测温系统的源头,其性能参数相当程度上决定了系统其它器件 的参数,并且影响整个系统的性能,所以选择合适的脉冲光源显得尤为重要,具 体参数主要包括:激光器中心波长、脉冲宽度、峰值功率及重复频率。
根据拉曼光谱学原理,激光器的中心波长越短,产生的自发拉曼散射光强度 就越大,但是相应的光纤损耗也越大,因此激光器波长的选择需要与传感光纤综 合考虑【42】,【43】。常用的激光器波长有980nm,1 3 1 0nm,1 550nm,目前光通信常用 的光纤低损耗窗口为1 550nm,而且该波长的激光器相对来讲比较普遍,大多数光

纤放大器的工作范围也集中在1550波段,因此我们选用中心波长为1550nm的激
光器。

由于本系统利用的是后向拉曼散射信号,本身就比较微弱,为了提高系统的
信噪比,需要使用功率较大的激光器,但是功率过高会产生受激拉曼散射,无法 反映温度信息,所以光源功率不能超过受激拉曼散射的阈值。激光器的脉冲宽度

及重复频率分别会影响系统的空间分辨率及测量时间,脉冲宽度越窄,空间分辨 率越高,但是过窄的脉冲会导致耦合进光纤的能量小,会减弱后向拉曼散射信号,
而且脉冲太窄也极易产生非线性效应,所以脉冲宽度应该根据所需的系统指标进 行合理设置。至于重复频率则与系统的最大测量距离有关,重复频率越高,测量 范围越小,具体的分析会在后文详细介绍。

(2)波分复用器
本系统选择采用l×3WDM,由1×3双向耦合器和多光束干涉型高隔离度的 光学滤光片组成。通过WDM将脉冲激光耦合入传感光纤,并将Anti.Stokes和 Stokes拉曼散射光分别滤出并输出。由拉曼散射原理,当入射脉冲光为1550nm时, 后向拉曼散射Anti.Stokes光和Stokes光波长分别为:
九。s=1450nm,九s=1663nm

波分复用器的具体工作原理如图3-2所示。1550nm脉冲光由Portl输入,经eom 端耦合进传感光纤,后向散射得到的1450nm信号光经滤光片由Port3输出,1663nm 信号光由Port4输出。由于波分复用器的主要作用是滤出所需要的1450nm和

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1663nm光,所以它的透射隔离度是我们所重视的一个主要指标。在光纤中除了拉 曼散射光,也会有一定的瑞利散射光产生,瑞利散射光一般比拉曼散射光强度高 3 ̄4个数量级,如果透射隔离度不够高,则会在输出的拉曼散射光中掺杂入瑞利散 射光,使得系统采集到的信号有较大的本底噪声,给后期的温度解调带来不便而
且会降低测量精度,所以要求WDM的透射隔离度要大于35dB。

Ⅸ蛹4 1h:1450/1 550,'1663
550反ji_—卜———一 皂!一Ⅷ“1“4””5“04“。否赢“:》 翌3=145她
…、一…...。,。…一Port4:1663nm 663透/1450与1 l。。。。。.。.。。。。,。。。。。。。。。。。。。——∥

一1



+一

。,



p砸l:15501姐

图3—2 WDM原理图

(3)光电探测器

光电探测器的功能是实现光电转换,将光信号转换为电压信号,其性能对于 整个系统的指标具有至关重要的作用,由于后向拉曼散射光极其微弱,再经过波
分复用器滤波之后,Anti.Stokes和Stokes信号一般在nW级,对于这样的微弱信 号,需要选择高灵敏度、低噪声、高增益的光电探测器,一般探测微弱光信号的 器件有雪崩光电二极管(APD)和光电倍增管(PMT)。 光电倍增管基于光的外光电效应工作,由光电阴极和倍增极构成,光子入射 到光电阴极上,光电阴极吸收光子产生外光电效应,发出的光电子在外加电场的 作用下加速到第一倍增极产生二次电子,二次电子在电场作用下再次被加速到下 一个倍增极,经过N级倍增极倍增后,光电子放大N倍,最后经光电阳极接收产 生电压信号。光电倍增管常用于单光子检测,虽然它有较高的增益,但是体积较 大,仅能工作在紫外光和可见光谱范围内,所以并不适合本实验系统【删,【45】。而 APD是基于内光电效应工作,具有内部增益和放大功能,一个光子可以产生10.100

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对光生电子空穴对,它工作于反向偏置电压下,达到雪崩倍增状态,放大光电信 号。InGaAs-APD具有噪声低、频率响应高、增益高等特性,非常适合于本系统的 微弱信号检测,所以我们选用InGaAs-APD进行光电探测。
(4)数据采集卡

根据分布式光纤拉曼测温系统的工作原理,需要对后向拉曼散射信号进行实
时采集,然后对采集到的电压信号进行数据处理,进而获取准确的温度信息,由

于散射信号强度非常微弱,所以若想测出准确的温度变化,就要求数据采集卡能 够以数字量准确表达这一微弱变化,这主要受其分辨率和采样精度的影响。采集
卡的分辨率指采集卡可分辨出的输入信号的最小变化量,它由采集卡的采样位数 决定,采样精度是指数据采集卡实际输出数字量与对应的真实模拟输入量的误差。

提高采集卡的位数可以提高数模转换的精度和可靠性,但是位数增加会增加转换 时间,降低了系统的时间分辨率【46】,【471。另外,采集卡的采样率也是需要重视的参
数,采样率越高,获得的信息越精确,而且也能提高系统的空间分辨率,但是高 采样率意味着更为复杂的硬件系统设计,成本较高。因此,需要综合考虑各种因 素选择合适的数据采集卡。 (5)传感光纤 在分布式光纤拉曼测温系统中,光纤既是传输介质也是传感介质。光纤按照

传输模式分类,可分为单模光纤与多模光纤。单模光纤只能传输一种模式,纤芯 小,色散小,传输损耗小,可以进行长距离传输,但是由于其横截面积小,光纤
耦合效率不高,而且功率密度大,很容易产生受激拉曼散射,所以入射激光功率

只能限制在很低的范围,造成自发拉曼散射信号也较低,信噪比不高。多模光纤
可以传输多个模式,虽然传输损耗稍大,但是有效截面积大,光纤耦合效率高, 不容易产生受激拉曼散射等非线性效应【48】。多模光纤又分为阶跃型和渐变型两种, 相比较而言,渐变型多模光纤减小了色散的影响,信号畸变小,传输性能更高, 所以我们选择了62.5/125 J.tm渐变型多模光纤。

3.2.3温度控制系统设计
为了进行温度标定,以及进行相关的温度实验,需要将参考光纤置于一恒温 环境下,所以我们自制了温度控制系统,基本思路是用测温芯片DSl8820测量箱

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壁的温度,输出的信号被单片机(AT89S52)采集进行PID计算,输出PWM(脉
宽调制)波,控制光耦的通断,光耦控制可控硅的通断,通过可控硅的通断控制

加热管的功率,进而控制箱内的温度㈣,具体系统框图如图3.3所示:

l过零检测 I测温模块

PID运算 (单片机)

一光耦卜

加热管

图3-3温控系统基本原理框图

在温控系统中,PID算法是较为常用的~种控制算法,它主要是由PID控制 器和被控变量构成,算法流程图如图3.4所示,首先需要设定一个定值作为目标值

Targ(t),系统实时检测到的测量值为Yourt(t),计算二者偏差P∥卯(,)为: error(t)=Targ(t)-Yourt(t)
(3-1)



图3.4 PID算法流程图

然后对该偏差信号通过比例(P)、积分(I)、微分(D)的线性组合运算后形成一种控制

规律,构成输出量,对输入量进行反馈调节,使其逐渐接近设定值,减小偏差,
形成稳定输出量。位置式PID控制算法的输出量表达式为:

“(,)=KpP舢厂(,)+K∑胛D,.(,)+畅[error(,)一erro厂(,-1)]

(3—2)

式中,Kp为比例系数;墨为积分时间常数;髟为微分时间常数,g肿,-(卜1)为前
一时刻的偏差量。简单来说,P1D控制器各校正环节的作用如下【50】‘【51]:

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(1)比例环节:成比例地反映控制系统的偏差信号P玎D,.(f),一旦产生偏差立即起
控制作用,以减小偏差,当比例系数Kp过大时,会导致系统振荡较厉害,不利于
系统稳定; (2)积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度,它通过对偏差量的积累,

使系统趋于稳定,积分系数过大时,会出现超调现象,甚至引起振荡,但是积分 系数过小时,对静差的补偿就会不足; (3)微分环节:反映了偏差信号的变化趋势,在偏差信号变得太大之前,引入一个
有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间,增强系统的稳 定性。

PID参数的整定是一个较为复杂和困难的过程,三个参数并没有一个明确的固 定值,需要根据实际的系统进行反复实验,观察输出结果,根据实验现象不断修 改参数值,直至系统趋于最佳稳定状态。

3.3主要技术指标
1.空间分辨率

空间分辨率通常定义为该系统能保证温度测量精度的最小空间长度,测试空 间分辨率的具体方法是看对空间阶跃温度的响应,将温度响应的10%~90%所对应 的空间长度定义为空间分辨率,如图3.5所示。

温庹÷r二二_i


稚r∞z■々—每—飞_——
j—— b
L一一一一一一一一一‘一—≮一 低温(BV.)
1cz

采样值 拟合值

.一——。 杷。!__j一一一一一一一一÷二———-二二s≤≥:。:::≤≥——一 。———————————————。‘—————。——————————————————+距离
L一+

-竺溅分辨率

图3-5空间分辨率定义图示

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空间分辨率主要受光脉冲宽度、光电探测器的响应时间及数据采集卡的采样
率等因素的影响,是整个系统综合性能的全面体现: (1)由于泵浦光脉冲有一定持续时间△f,所以在某一时刻,探测器探测到的光能量

并不简单的只反映光纤上三点的后向散射能量,而是反映上~£+(△r?1,)/2这段光 纤的后向散射能量的贡献,所以分布式测温系统可获取信息的最小光纤空间长度 不可能达到无穷小,由脉冲宽度决定的空间分辨率为:

6f1=△r罢(3-3)
(2)探测器的响应时间r也会影响空间分辨率,在响应时间r内,光纤上点L处

上~£+vr/2的一段光纤上的后向散射光将同时到达光探测器,一起被光探测器探
测,进行光电转换,因此由响应时间r也决定一个空间分辨率:

6乞=r罢

(3.4)

(3)数据采集卡并非完全连续的,而是由采样速率决定了一个采样时间,,,它对应 的一个空间分辨率为:

6如=f,罢
传感器系统的空间分辨率即为上述几种因素的综合贡献,即:

(3.5)

6,=max{a/,,612,6毛)=ma)【{△f兰,r差,‘丢)(3-6)
因此可以通过压缩光脉冲宽度,选择响应时间短的光电探测器或者采用更高
速率的数据采集卡可以有效地提高系统的空间分辨率‘21。 2.定位精度 空间定位精度与空间分辨率不同,它是指发生温度变化的实际地点与测试曲 线中显示的地点之间的误差,是对系统能否进行准确的空间定位的一种表征,引

起定位误差的原因主要有光在光纤中传播速度的误差和时间测量的误差,表达式
如下:

AL=(tAa,+1,△,1
,、



(3-7)

△1,:乓△胛
"‘

(3.8)

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时间测量误差主要表现在采集卡记录时间序列信号的环节,它能否保证每次采样 都准确采在同一点是非常关键的,时钟频率由晶振决定,而数据是严格按照晶振 提供的时钟来采集的,一般来说,晶振的稳定性相当高,所以由晶振误差引起的

时间测量误差几乎可以忽略,此外,数据采集卡需与脉冲光源脉冲的发出保持同
步,假如选择用采集卡去同步控制脉冲光源,时间的准确性就由驱动单元的脉冲 发生电路决定,通常窄脉冲是用电容放电曲线来产生,该部分受容量的影响较大, 时间的抖动较大,所以一般采用激光脉冲去同步控制数据采集卡,这样就会存在

相位同步问题,但这个误差最大不会超过一个采集时钟周期,是有限的【52】。 3.温度分辨率 温度分辨率是指产生大小与总噪声电流的均方根值相同的信号光电流变化而 需要的温度变化量,即信噪比为l时对应的温度变化量【21。它描述传感系统实现准
确测量的程度,是系统最小的温度显示值,表达式为:

肌岳N,hAv(掣]
1只。J

B9,
、 7

式中,k为波尔兹曼常数,h为普朗克常数,丁为温度,Ⅳ。为数字平均给系统带来

的信噪比提高的倍数,Av为拉曼频移量,‘}表示系统的信噪比,所以系统的

I识一

温度分辨率与信噪比成反比,提高系统温度分辨率的主要措施是提高信号的信噪
比,如提高入射光功率、优化入射光波长、增加累加次数、降低探测器噪声等方 法。 4.测量时间

测量时间是指系统对待测区域完成一次完整的温度测量所需要的时间,体现
了系统监测温度的实时性,表达式为:

6t=N/厂

(3—10)

式中,Ⅳ为累加次数,厂表示脉冲光源的重复频率。由此可看出,虽然增加累加 平均次数,可以有效提高系统的信噪比,但是相应地会使系统测量时间增加,所 以累加次数不能因为提高系统信噪比而无限增大。另外,为了保证单脉冲方式工

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作(分布式光纤传感检测的基本要求),即使得一个脉冲入射进光纤后,保证下一 个脉冲发出之前,光纤所有点的信息都能返回探测器,光脉冲的重复频率需要满
足:

f<--羞(3-11)
式中,v为光在光纤中的传输速度,L为传感光纤长度。例如假设所需测量光纤的 距离为10Km,则选用的脉冲光源重复频率不得大于10KHz。

3.4系统信噪比改善方法
根据分布式拉曼测温系统的测温原理以及系统结构图,可以看出后向拉曼散

射信号极其微弱,特别是对温度具有较强敏感性的Anti.Stokes光仅为入射光的 .75dB,很容易淹没在系统的噪声中,给后期的信号探测及温度解调带来许多困难。
而系统中的噪声来源较多,如散射光在光纤传输时由于介质不均匀性带来的光噪 声,光电探测器模块中放大电路带来的随机噪声【53】,【541,以及系统所使用电源的噪 声都会影响系统测量精度。如何提高信噪比获得较高的性能指标具有重要的研究 意义。首先,采用高性能、低噪声、高稳定性的硬件系统是获取高信噪比的基本

途径,但是也要注意器件指标之间的相互匹配,不至于造成资源浪费。其次,采
用合理有效的数据处理方法是信噪比改善和提高的重要途径。信号光极其微弱, 基本都被淹没在系统噪声中,单次采集数据并不能观察出温度信息。因此,如何 通过数据处理滤除噪声、提取准确的温度信息是系统功能完善的重中之重,下面

我们就常用的几种提高系统信噪比的处理方法进行分析和比较。 3.4.1累加平均算法
当噪声为白噪声,具有零均值的统计特性时,可以通过多次累加平均算法实 现降低噪声的目的,该方法是较传统但是却非常有效的去噪声方法,通过对分布 式测温系统的噪声的来源分析,可看出系统的噪声大部分为随机噪声,其幅值和 相位都是随机分布的,可以看作是白噪声。而且本系统采用脉冲光源,所以获取 的信号具有周期性特点,非常适合用累加平均方法进行去噪。这种方法也是目前 该系统最常用的数据处理方法,即把每次获取的整条光纤的N个数据点依次存储

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到数据采集卡的内存单元中,然后将下一次的测量结果依次与上次的数据相加,
循环多次,然后取平均。 设被测信号为:

厂(,)=5(f)+,?(r) 其中,,?(,)为叠加在信号s(r)上的随机噪声,信噪比表示为:

(3—12)

姗=器

(3-13)

当采集获取M个周期的信号时,将其累加。对于信号s(,),经过M次累加后幅度 变为Ms(t),而对于随机噪声,经过M次累加后有效值为√M玎(,),所以,经过M
次累加平均之后,信噪比变为:

舢7

√M船《fl 2面Ms丽(t)=q7"MSNR

(3-14)

可看出,经过M次累加后,信噪比提高压倒52】'[551。
虽然累加平均算法可以提高信噪比,但是并不能无限制地增加累加次数,因

为到了一定的累加程度,信噪比改善的效果已经不那么明显,而且随着累加次数
的增加,势必会增加系统的测量时间,所以应该综合考虑,进行合理有效地累加 平均提高信噪比。

3.4.2小波变换算法
在信号处理领域,利用小波变换方法对信号进行消噪处理得到了越来越广泛 的应用。它是基于傅里叶变换而发展起来的一种新型信号处理方法,基本思想是 将信号分解为不同的频率分量,显示出信号的不同频率的特征,能够对信号的任 意细节进行多分辨率的时域、频域分析,被誉为“数学显微镜”146]。目前常用的 小波消噪方法有:强制消噪法、非线性小波变换阈值法和小波变换模极大值法。 (1)强制消噪法:主要是通过对信号进行多层分解,将分解后的每层的高频系数全 部变为0,再进行信号重构。该方法较简便,处理之后的信号比较光滑,但易造成 信号的有用成分丢失,产生失真:

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(2)非线性小波变换阈值法:可分为软阈值和硬阈值两种,硬阈值法是将绝对值小

于阈值的小波系数变为0,保留绝对值大于阈值的小波系数,这样重构后的信号产
生振荡,同时也会造成高频信号的损失,而软阈值法是将绝对值大于阈值的小波

系数进行收缩处理,重构后的信号比较光滑,但有着较大的失真; (3)小波变换模极大值法:该方法是根据信号与噪声在不同尺度上模极大值的不同
传播特性,将噪声产生的模极大值去除,而将信号所对应的模极大值保留下来,

然后利用剩余的模极大值对原始信号进行重构,达到滤波消噪的目的,该方法特 别适用于信号中混有白噪声而且具有较多突变点的情况,它可以在消噪的同时,
有效地保留突变信号,而且消噪后的信号没有多余振荡,能够较好的复原原始信 号,此外,它对噪声的依赖性较小,无需知道噪声的方差,对低信噪比的信号更 能体现其优越性。

由于自发拉曼散射信号较弱,系统信噪比较低,而且因为不同位置处的光纤 温度不同时,采集到的信号会有较多的突变点,这些突变点如果经过一般的滤波 处理就会被平滑,但是我们是希望能够保留这些温度突变信息的,综合以上因素
分析,我们选择小波变换模极大值法对信号进行消噪处理,提高信噪比。首先我

们分析一下正态白噪声的小波变换系数模极大值在不同尺度上的特性,根据不同 尺度,与Lipschitz指数a的关系:

l092阢厂(x)l<l092 k+ja

(3-15)

可看出,当a>0时,函数厂(x)的小波变换模极大值随着尺度系数/的增大而增大, 当a<0时,函数厂(x)的小波变换模极大值随着尺度系数/的增大而减小‘461。对于
白噪声,可以证明它是一个几乎处处奇异的随机分布,且具有负的Lipschitz指数


a=一二一s,Vs>0;而有效信号的Lipschitz指数通常为正,即使是不连续的奇


异点信号,只要在某一邻域有界,也有a=0,因此根据小波变换模极大值点的幅 值随尺度,增大的变化规律就可以看出该模极大值点是由噪声还是有效信号产生 的,如果随着尺度的增大模极大值点的幅值减小,则表明相应的奇异点具有负的 Lipschitz指数,该模极大值点由噪声产生;反之,如果随着尺度的增大,模极大

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值点幅值逐渐增大,说明该模极大值点是由信号产生的。 通过以上分析我们可以看出,信号和噪声在不同尺度上的模极大值点幅值具 有截然相反的特性,因此对含有正态白噪声的信号进行层层小波变换之后,由噪
声对应的模极大值点已经基本去除或者幅值已经减到很小,所余极值点主要由信

号控制,也就是说,大尺度上的小波系数模极大值点主要是由信号产生的,可用 这一性质由大尺度到小尺度逐级确定各个尺度上由信号产生的小波系数模极大 值,然后重构信号,达到滤除噪声的目的,该算法的主要思路如下: ①首先对包含噪声的信号进行离散小波变换,所选尺度,为4或5,因为尺 度太大会造成信号的重要奇异点丢失,重构的信号误差越大,分解之后求出每一 尺度上小波系数的模极大值点; ②在最大尺度,上,对模极大值点设定阈值,,将小于,的极值点去掉,保留 大于f的极值点,于是得到在最大尺度上新的模极大值点; ③在尺度,一1上寻找尺度,上小波变换模极大值点的传播点,即保留由信号
产生的极值点,去除由噪声引起的极值点;

④在尺度/上的极大值点位置,构造一个邻域D(飞,t),其中匕为尺度/上
的第f个极值点,6,为仅与尺度/有关的常数,在尺度/一1上的极大值点中保留落

在每一邻域上D(■,6,)的极大值点,而去除落在邻域外面的极值点,从而得到/一1
尺度上新的极值点,然后令J=歹一1,重复步骤④,直至歹=2; ⑤在J=2时存在极值点的位置上保留歹一1时的相应极值点,在其余位置将极
值点设为0;

⑥利用适当的方法将每~尺度上保留下来的模极值点重构小波系数,然后利
用重构得到的小波系数恢复信号【56】。【591。
3.4.3

Simplex编码 为了提高系统的信噪比,也可通过增加光源的脉冲宽度提高耦合进光纤的入

射光能量,但是脉冲宽度的增加会导致系统空间分辨率的下降,所以该方法不太

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适用。为了解决该难题,研究者提出通过对光脉冲进行编码,利用编码技术在不 改变光源脉冲宽度的前提下提高系统的信噪比,Simplex编码在分布式拉曼测温系 统以及分布式布里渊应力监测系统中取得较好的成果,能够有效地提高系统信噪 比。下面具体介绍Simplex编码的基本原理,并对其做了理论分析与模拟仿真,对 比了采用编码技术与传统的累加平均算法的信噪比改善效果。
Simplex矩阵是一个由0和1组成的M×M单极矩阵,它是由Hadamard矩阵 转换得到的,该矩阵的每一行则称为Simplex码,Hadamard矩阵是以1和.1为元 素的n×n阶双极矩阵,阶数n为是1,2或4的倍数,n阶Hadamard矩阵H满足 日章日7’=hi。,』。为nxn的单位矩阵【翻。假设H为一个n阶Hadarnard矩阵,则2n

g#Hadamard矩可以表示为l;皇l,所以可得:

删川二]凰=

(3-16)

以此类推,可以构造任意2k阶的Hadamard矩阵,n阶Hadamard矩阵的逆矩阵即 为其本身的1/n。将Hadamard矩阵的第一行与第-Y0去除,并将矩阵中的元素“1” 改为“0”,“一1”改为“1”,得到的新矩阵即为我们所需的Simplex编码矩阵,其 逆矩阵的(n+1)/2倍恰好就是将S矩阵中的元素“0”改为“一1”。例如7阶S矩 阵为:
1 0 1 O 1 O 1 O 1 1 0 O 1


1 1 0 0 1 1 0

0 O 0

1 0 1 l 0 1

0 1 1 1 1 0 0

,其逆矩阵为



●l●l{ ●l



l:

对于分布式拉曼测温系统中,通过在时域对光源激光器的开和关控制实现脉 冲编码,其中,“1”代表激光器打开,“0”代表激光器关闭。如图3-6所示为阶数

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过一定时延后的信号

£(r)硝(,一r),只(t)--暑(卜2r),同时定义y,(,),

y:(,)2y,(f?f),y,(f)2lf,,(f一2r)为脉冲月(,),最(f),只(,)产生的对应的理想拉

矸,(t),77:(≠),r/3 t),其各自包含的系统噪声分别设为q(t),e2(f),e3(t),则

[圣善;]- lI三}娶三誊墨;I=S牛[蒌誊;]+[墨e2喜;],S=卜01)71.i13c]1
I叩:(f) y:(,)+y,(r)f= 牛l妒:(,)l+l (r)}, 【-叩,(,)J l y。(,)+y:(r)f l吼(,)J le。(r)J =I



(3一





jli]I[I曩弓:誊i,i;]c3.,8, l兰三妻;l=.s,J水[囊蓉;]=吉L‘-1 '?1㈠帅如列 慨泸k瞵;j=

。-1鼬

y:7(,)=互1{川。(,)+叩:(,)+7 。(,) =y:(,)+二鱼』三学
¥,,’(r)=丢{7 。(,)+7 :(;).7 ,(,)}=v,,(,)+皇玉三掣


y。’(,)=三1{77。(,).77。(,)+叩,(,)}=y。(,)+—e,—(t—)—-e—2(it—)+一e3(t)

(3—19)

(3-20)

(3?21)

对y。’(f),v:7(f),y。7(f)进行相应时延然后取平均得:

业盟掣啪)+盟学蝴+

-e,(t+r)+e2(t+r)+e3(t+r)+e,(t+2r)+e2(t+2r)-e3(t+2r)

假设噪声e1(,)相互无关,且均值为0,方差为仃2,则

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㈨硅 绯z,附1 朗i直………婴l险习 聃,丑 城r、\1 删M(,》_.皿…竖0生缝 删一删n%《,}+i//dt)
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air)堋¨.jl幽_暨2

图3-6

Simplex编码原理示意副63】

所以最终恢复后的系统均方误差为:

£{业塑掣姒∽悟36=譬



…¨I



p24, …~7

如果采样传统的累加平均算法,当累加次数N=3时,系统的均方误差为£。
定义编码提高信噪比倍数相对于累加平均提高信噪比倍数为编码增益M,所以当 编码长度为3时,

鸠=\f同3 1仃74三=万2
二’V

(3.25)

上述算法当扩展到编码长度为L时编码增益与编码长度L的关系可以表示为【65】:

吮。丽L+I(3-26)


由图3-7可看出,当编码长度为63时,编码增益约为4,当编码长度为255时, 编码增益约为8。

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图3?7编码增益与Simplex编码长度的关系图

我们用Matlab软件对拉曼散射原始信号加上一高斯白噪声进行模拟仿真,然
后分别采用单纯的255次累加以及采用255bit的Simplex编码进行数据处理,所得

图形如图3.8所示,其中(a)图为255次累加平均,(b)图为255bit的Simplex编码,
可看出,经过编码处理的信号明显比累加平均具有更高的信噪比。为了定量分析

信噪比提高的程度以及对理论公式进行验证,我们分别计算了两路信号的均方根 误差,得出两路信号的编码增益为:

鸠(2551 27.82,Mos(255)=8.05

与理论结果三辇兰≈8.02基本相符。

图3.8加噪声后的原始信号

从以上分析,可看出Simplex编码能够非常有效地提高拉曼测温系统的信噪

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比,进而提升系统性能和指标,使得拉曼系统得到更广泛的应用。因为目前实验 条件有限,Simplex编码未用于本套系统,论文不再赘言,我们将在以后继续对编 码技术方面进行研究,并尝试在不改变硬件的基础上,通过其他方法实现编码方 式提供系统的信噪比。






FilⅪt

in捌a/m

(a)

图3-9数据处理效果比较,(a)累加255次,(b)255bit Simplex编码

3.5本章小结
本章主要介绍了分布式拉曼测温系统的设计方案,分析了各项系统指标的定
义及影响因素,并在此基础上讨论了系统的信噪比的影响因素,着重介绍了提高

信噪比的方法,包括累加平均算法、小波变换算法及Simplex编码方法,分析了其 降噪原理,并理论模拟了累加平均算法和Simplex算法的去噪效果曲线,为后面的
温度测试实验及信号处理做好理论准备。

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第4章分布式光纤拉曼测温系统的实验

4.1实验装置
根据我们的指标要求,综合各方面因素考虑,选择成都华赢光电公司生产的
脉冲光纤激光器,如图4.1所示,具体指标如表4.1所示。

图4.1脉冲光源实物图 表4.1脉冲光源的参数介绍

系统所选用的光电探测器为成都华赢公司生产的双通道APD模块,具有增益 高、稳定性好、灵敏度高的特点,如图4.2所示,具体参数如表4.2所示。

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图4-2光电探测器模块实物图 表4.2APD模块参数

根据系统设计的性能指标要求,我们选择了深圳创鑫科技公司生产的高速数 据采集卡,操作软件为VS2005,以C撑语言编写,如图4.3所示,可实现FPGA累

加平均1~15000次,采样率可达150MHz,以太网通信速率100M。

39

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图4.3数据采集卡实物图

4.2实验准备
4.2.1温控实验 根据前面介绍的具体方案思路,我们选择DSl8820芯片进行温度测量,它的 测温范围为--55℃"-+125℃,可编程的分辨率为9~12位,对应的温度分辨率分 别为0.5℃、0.25℃、O.125℃和O.0625℃,可以实现高精度测温,其外围电路如图
4.4所示:

+5v

图4-4 DSl8820外围电路

我们选择的加热管功率为100W,由220V交流电供电,图4.5为该加热管的 驱动电路。双向可控硅BTAl2—600B与加热管串联,光电耦合器MOC3022通过单

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片机输出的PWM调制波控制可控硅的通断,进而控制加热管是否加热。



图4-5加热控制电路

为了通过PID算法设定合适的PID系数对温度进行控制,我们将DSl8820测
得的数据与设定值进行比较,控制在一定时间内导通的交流电周期数,实现对温

度的控制,所以需要过零检测电路将交流电的过零脉冲提取出,输入单片机的外 部中断口INT0,单片机通过接收该信号,计算交流电周期个数。根据PID返回的 控制量导通一定个数的交流电周期。过零检测电路主要是由一个10V的变压器和
光耦TLP521组成,如图4—6所示。

飞j


图4-6过零检测电路

对于PID参数的设定,我们首先仅设定比例系数,观察到基本的振荡曲线, 然后在此基础上再设定积分系数消除上下波动的影响,然后设定微分系数,控制

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升温速率。测得的温度值通过串口通信软件输出到计算机上,作出的温度曲线如 图4.7所示,分别为50*C和60℃,可观察到温度精度为±0.25℃。
酆 :3





^.一

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稻 ∞ 耶

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舒 簦 p、oJl暑缸(I毒。■


" ∞

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站 ∞

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

nme,s

(b)

图4—7温度控制系统所测得的温度曲线,(a)设定温度值为50"C,(b)设定温度值为60。C

4.2.2采集卡校准 由于数据采集卡获取的数据为数字量,需要通过计算转换为相应的电压值,
设直流偏置量为f voff,采集卡的电压采样范围最大值为flex vref,对于我们实验 所用的采集卡,输入电压V与采样数值Vdata有如下关系:V=0时, Vdata=f_voff=2048;V---flex—vref/2时,Vdata=4096;V—flex—vref/2时,Vdata=0; 所以可以得到输入的电压信号计算的理论公式为:

V=(Vdata—f—voff),flex—Vref/4096

(4—1)

但是由于实际操作中直流偏置量并非完全符合理论值,所以该公式在实际应用中
会产生一些误差。为了能够真实有效地表示采集卡采集到的电压值,而且也为了 验证采集卡的线性度是否良好,我们需要通过实验完成对采集卡的校准和电压公 式的重新标定。

具体来讲,我们搭建了实验电路,产生某一确定电压值的电压,分别输入采
集卡的Anti.Stokes和Stokes两个通道端口,然后采集卡将采集到的数据保存;通 过调节滑动变阻器,产生多组不同的电压值,重复以上实验步骤,最后将采集卡

保存的数据和真实电压值作图拟合,确定二者的具体线性关系。对于Anti.Stokes
通道,输入的真实电压值分别为80.9mv,114mv,148mv,182mv,219mv,256mv, 298mv,337mv,377mv,418mv;对于Stokes通道,输入的真实电压值分别为79.6my,

42

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112mv,147mv,182mv,218mv,255mv,296mv,335mv,375mv,416mv。根

据真实值与采集卡采集的数据作出拟合曲线如图4.8所示,其中(a)为Anti.Stokes 通道,(b)为Stokes通道,可以看出,数据采集卡的两个通道均具有非常高的线性
相关系数,拟合曲线的表达式分别为:
vo,=1.6721x10~XVdata—as一484.93

(4—2) (4—3)

K=1.6841x10~×Vdata—S-493.06

式中,VOS,K分别为输入到Anti-Stokes通道和Stokes通道的真实电压值,
Vdata as,Vdata

S分别为数据采集卡采集显示的数值。所以,在后续实验中直

接将采集卡获得的数值代入公式,即可转换得到其对应的电压值。

图4.8数据采集卡的电压标定拟合曲线,(a)Anti-Stokes通道,(b)Stokes通道

4.3温度测试实验

由式2.10和2.11可看出,由于Anti.Stokes和Stokes光在光纤传输时会有衰
减,造成测得的Anti.Stokes和Stokes信号曲线是倾斜的,而且由于两路光在光纤
中的衰减系数不同,所以取二者比值,得到的比值曲线也是倾斜的,这对我们进 行温度解调带来了很大困难。从理论公式来看,光纤的衰减系数为一个常数,只 需要知道该系数即可消除衰减的影响,但是在实际实验过程中,我们发现光纤的

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衰减系数并非处处相同,不能简单地以一个常数来确定。衰减系数与光纤位置有

关,可以表示为a(L)。为了实现温度解调,首先我们需要求出光纤的衰减与光纤
长度的关系式,从而对比值曲线进行衰减补偿。 根据衰减系数的定义,可将获得的比值曲线表示为:
口∞(工)一口。(上)

如。(L)=尺(三)?10

10

(4—4)

式中,R删。(三)为衰减的比值信号曲线,R(L)为消除衰减影响的真实比值曲线, a。(L),口,(L)分别为Anti-Stokes和Stokes光在光纤中的衰减曲线,可将式4-4
简化为:

‰(L)=月(£)?10一m’
对式4.5两端求对数,得:

(4.5)

F(L)=Iog[R…(上)]=一/(L)+Iog[R(L)]

(4-6)

可将109[R(上)]看作函数F(£)的常数项,所以具体的衰减补偿步骤为:①对衰减
的比值曲线求对数,然后进行拟合得函数F(三);②去掉F(L)中的常数项,再取 对其取负,即得厂(上)。
将整条光纤置于常温下,由采集卡获得数据并根据式4.2及4.3转换为电压值, 累加平均45000次,得到信号曲线如图4-9(a)所示。对两路信号求比值,作出比值 曲线如图4-9(b)所示。根据上述衰减补偿步骤,对比值曲线求以10为底的对数, 得到曲线如图4.10(a)所示,利用Matlab软件对其进行拟合,得到拟合函数为:

F(L)=8.9312x10-'1.L:.1.6053x10-16"r+9.9934x10-13.L3.1.6096x10-9-L"’.1.3741×10-'‘.L.0.5237则
衰减补偿函数为:

厂(£)=-8.9312x10-'1.L5+I.6053x10-16.*L4.9.9934x10

13.L3+1.6096x10-9.f+1.3741x10-s-L

然后将原始比值曲线作如。(£)?10小’处理,即可得到衰减补偿后的比值曲线,如
图4—10(b)所示,可看出经过衰减补偿后的比值曲线基本处于水平,效果较好。

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图4-9(a)累加45000次所得Anti.Stokes与Stokes信号曲线;(b)LL值曲线

0.31

O.3

-.。。.。。。山~止L..uk山。。№I.IUu_山.

可1”””…”叩’r几孵啊叩刖邢"叩i
O.29




o.28


0,27

0.26

0.25 1000 2000 3000

Fiberlength/m

Fiber

I嘞/m
(b)

4000

5000

6000

7000

(a)

图4.10(a)对比值曲线求对数之后进行拟合;(b)衰减补偿之后的比值曲线

4.3.2温度解调
根据2.3章节所述温度标定原理,我们选择200m-300m段光纤作为参考光纤。

根据理论计算可知参考温度越高越好,但是对于实际生产应用时并不方便,还需
要单独设置一个加热装置使参考光纤处于温度较高的环境,所以为了简便而且也 能避免在44℃,我们选择室温作为参考温度,即将参考光纤绕成直径20cm的光 纤环,置于室温下,同时在其周围放置4个温度传感器DSl8820,将测得的温度 值返回计算机计算其平均值作为参考温度。将570m.770m段光纤置于恒温箱中, 恒温箱设为60℃。 开启实验系统,将采集卡采集的两路数据作比值,两路信号均已经过45000 次累加平均处理,原始比值曲线如图4.11(a)所示,然后对该比值曲线按照4.3.1部

45

山东大学硕士学位论文

分介绍的衰减补偿方法进行补偿,结果如图4.1l(b)所示,可见尽管已经经过45000 次累加平均,补偿后的比值曲线已经较为水平,但是噪声波动依然有些大,所以 我们对补偿后的比值信号采用小波变换模极大值法进行消噪处理,处理后的比值
曲线如图4-ll(c)所示。

Fiber length/m

Fiberlength/m

(a)

(b)

Fiber

l哪/m

Fiberlength/m

(c)

(d)

图4.1 1光纤570m.770m段在60。C下的温度测试实验(a)Anti.Stokes与Stokes信号累加45000 次后所得比值曲线;(b)衰减补偿后的比值曲线:(c)经小波变换模极大值方法处理后的比值曲 线;(d)解调后的温度曲线

经过小波变换处理后的比值曲线噪声得到了有效的消除,信噪比得到明显提 升,而且最重要的是处理后温度突变区域未被平滑,依然能够保持,这也是小波 变换模极大值法相对于其他滤波消噪方法在该系统中对于温度突变点处理上的独 特优势。由温度传感器测得的参考温度平均值ro为20.13℃,计算出200m-300m

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段光纤的比值平均值RfTo),根据温度计算公式2.28,可得解调后的温度曲线如图
4.1 1(d)所示,测温精度为士1℃。

根据以上步骤,我们又进行了多组温度测量实验,将光纤2280m~2380m段分 别置于30。C,40。C,50"C,60。C恒温环境下,经过解调后的温度曲线如图4.12所 示,可看出测温精度均可达到士1℃。此外,由于空间分辨率也是系统的一项重要 指标,根据空间分辨率的定义,由图4.13可看出,系统的空间分辨率约为3m。因 此系统的基本指标为:测温距离6Km,测温精度士1℃,空间分辨率3m。

Fiber length/m
图4.12光纤2280m~2380m段在30"C,40"C,50"C,60。C下的温度测量曲线

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Fiberlength/m 图4.13空间分辨率测试

4.4本章小结
本章主要介绍了分布式光纤拉曼测温系统的相关温度测试实验。首先介绍了
脉冲光源、光电探测器、数据采集卡的各项参数,并进行了恒温系统测试实验及

数据采集卡校准实验。然后分别对不同温度下系统的测温精度进行了测试,系统 可实现6l(IIl测温距离,空间分辨率3m,测温精度土1℃。

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第5章分布式光纤拉曼测温系统的优化

5.1引言
上一章节详细介绍了分布式光纤拉曼测温系统的温度测试实验,实验结果表
明已经达到了预期的系统指标。在此基础上,本章对该系统进行深入分析及相关

的优化,主要是从两个方面考虑:~是光电探测器直流偏置量对温度解调的影响,
探究新的温度解调方法。由于系统测得的信号光强度并非理论值,所以直接利用

理论公式进行温度解调,不可避免地会产生较大的误差。我们提出一种双参考点
的温度解调方法,通过已知温度值的不同位置处的两个参考点,计算出光电探测

器Anti.Stokes和Stokes通道的直流偏置量,修正了温度解调公式。二是系统中波
长色散的影响和补偿。由于系统采用的是多模光纤,不可避免地会受到色散的影

响,模间色散会导致脉冲展宽,进而会导致空间分辨率下降,而由于Anti.Stokes
光与Stokes光的速度不同造成探测器接收时会产生时间误差,导致采集获得的数 据并非对应于光纤同一位置,当利用两路信号比值进行温度解调时会产生测量误 差。针对这个问题,我们提出了一种消除波长色散影响的自修正算法,并进行了 模拟仿真。

5.2双参考点解调方法
根据前文介绍的温度解调原理,为了消除脉冲光源输出功率的不稳定、光纤 弯曲损耗、接头损耗对温度测量的影响,提高测温准确度,在系统设计中,我们 采用双路解调的方法,即分别采集获取Anti.Stokes光和Stokes光信号,利用两者

强度的比值获取温度信息。由于Anti.Stokes光具有更强的温度敏感性,因此将

Anti.Stokes光作为信号通道,Stokes光作为参考通道,则两者之间的强度比与外界
温度的关系可由理论公式表达:

即,专=c等)4e冲(_警)

洚,,

49

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可得温度的理论表达式为:

一1:一—k—[Ing(r)+4
T hay

h1冬)](5-2) 、允。“

式中,乞,t可认为是理想光信号强度或者其对应的电流信号强度。由式5-1可
看出,温度与两路信号比值并非简单的线性关系,而是温度的倒数与比值呈一个

对数关系。而且由于光信号直接探测其强度比较困难,一般都是通过光电探测器
进行光电转换和多级放大,转为光电流信号进行采集和分析。

所以,一般我们获取到的并非实际产生的散射光信号对应的电流强度,理想 的乞,l无法精确获得。由于探测器存在直流偏置以及比例放大,所以我们由采
集卡获取到的信号实际上为:
11=AdsIos+Dds

(5-3、) (5-4)

厶=4t+皿

其中,以,4分别为探测器对Anti?Stokes光和Stokes光电流的放大倍数,p∞,

D。分别为两路的直流偏置量。由于Anti.Stokes光强度比Stokes光弱,所以放大倍
数以>A,。如果直接用获取到的信号代入温度计算公式进行温度解调,不可避免
地会对温度计算带来一些误差。为了消除直流偏置量和放大倍数的影响,我们提
出了一种双参考点温度解调方法,即通过已知两点的温度对Stokes光和Anti.Stokes 光的放大增益和直流偏置量进行计算,进行温度解调的方法。 令II=AosI ox+Das,I 2=AsI s七D s,醚式5-2变为

LT一去hcA),陋c糟D…hc如hc务


■一

、A,7

、彳.,“

p5,
、 ’

令q

2一面k,巳=4m受)地c乏)],

知呻(等m:]

(5-6)

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系数q,c:,p船,B可由实验标定。但由于该方程为非线性方程,而且进行实际 测量时不可避免地会受到未知因素的干扰影响,所以我们可在一定的范围内寻求
最佳的系数,达到自适应调整的目的。原问题变为求解方程组

lIl

IlA--玩)山亿一一堪)托z=去①
c5-7,

:::1:二三二:二::{蔓:二三:二兰三妻兰
h1(‘f一以)山(k一皿)+乞=去③

111(/,D--吃)-h(。皿)+c:=去④
一般情况下,可认为Cl,c:是不随测量过程发生变化的,但是需要事先通过实验进
行标定,可认为是常量。则公式简化为

{}::≥:二乏;二::乏:二善;j三乏詈 lf 1Il(厶B一吃)也(厶B一以)I=62②
肌岛=去_,如=去_,

c5—8,
、。

其中,下标A,B分别表示光纤的两个不同位置,即我们所选择的两个参考点,由 式可看出,通过光纤两个不同位置处的Stokes信号和Anti.Stokes信号,即可计算 得出此次测量中的直流偏置量,然后再将计算得到的直流偏置量代入温度计算公 式,即可获取整条光纤的温度信息。 具体实验步骤如下: (1)通过实验确定常数c1,C:。获取N个位置点的温度值(N>3)分别为T1,T2…… TN,设定一个范围给C,,C,赋值,然后代入公式,可计算出各个点的温度为Tl,

T:……TN。计算6=√(互一互,)+(正一巧)+…+(瓦一砭),选择当其为最小值时的c,,

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c’作为我们所采用的常数量;

(2)选择4段光纤,长度约为35米,分别置于处于不同温度的保温杯1,2,3,4, 利用保温杯1和2中的温度值,代入双参考点法计算公式,计算出两路信号的直

流偏置量玩和Os;
(3)通过已经确定的q,c2,以及(2)中计算得到的Ogts和皿,将保温杯3和保 温杯4的数据代入公式计算温度值,可对比观察计算值与真实值的误差。具体实
验结果如表5.1所示。
表5.1温度测试结果

通过对实验结果的分析,可看出计算出的温度值与实际值相差约在士1.5。C。 从应用的角度来看,本文提出的方法无需一个恒温装置设置参考温度,也无需通
过常温下的温度曲线进行温度解调,只需要已知具有温度差的光纤上两个不同位 置的温度即可,简化了设备的硬件要求。而且该方法可有效计算信号中的直流偏 移量,测量精度也可满足一般实用性要求。

5.3色散的影响及补偿
色散是指不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传播的物理现 象,光信号在光纤中以群速度传播,群速度的定义为:

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dco
、g

2面

(5-10)

式中,∞为光载波的角频率,卢是相位常数。构成介质材料的分子、原子可以看 成是一个个谐振子,在外加电磁场的作用下,做受迫振动。介质的折射率可以表
示为: ”=门+加’ f5.11)

折射率的实部和虚部在谐振点附近随频率的变化情况如图5.1所示,一般介质不止
一个谐振点。

』∞。




图5-1折射率的实部和虚部在谐振点附近随频率的变化

在谐振点附近,介质产生强烈的吸收,所以工作频率应该尽量远离这些谐振
频率,这样我们只需要讨论折射率的实部即可,在0.2,--4.Ogrn波长范围内,石英光

纤的纤芯折射率与波长的关系近似为【删:
力2—1= 0.696 1 663A2 0.407942622

其中:行为光波在光纤中的折射率,A为光波的波长, 折射率对波长的导数为:

砉一鲁善尚2
dA

力鲁fA,2一a,2

伶聊 u吖圳

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万d2n=三/7善i=等筹3一捌2
dA2



fA2一允.2

胛L dA/J

p,4,
、 ’

5.3.1色散的影响
对于分布式拉曼测温系统,拉曼散射波长与入射光波长的关系为 (5?15)

i1。石1+△y k九 石1 九 2石1?△y 九
。 。

式中,九为入射光波长,丸,九分别为Anti—Stokes光和Stokes光波长,△y为拉
曼频移波数;入射脉冲光源波长选择为1 550nm,对于石英光纤△y=440c聊~,计算 得到:

k21451nm,九21663nm

(5—16)

由式5.12知对于不同波长,折射率不同,因而其在光纤中的传播速度不同,

根据v=∥行,可以计算出入射光、Anti.Stokes和Stokes光在光纤中的传播速度分
别为: %=2.0775x108m/s%=2.0759x108m/s
k=2.0795x108m/s

(5.17)

根据拉曼测温系统的工作原理,不同时刻采集到的散射光反映光纤不同位置处的

温度信息。由于色散导致两路散射光在光纤中的传输速度不同,而采集卡一般两
路采用相同的采样率,所以对于相同的采样时间间隔,获取的两路数据点并非对 应于光纤中的同一位置,而是会产生位置误差。假设在某一时刻,,获取到的两路

数据对应的光纤长度分别为I和乙则有:

上+生:生+生
1,m Vs

(5.18)



V“

将式5.17带入,得到当以Anti.Stokes光对应的空间距离为参考时,两路信号的位
置差与光纤长度的关系,如图5-3(a)所示。由图可看出位置误差与光纤长度呈线性 关系,当光纤长度较短(2Km内)时,两路信号的距离误差可以忽略。当光纤长 度为4Km时,两路信号的位置误差大约为3.5m,随着光纤距离的增加,误差越来 越大,因此在一定程度上也限制了系统传感距离的延长。

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目前,在对信号进行温度解调时,根据双路解调原理,假如未考虑两路光信
号速度不同带来的误差,对于相同的采样时间间隔,认为其是对应于空间同一点

的温度信息,将对应的采样点数据分别作比值计算。但是,根据上述分析由于两 路散射光速度不同,在相同采样率时,会导致同一时刻采集到的Anti.Stokes和 Stokes信号对应于空间不同的点,在进行比值计算进而获取温度信息时,两路信号
不对齐就必然会导致系统的空间分辨率下降以及产生温度测量误差,甚至出现和

实际温度相反的情况,所以需要采取相应的补偿措施或者补偿算法对该温度误差
进行修正。

5.3.2色散补偿
对于分布式光纤测温系统中的波长色散影响,传统的解决方法是采取加入不 同长度的匹配光纤,使得Stokes和Anti—Stokes光路通道保持一致,以消除因两路

光速度不同而造成的位置误差。但是该方法只能对某一具体长度处的数据进行补 偿,而这种由于色散引起的两路信号时间差是处处存在的,所以该方法具有一定
的局限性,而且操作比较复杂,很难精确补偿长度差别。 我们提出一种自修正算法对波长色散进行修正补偿,通过该算法可以对整条

光纤各个位置处的位置误差进行有效地补偿,进而提高温度测量精度和空间分辨
率。该方法的主要思路为:

(1)分别计算出Anti.Stokes光路和Stokes光的速度;
(2)根据采样时间和两路信号的传播速度与光纤距离的对应关系,计算出采集到的 两路信号中各个采样点对应的光纤位置;

(3)以Stokes光路的数据为基准,通过程序进行自查询,在Anti—Stokes光路的数
据中查询选择与Stokes光路各个数据点对应的光纤位置最接近的数据点;

(4)根据查询结果,修正比值曲线,获取真实温度信息;
具体地来讲,根据采样时间和两路信号的传播速度与光纤距离的对应关系

么2瓦以。瓦 乙2薏小若
计算出某一时刻,数据采集卡采集点分别到Stokes和Anti-Stokes两路光信号开始

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返回所对应的光纤位置点之间的距离‘、乙,其中以、‰分别为Stokes光和

Anti.Stokes光在光纤中的折射率,分别将‘、乙存储于数组(t)和(乙)中,数组长 度即采集点个数均为N,Stokes光和Anti.Stokes光的第N个采集点所对应的距离 分别为‘、12,因为Stokes光的传播速度大于Anti.Stokes光,所以‘>12。将数组(‘)
中大于z:的数据点舍弃,将小于?2的数据存储在f。数组中,k数组长度为Ⅳ7。假

设数组恕中第n个元素表示为ls,(刀),刀=1,2,3,..…N’,按照下标从1开始的顺序, 依次将元素匕(刀)与数组(乙)中的所有元素比较大小,选出差值绝对值最小的乙作 为对应元素乙’(”),存储到新数组乙’当中作为其第n个元素,k(门)与k’(刀)为修
正后的对应于光纤同一位置的数据点,具有一一对应关系。
9 8








譬I,专tu




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.夕。








L101 1so山
々-


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, O



















10

Anti?Stokes position/km

Anti-Stokes position{km

(a)

(b)

图5.2 Stokes与Anti-Stokes信号的位置误差(a)未经补偿,(b)经过补偿后

通过该算法进行修正补偿后,两路的位置误差如图5—2(b)所示,在10Km范 围内位置误差呈周期性变化趋势,在士0.5m范围内,与图5-2(a)相比,位置误差被

有效地降低到可允许的范围,消除了色散对传感距离延长的限制。
图5.3分别为理论模拟的未经补偿和经过算法补偿后采集到的两路信号图,其 中在光纤6000m~6020m处具有温度变化,其余光纤处于室温下。由图5-3(a)可看 出,由于采集卡的采样速率相同,而Stokes光的速度大于Anti.Stokes光,所以虽

然温度变化区域相同,但是Stokes光路最先采集到温度变化,两路信号数据点发
生错位。

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_s眦篑跚叫.

≥1.5
墨 ≥

星1

广]删‘
0.5 I I

,Stokes

s嘲m

6000

酏50

6100

6150

Fiberlength/m

Fiberlength/m

(a)

(b)

图5-3采集到的Stokes和Anti.Stokes信号(a)未经补偿,(b)经过补偿后

根据分布式拉曼测温系统常用的温度解调方法,通过选择200m~300m段的光 纤作为参考光纤,所处参考温度为室温瓦=27。C。光纤6000m,-6020m温度为60。C, 7000m~7020m温度为80。C。当未进行波长色散修正时,直接取两路信号的比值进

行温度计算,则肚槲,根据温度公式2-28,理论计算结果如图54(a)所示
可明显看出在温度变化区域有明显畸形,尤其是发生温度变化的上升沿处,精度 误差在5℃左右。通过算法对其进行修正补偿后,经过纠正后的温度比值为

肚榭,转换为温度曲线如图5-4晰示,温度曲线与实际较为符合,温度测
量精度和空间分辨率得到了有效提高。

通过以上理论分析,我们很容易看出,通过该算法进行补偿修正,可以对光 纤各个位置点进行补偿,消除了色散对温度精度的影响,可以对光纤所有测量点
进行修正补偿,另外仅需在算法上对采样数据进行搜寻找到最佳吻合点进行比值 计算,无需对硬件系统改进修正,方便简单,显著提高了温度测量精度。我们会 在将来的实验工作中对该算法进行实验验证。

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如 p\u_l暑∞.g叁IJ矗一 ∞ ∞
加 掩

5.4本章小结
本章主要是在已有的实验系统基础上,对系统进行了相关分析研究及优化,
提出了一种基于双参考点的解调方法,即通过光纤两个不同位置且处于不同温度

的两个点计算出直流偏置量,然后对标定公式的参数进行实验标定,由测试结果
可看出该方法具有较好的测量精度。此外,针对系统中波长色散的影响,提出了

一种可以消除由于两路信号速度不同造成采样点对应的位置误差的自修正算法,
从理论上对该算法进行了模拟分析,通过该算法可以有效提高温度测量精度,而 且方便简单。

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总结与展望

分布式光纤测温系统是集光、机、电、计算机及弱信号检测为一体的高科技

产品,由于其具有抗电磁干扰、耐高压、抗辐射、灵敏度高等独特的优势,逐渐
被应用于电力电缆的温度监测、油田矿井安全监测以及大坝、隧道等领域。该系

统与传统的点式温度传感器不同,通过一次扫描即可获得整条光缆各个点的温度 信息,真正实现分布式测量。目前采用的技术主要基于拉曼散射和布里渊散射两
种。基于布里渊散射的分布式光纤测温系统结构较为复杂,成本较高,且易受环 境应力的影响,因此分布式光纤拉曼测温系统更方便使用,更受用户的青睐。

基于以上应用背景,本论文主要设计完成了分布式光纤拉曼测温系统,并进 行了温度测试实验,达到了测温长度6Km,测温精度士1℃,空间分辨率3m的系
统指标,满足一般生产应用的需求,并在此基础上对系统进行了深入分析研究和 相应的优化,本文主要论述了以下内容: 1.介绍了分布式光纤测温系统的独特优势及在各行各业的广泛应用,概括 了分布式光纤测温系统在国内外的发展状况以及目前的研究热点。

2.基于拉曼散射的温度效应和光时域反射原理,分析了分布式光纤拉曼测温
系统的温度解调原理。设计了系统方案,并分析了选择各个器件时需要考虑的性 能指标和注意事项,讨论了系统各项指标如空间分辨率、温度分辨率、测温精度 的定义和影响因素。由于后向拉曼散射信号较弱,系统的信噪比对系统指标起着 至关重要的作用,所以我们还分析了影响系统噪声的主要来源,以及相关提高信

噪比的算法,主要包括累加平均算法、小波变换算法以及最新的Simplex编码方法。
3.在已有的理论分析基础上,根据系统方案完成了分布式光纤拉曼测温系 统的实验装置,并进行了相关的温度测试实验,获得了较好的系统指标。

4.提出了一种双参考点温度解调方法,只需要已知具有温度差的光纤上两
个不同位置的温度即可,简化了设备的硬件要求,而且该方法可有效估计测量信 号中的直流偏移量和放大增益,测量精度也可满足一般实用性要求。提出了一种 消除波长色散影响的自修正算法,可以有效地消除由于两路信号速度不同造成的

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采样点偏差,提高了系统的测温精度。 通过对该实验系统的设计和相关实验的完成,我受益匪浅,不仅学到了很多 专业知识,如数据处理方法的应用、软件的编程和仿真等,还使我熟悉了一个实
验系统从调研、方案制定、到最终完成测试的一系列流程,积累了相关的项目经

验。由于实际和经验的限制,本系统还有一些工作未完成,未来的工作将主要集 中于以下几点:(1)对该系统中由于光源功率过高造成的受激拉曼现象进行深入 分析和探究,期望找到既能避免产生受激拉曼散射,又能充分利用光源功率,提
高散射信号功率;(2)对光电探测器进行改进,降低噪声,提高系统的信噪比, 进而提高系统的空间分辨率、测温精度等指标;(3)将系统实用化,真正应用于 生产实际中。

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discrete multiple wavelet
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山东大学硕士学位论文

致谢

值此论文结束之际,首先衷心感谢我的导师常军教授,在学术上,常老师学 术渊博、治学严谨、创新精神强,在光纤传感领域有着自己独特的见解和广阔的
研究视野,老师对科研工作的热情和执着激励着我不懈努力;在生活上,常老师 也给予了我无微不至的关怀和帮助,他待学生如自己的孩子,从人生观和价值观

方面对我们谆谆教导,督促我们奋勇上进、积极进取,让我对人生有了更高的目
标和追求,我所取得的每一点进步和成绩都凝聚着老师的心血,正是在常老师的 悉心教导下,我才能顺利完成硕士阶段的学习和科研工作,在此向常老师致以诚 挚的谢意和崇高的敬意。

感谢实验室的所有师兄弟姐妹们,宋复俊、孔德龙、朱存光师兄,王朋朋师 姐,王宗良组长,张燕同学,刘永宁、蒋硕、罗沙、刘晓慧、孙柏宁、王强、魏
巍、田均强、宋海永等师弟师妹们,感谢你们给我的学习和生活上的帮助,感谢 你们让我们的实验室像一个幸福美满的大家庭,和你们相处的点点滴滴都会是我 研究生阶段最珍贵的回忆。也非常感谢光学工程班级其他同学对我三年的研究生 学习和科研上的帮助和支持,谢谢你们! 感谢一直默默关心支持我关爱我的亲人们,因为有你们,我才有了前进和努 力的动力! 最后感谢所有审阅论文的老师们,感谢答辩委员会主席及答辩委员会专家, 论文难免有不足之处,恳请您批评指正,谢谢你们!

王伟杰 2013年4月

山东大学硕士学位论文

攻读硕士学位期间所获成果

学术论文
Weijie Wang,Jun
Dispersion Analysis Chang,Guangping
on

Lv,Zongliang Wang,et a1.,Wavelength

Fiber-Optic Raman Distributed Temperature Sensor System.

Photonics Sensor.DOI:10.1007/s13320-013-0102-y,2013,in press

发明专利
王伟杰,常军,宋复俊,孔德龙等,通过驱动固体激光器增益介质消除空间烧孔
效应的方法,专利号:ZL201010277829.8

学位论文评阅及答辩情况表
姓名 论


专业技术


是否博导
(硕导)



所在单位

总体评价※

又 评

匿名 首毛


伽磊

阅 人

姓名 主席 答

专业技术


是否博导
(硕导)



所在单位

套僮

彩暖


垃 包

力莉碲魈
力东仁苎f季缸荔阮

己秀闭 貂摆
泐彳拖、 狲镌



委 员 会 成 员 员

曲称戈乙彳言瞄卢无




纨砬讫 历1压谴








协霖代莓疬甄、磋死

。 一



弓≥、友 磊褪



弘弛芬觎、芭疙






I。

答辩委员会对论文 的总体评价※
备注

饥农


答辩秘书

多9迎

答辩 日期

矽l≥≮t甚

※优秀为“A”;良好为“B”;合格为“C”;不合格为“D”。

基于拉曼散射的分布式光纤测温系统设计及优化
作者: 学位授予单位: 王伟杰 山东大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y2330127.aspx


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