分布式光纤温度测量系统数据处理技术毕业设计.doc

2011届毕业生毕业论文 题 目: 分布式光纤温度测量系统数据处理技术 实现 院系名称： 信息科学与工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 2012 年 5月15日IV摘 要分布式光纤传感技术是利用光纤的相关物理特性对被测量场的空间和时间行为进行实时监测的技术。光纤传感器作为一种测量新技术，利用光波导原理，具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、可挠性好、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、原料丰富、制造过程能耗少、节约大量有色金属等突出优点，近年来逐渐扩大应用范围和应用领域。在光电子技术、计算机技术和微电子技术的发展带动下，分布式光纤传感技术迅速发展，从理论研究走向产品化，解决了很多使用传统传感器难以解决的问题，也是传感领域研究的一个热点。分布式光纤温度传感器的光纤即是传输介质，又是传感介质，可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高，误差小，与单点或多点准分布测量相比具有较高的性能价格比，以其独特的技术优势广泛应用于工业、国防、航空航天、交通运输和日常生活等各个领域。本论文对基于拉曼散射的分布式光纤温度传感及其数据处理技术进行了系统而深入的研究，通过对长距离皮带传输线工作特性进行分析及试验，设计分布式光纤温度传感系统并应用于长距离皮带传输线的实际温度检测和火灾报警中。由于测量的反斯托克斯信号和斯托克斯信号非常微弱，完全淹没在噪声中。需要采用微弱信号处理技术。而且数据处理技术的性能对测量指标有重要的影响，在整个分布式光纤温度传感系统中具有重要地位，是系统设计中的重要一环。通过对各种新的信号处理技术进行研究，提出了一种基于高精度AD/转换器完成的信号处理方案。关键词: 分布式光纤 温度传感 光时域反射 拉曼散射 微弱信号处理Title Distributed Optical Fiber Temperature Measurement System Data Processing Technology AbstractThe distributed fiber temperature detection technology employed the physics characteristics to obtain the real-time spatial-temporal information of the detected field.Fiber sensor, As a new technology, based on the waveguide theory, has the advantages such as low dissipation, broad bandwidth, fine fiber line, low weight, easy coil, resistant to electromagnetism disturbance and the chemical erosion etc. With the rapid technique progress of photoelectron, computer and microelectronics, the fiber detecting technology is progressing rapidly and being broaden more and more applications in engineering. The fiber detection technology has solved many cases that were difficult with conventional measuring technique and became a research hotspot in detection technique field. In the sensing system, the fiber is not only the laser propagating medium but also the measuring signal carrier. The fiber temperature sensing system can detect the temperature vibration along the fiber which can be several kilometers or even long, and the system can reach high spatial resolution and small measurement error. Comparing with the point measuring method in the large space, the fiber measuring system can be used in industry, national defense, aeronautics and astronautics, traffic and living field with high performance. The dissertation researched the distributed fiber detection system with Raman scatting and the Data processing in detail, and the system was applied in long transmission line for temperature measure and fire alarm. Due to the measurement signals of anti-stokes and stokes are very weak, the weak signal processing technique is very important in a system and studied at length. Some new signal processing methods are analyzed and one practical method is given based on high resolution A/D converter.Keywords： distributed measurement fiber temperature sensor OT DR Raman scatting signal processing 目次摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1研究意义21.2国内外研究现状分析31.3 论文内容4第2章 分布式光纤温度测量系统52.1分布式光纤传感器系统介绍52.2分布式光纤温度测量92.3系统组成及技术指标102.4 分布式光纤传感器器件分析11第3章分布式光纤温度传感数据处理技术143.1分布式光纤传感系统的数据信号分析143.2 常用数据处理技术分析153.3信号处理分析17第4章 基于分布式光纤温度测量数据处理技术的小波分解的检测方法274.1 小波去噪原理274.2 小波去噪步骤294.3阈值的选取与量化294.4 小波消噪的MATLAB实现314.5 小波去噪的MATLAB 仿真对比试验334.6结果分析35结 论37致 谢38参考文献39第1章 绪论光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径迅速发展起来的一种崭新的传感技术。在光纤通信系统中，光纤用作远距离传输光波信号的媒质。入们很快发现，通信质量易受干扰的一个原因是光纤对外界环境因素十分敏感，如温度、压力、电场、磁场等环境条件的变化将引起光波参量，如强度、相位、频率、偏振态等的变化。这一现象启发人们提出了光纤传感的概念。如果能测出光波参量的变化，就可以知道导致这些光波参量变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小。另一方面，光纤本身有许多固有优点：如工作频带宽、动态范围大、适合于遥测遥控、长距离低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、防水、防火、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰、抗辐射性能好、对被测环境影响小等等。这促使人们在各个领域对光纤传感器进行深入研究，使光纤传感技术获得了飞速发展在航天、航海、石油化工、电力工业、核工业、医疗器械、科学研究等技术领域都取得了可喜的研究成果。 概括地说，光纤传感器就是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置。按照光纤在传感器中所起的作用，光纤传感器一般可分为两大类：功能型利用光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件，既感知信息又传输信息(有时又称为传感型光纤传感器或叫做全光纤传感器)；非功能利用其他敏感元件感知待测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号(有时也称为传光型传感器或叫做混合型传感器)。对功能型光纤传感器来说，核心问题是光纤本身起敏感元件的作用。一种情况是：光纤与被测量对象相互作用时，光纤自身的结构参量(尺寸和形状)发生变化，光纤的传光特性发生相关变化，光纤中的光波参量受到相应控制，即在光纤中传输的光波受到了被测对象的调制，空载波变为调制波，携带了被测对象的信息；另一种情况是：光纤与被测对象作用时，光纤自身的结构参量并不发生变化，而光纤中传输的光波自身发生了某种变化，携带了待测信息。对非功能型光纤传感器来说，关键部件是光转换敏感元件。一种情况是：光转换元件与待测对象相互作用时，光转换元件自身的性能发生了变化，由光纤送来的光波通过它时，光波参量发生了相关变化，空载波变成了调制波，携带了待测量信息；另一种情况是：不采用任何光转换元件，仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能，结构十分简单。从上述讨论可知，无论是功能型光纤传感器，还是非功能型光纤传感器，最终都是利用光波参量的调制来实现待测信息提取的，即光波调制技术。从光波调制的形式来分类，有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制及颜色调制等。分布式光纤温度传感技术，就是利用光纤测量沿光纤走向几十公里连续空间的温度场分布情况。点式温度传感器，只能测试一小部分区域内的温度状态，而某些特定场合(例如空间飞行器、大型结构件等)，迫切需要对温度场的空间分布状态进行准确测量和实时监控，此时虽然可以用多个点式温度传感器的阵列进行测试，但其测试过程复杂，且不经济、不准确、不可靠。分布式光纤温度测量系统为强电磁场、高压大电流、易燃易爆、复杂几何空间等恶劣环境的温度场测量与控制，提供了可行的新手段。分布式光纤温度传感器利用光纤作为温度信息的传感和传输介质，光纤设在整个温度场中，可以测量光纤沿线的温度分布情况，随着光纤的增长，测量点数的增加，单位信息的获取成本大大降低，这是分布式光纤温度传感器相对于其它温度传感器的显著优点。1.1研究意义分布式光纤传感技术是利用光纤的相关物理特性对被测量场的空间和时间行为进行实时监测的技术。该项技术对水库大坝、桥梁、飞机、输油气管线、大型仓储设备、大型变压器和输电线路等应力场和温度场分布的有效监测有着重要的应用价值。在科研和工程技术中有许多场合需要确定温度和应力的分布。例如长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布，桥梁、大坝、仓库、大型建筑隧道、高压容器、航天器机身等的温度分布，电子冶金化工等许多行业的生产中也都需要对多个温度点同时进行监控，如测量存储易燃易爆或其它物质的大型存储罐的温度分布，结构复杂的大型设备以及回转设备的温度分布等。传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃易爆环境或腐蚀性环境中工作。对于采用点式温度传感器实现温度的分布测量还存在难于安装、难于布线、难于维护的问题。分布式光纤温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高，误差小，与单点或多点准分布测量相比具有较高的性能价格比。分布式光纤温度传感器具有很多优点:(l)光纤是本质绝缘的，适合易燃易爆环境;(2)光纤中传输的是光信号，抗强电磁干扰;(3)光纤纤细柔软易于安装;(4)可实现温度的分布式测量;分布式光纤温度传感技术以其对沿光纤分布的温度场可连续实时测量的特点而成为光纤传感技术中较为引人瞩目的一项新技术。用一根长达数千米的光纤可以连续地测量沿其分布的温度场的实时信息具有重要的理论价值和实际意义。分布式光纤温度传感技术不仅具有一般光纤传感技术的传感和遥测传输方式的特点，而且由于光纤的空间连续，可以在沿光纤分布的路径上同时得到被测量的分布，解决许多特殊场合下其它传感器难以胜任的测量难题。因此，只要在一些需要多点测量温度、应力的场合都可以见到他们的应用。而且发展势头迅猛，应用前景广阔。1.2国内外研究现状分析基于分布式光纤传感技术的优势，其理论和应用研究一直是国内外研究的热点，也取得了一些卓有成效的成果。主要研究包括以下几方面:1. 拓展测量长度。现己经出现测量3Omk的产品，但在通信应用中，一般传输距离都可以超过。50km，所以研制长距离的分布式光纤传感系统在理论上是可行的，在实际也有需求，如长距离输油气管道的监测等。2. 进一步提高测量系统的空间分辨率和测量参数分辨率。现有系统己经达到空间为ml，温度为0.5，需要进一步提高测量精度。3. 采用新的光电器件和技术，提高系统性能。为提高测量精度，对光电器件有很高的要求，而且测量信号非常微弱，需要进行大量的计算和信号处理，完成测量时间比较长，也为产品化带来了一定的难度。国内外在理论和应用研究已经进行了积极的探索。依据信号性质，该类传感技术可分为4类:利用后向瑞利散射的传感技术;利用喇曼效应的传感技术;利用布里渊效应的传感技术;利用前向传输模祸合的传感技术。温度场的分布测量是科研和工程技术中温度测量的重要内容。典型的分布式光纤温度传感系统，能在整个连续的光纤上，以距离的连续函数形式，测量出光纤上各点的温度值。分布式光纤温度传感器是基于光纤内部光散射现象的温度特性，利用光时域反射测试技术，将较高功率窄光脉冲送入光纤，然后随时间变化将返回的散射光强探测下来。而背向散射光强随光纤环境因素变化而发生变化，从而可以确定沿光纤温度、应力等物理参数，也可以确定光纤缺陷、断裂及光纤长度等指标。从光纤返回的散射光有3种成分:（1）瑞利散射(Rayleigh scatter)（2）布里渊散射(Bri1louin scatter)（3）拉曼散射(Raman scatter)瑞利散射由于是光与物质发生的弹性散射，因而其波长不发生变化，对温度不敏感。而布里渊散射和喇曼散射是光与物质发生非弹性散射时所携带出的信息，将使入射光波长发生变化。光纤的散射光谱谱线是在激发线两侧对称出现的，其中布里渊散射对温度和应，拉曼散射光中的斯托克斯光对温度不敏感，反斯托克斯光的强度则随温度变化。1.3 论文内容（1）分布式光纤温度测量系统分析 对基于拉曼散射和瑞利散射的分布式光纤传感系统技术介绍，分析分布式光纤温度测量，和系统的技术指标，以及分布式光纤传感器的器件分析。 （2）分布式光纤温度传感器信号特点及几种传统信号处理方法 从分布式光纤传感器的数据处理原理出发，分析传感器所得信号特点，讨论了传统信号去噪检测方法用于分布式温度传感器信号检测去噪中存在的不足，并且进行了仿真分析。 （3）基于分布式光纤温度测量数据处理的小波分解的检测方法；提出小波去噪的原理，和去噪方法，可以有效的抑制系统的噪声，提高信噪比。并用MATLAB仿真实现。第2章 分布式光纤温度测量系统近几十年来，为解决温度场的测量问题，研制出了分布式光纤温度传感器，它相对于以电信号为基础的温度传感器和点式光纤温度传感器而言，无论是从测量技术的难度、测量温度的内容及指标，还是从测量的场合和范围都提高到了一个新的阶段。分布式光纤温度传感器系统，能在整个连续的光纤上，以距离的连续函数形式，测量出光纤上各点的温度值。分布式光纤温度传感器的工作机理是基于光纤内部光散射现象的温度特性，利用光时域反射测试技术，将高功率窄光脉冲送入光纤，然后将返回的散射光强随时间的变化探测下来。分布式光纤温度传感器基于背向散射或前向散射机理，其中背向散射具有温度测量的实际意义。由于实际应用场合不同，要求的技术指标也不一样，如有些需要空间分辨率要高，如在传输带托轴的温度检测中，测量直径只有10cm:有些需要测温精度高，如水库大坝的渗漏检测;有些需要长距离的传感长度，如输油管线的泄漏检测;而有些需要快速的温度测量反映时间，如故障诊断和火灾报警等。所以，系统设计要充分考虑应用要求，选择合适的器件和工作参数2.1分布式光纤传感器系统介绍（1）基于瑞利散射的分布式光纤传感系统瑞利散射是造成光纤传输衰减的主要因素，是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光与入射光频率相同。由于制造等的原因，光纤的密度和组成会沿光纤发生变化，从而导致瑞利散射。其光强与波长的4次方成反比()，因而长波长会迅速减小。当一部分散射光反射回发射端即产生瑞利背向散射。虽然其背向散射效应相对较强，但在常规材料的光纤中随温度的变化不明显，所以在实际温度传感测量中应用不多。第一个分布式光纤温度传感系统是Harotg和Pyane在1982年基于瑞利后向散射原理完成的，采用温度敏感的液芯光纤，由于可靠性不高而限制了它的应用。光时域反射(OTRD，Optcial time一dmoain reflectometry) 技术可以探测光纤断点的位置，主要在通信领域应用，也作为分布式光纤传感系统的一部分功能使用，即在测量系统中，不但要测量温度场的分布，还要确定一旦光纤在中间某处断裂，能立刻实时显示。光时域反射技术是分布式光纤传感器的基础。当光通过光纤所穿过的测量物理场时，光能量将以3种方式分配:1.一部分能量沿着光纤传输通道继续传播；2.一部分能量在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外；3.一部分能量被祸合至接受通道，被光电探测器探测。光时域反射技术就是通过测量背向散射光来确定测量物理场的信息。光通过光纤时，光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，发生自发布里渊散射。散射光的频率相对入射光的频率发生变化，这一变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关，可等效为一个以一定速度(频率)移动的密度光栅。与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响，因此，外界温度和应变的变化会影响频率的偏移。通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量。由于瑞利散射光较强布里渊散射大约比瑞利散射弱20dB)，而布里渊散射光频率靠近瑞利散射光，并且应力引起的布里渊频移一般都很小，使得直接测量极为困难，限制了基于布里渊。但是可以通过受激布里渊散射加强，并使用高灵敏度的相干接收器进行检测，使布里渊散射技术在实际系统中获得应用。当光背向散射时，布里渊频率偏移最大为: (2-1)其中刀是折射系数，Va是声速，是光的波长。当使用石英光纤时，n=1.46，Va=5945m/s,如果=1.32，则Va=13.2GHz。布里渊频率偏移随应力和温度变化线性增长: (2-2)其中是拉伸应变，t温度而tr是参考温度。应变和温度的比例系数Cs=4.6，Ct=9.4x10-5K。Horiguehi和Culverhouse等人建议采用以上特性测量分布式光纤的应变和温度。（2）基于拉曼散射的分布式光纤传感系统在任何分子介质中，自发拉曼散射将一小部分(一般约为10-6)入射功率转移到另一频率下移的光束中，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。从量子力学的观点来看，入射光波的一个光子被另一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成其两个振动态之间的跃迁。入射光作为泵浦产生斯托克斯(stkoes)波的频移光。当频率为Vo的激光进入光纤时，在其背向会产生拉曼散射，即频率不同于入射光的散射光。由于其分子量很少，所以拉曼与瑞利散射相比相当弱，大约低30dB。拉曼散射光子的频率既可向低处移动(斯托克斯频移)，产生的斯托克斯散射光比入射光波长长:；也可以向高处移动(反斯托克斯频移)，产生的反斯托克斯散射光比入射光波长短: ;其中为入射光波长，为拉曼频移。因此拉曼散射在频谱上，是由位于瑞利散射两旁的、对应的斯托克斯和反斯托克斯谱线组成。在频谱上，拉曼散射光子分为斯托克斯和反斯托克斯光子。斯托克斯散射光子频率为: (2-3)反斯托克斯散射光子频率为: (2-4)式中为光纤分子的振动频率，声子的振动频率。分布式光纤温度传感器系统能在整个连续的光纤长度上以距离的连续函数形式测量出沿光纤长度变化各点的温度。分布式光纤温度传感器重要的是要解决对携带温度信息的光信号的识别和位置的确定。基于背向散射光的温度效应，温度解调可以采用多种方法。根据所需信号通道的个数，可以分为单通道方式和多通道方式。一、单通道方式这种设计应用只检测包含温度信号的斯托克斯或反斯托克斯散射光。由于斯托克斯散射光对温度不敏感，实际上主要是检测反斯托克斯散射光。实现原理如图2-1所示。激光器发激光脉冲，经藕合器进入传感光纤，带有温度信息的背向散射光再经藕合器到波分复用器，分离反托克斯信号，对其放大、运算和处理，得到各测量点温度信息。LD双向耦合器波分复用信号放大光电转换信号处理计算机光纤 图2-1单通道温度测量系统二.双通道方式由于单通道测量系统易受到环境干扰，给测量带来误差。实际测量中常采用双通道方式消除干扰。一般采用敏感的反斯托克斯散射光作为信号通道，对温度不敏感的瑞利散射光或斯托克斯散射光作为参考通道，通过分别测量它们的光强度并相比较来解调温度信息。系统原理如图2-2所示。双通道测温系统工作过程与单通道系统类似，但背向散射光经波分复用器后被分离为两路信号，一路为反斯托克斯散射光，送往信号通道进行放大、处理;另一路为斯托克斯散射光或瑞利散射光，送往参考通道进行放大、处理，最后通过两路信号的比较得到被测量温度信息。用瑞利光解调反斯托克斯光的方法比用斯托克斯光解调反斯托克斯光的相对温度灵敏度高。实际应用中，瑞利光和反斯托克斯光两者强度差别太大，会给数据处理带来一定的影响。但是其好处是可以省去一个滤光片和一个ADP，经济上具有竞争优势。基于背向拉曼散射的分布式光纤温度测量系统的分析方法有两种:一种是时域分析，即光时域背向拉曼散射分布式光纤传感器(ROTDR);一种是频域分析，即光频域背向拉曼散射分布式光纤传感器(ROFDR)。其中ROTDR是现在实用普遍采用的方法，而ROFRD在1998年由Mostafa Ahangrani Farahani和Torsten Gogolza提出，由于可以降低噪声、获得高的信噪比、测试时间短，和ROTRD相比有明显的优势，目前也是很多人研究的热点。但由于其存在光源的相干性，它将调制接收到的频谱，从而使要观察的散射信号的空间变化产生畸变，应用因此受到限制。光纤LD信号放大波分复用双向耦合器光电转换光电转换信号放大信号处理计算机图2-2双通道温度测量系统现在分布式光纤测量温度的理论已经比较成熟，已经进入实用化阶段。但国内各项技术指标与国外还有差距。当前，光纤传感领域的发展可分为原理性研究与应用开发两大方向。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感系统的实用开发成为整个领域发展的热点和关键，但光纤传感技术的原理性研究仍然相当重要。2.2分布式光纤温度测量在矿山、港口和码头中，皮带传输线是基本的运输工具，煤炭、矿石等的运输基本上由其完成。具有工作现场环境恶劣，灰尘大，路线长，野外温度变化大等特点，使得维修、保养困难，很难预测故障的发生点。在皮带传输过程中，如果支撑皮带传输的托辊发生故障时，其不随皮带传输转动，会导致托辊外表面与传输皮带发生摩擦产生极高的热量，进而引起火灾，造成重大损失。因此需要对皮带传输线实施可靠的火灾在线监测，以确保矿山、港口、码头的正常运营，保障国家财产和生命安全。同时如果能够在皮带长廊作业工程中，通过实时在线监测每一个托辊的轴温，来判断每个托辊的好坏，将具有更加重要的意义，可以在火灾发生前早早的预知和预报，及时处理，人为避免火灾的出现。此外，通过这种实时监测，可以充分的挖掘每个托辊的使用周期极限，减少维修成本。由于一般传输线都很长，托辊数量众多，所以传统的检测设备是很难完成对如此长距离、测量点众多的检测任务的。为保证设备正常安全工作，需要对设备运行的工况进行监测。由于皮带传输线近1000米，托辊非常多，而且是转动的，在加上相应的驱动电机、翻斗车等设备，检测点有数千个。对如此长距离的大量测试点进行温度检测来实现对故障的预警，传统的点式温度传感器无论从成本、安装和实现都是很困难的。本课题利用分布式光纤温度测量系统监测码头的传输带的火灾情况，同时也将扩展到皮带传输线托辊和主转轴轴温测量和驱动装置的关键部位的温度测量。分布式光纤温度测量系统的测量部分是光纤，完全无源，自身不会引起危险和爆炸，而且一根测试光纤可以测量数公里温度点，节省了大量点式测量的传输电缆，这对监测运输易燃易爆的物质的传输线非常有意义。由于一根光纤即作为传感器又作为传输介质，现场的安装维护非常方便。2.3系统组成及技术指标分布式光纤温度传感器可以在整个光纤长度上以距离的连续函数形式传感出被测参数(温度)随光纤长度的变化。分布式光纤温度传感系统由主机、传感光纤、温度处理和显示报警软件等组成。系统结构如图2-3所示。光纤数字信号处理LD驱动器激光二极管波分复用器双向耦合器APDAPD放大器放大器A/DA/D计算机同步 图2-3分布式光纤测温系统原理框图由于拉曼散射信号非常微弱，而且随传感光纤长度的增加，信号衰耗会加大。为保证测量空间分标率等指标要求，光源部分要产生脉宽很窄的大功率光脉冲输入到传感光纤中。光发射部分主要由激光器设计及大电流窄脉冲的驱动电路设计等问题。2.4 分布式光纤传感器器件分析（1）激光器激光器的发展促进了光纤传感技术在工程方向的应用。激光(Laser)的含义是光的受激发射放大。激光器既可以工作在连续状态下，又可以工作在具有短暂输出特性的脉冲模式状态下。根据工作方式的不同，激光器的输出功率也不同，小至微瓦级，大至兆瓦级。激光的窄脉冲特性(如可发出小于十亿分之一秒持续期的脉冲)，尤其适用于光纤飞行时间测量系统或光纤连接间隙测量系统。在光纤传感器的应用中，选择激光器时主要考虑以下因素:价格、物理尺寸、激光的工作温度和激光材料的寿命等。半导体激光器由于其体积小、价格低、高效率而获得广泛应用。根据泵浦光持续时间(激光脉冲宽度)决定了一个空间分辨率指标(其它如光探测器响应时间和A心转换时间也影响空间分辨率)。所以，要缩小空间分辨率，就要使发射的激光脉冲要窄，如在普通多模光纤中，v=2.0x10-8m/s，要达到1米的空间分辨率，则脉冲宽度应满足。但为获得长的测量距离，就要发射大的激光功率。所以，要根据系统测量长度和空间分辨率指标要求来确定激光发射的脉冲宽度和功率大小。实际上，当光在光纤中传输时，由于色散现象，脉冲宽度会展宽，从而降低系统的空间分辨率。当测试距离较长时，展宽现象会比较明显，这时应减少输入光脉冲宽度，以保证在测量范围内的空间分辨率指标。一般测量系统指标也以量程最远端为准，这时近端指标会好一些。（2）光探测器和接受器在大多数光纤传感系统中，光信号的某些参数(如温度)由被测量调制，然后再恢复出来。尽管传感机理是光学式的，但必须把光信号转变为电信号以便处理、记录和显示。把光信号转变为电信号这一过程由光探测器来完成。基本的光探测器只能产生低量级的电信号，为实现进一步处理，必须对该电信号进行放大。一个光电探测器及其相应的放大电路统称为接收器。光纤系统的类型不同，它所采用的光探测器也不相同。最基本的要求是光信号到电信号的转换，理想情况下这种变换呈线性关系。此外需要满量程范围内具有足够的灵敏度,在特殊应用中应具有一个合适波长带宽以覆盖所要求的调制范围。要完成光纤传感的光电变换，根据应用技术的不同主要采用两类光探测器:热电探测器和光电探测器。在热电探测器中，光辐射引起探测器温度上升，从而使与温度有关的电物理量发生变化，反映的是入射光的能量或功率与输出电量的函数关系。因为温度升高是一种积累的过程，与入射光子能量大小有关。所以探测器对光谱的响应没有选择性，即从可见光到红外波段均可响应。在光电探测器中，光吸收过程直接由某种光量子作用产生，光子探测器的输出由光量子的吸收率决定，而不是由光量子的能量来决定。为了产生这种光子吸收作用，光子能量需要具有某一最小值。因为单个光子能量，所以光子探测器对波长响应有阂值特性。闽值波长是光子探测器吸收光子的最大工作波长，超过这个波长的光对其不起作用。没有好的光电探测器，光纤传感器不会有好的特性。探测器和接收器限制了整个系统的分辨率。一个光电探测器及其相应的放大电路统称为接收器，其完成从光信号到标准电信号的转换过程，使测量信号可以在数据处理部分进行加工、处理。在高灵敏度应用时，雪崩光电二极管(APD)提供了一个低噪声增益结构，它所具有的高性能及适中的价格，使其在光纤传感领域中应用前景广阔。普通的硅光电二极管和PIN光电二极管是没有内增益的光伏探测器，而在分布式光纤测量系统中，是对微弱的拉曼散射光信号进行探测，采用具有内增益的光探测器将有助于对微弱光信号的探测。雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器。它是利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的，具有灵敏度高、响应快等优点。在外加反向偏压比较低时与普通光电二极管一样，当外加反偏压达到一定值、使结区电场足够高时，光生载流子在漂移过结的过程中与束缚电子(价电子)发生碰撞电离，从而产生附加载流子。而附加载流子进一步在高电场中获取能量，动能增加足以再次发生碰撞电离。如此循环，致使载流子数得到雪崩式增加，从而使输出光电流得到M倍增益。雪崩光电二极管的电流增益用倍增因子M表示，通常定义为倍增的光电流I1与不发生倍增(雪崩)效应时的光电流I0之比。倍增因子与NP结上所加的反向偏压V和PN结的材料有关，可以表示为: （2-5） 式中，VB为击穿电压;V为外加反向偏压:n为l-3，取决于半导体材料、掺杂分布以及辐射波长。所以，当外加电压V增加到接近VB时，M将趋近于无穷大，此时PN结将发生击穿。应用中，最佳工作电压不宜超过冷，否则会不稳定进入击穿;也不宜太小，会无雪崩倍增效应。而且，雪崩光电二极管的击穿电压VB与器件的工作温度有关。当温度升高时，击穿电压会增大。因此，为得到同样的增益系数，不同的工作温度就要加不同的反向偏压。雪崩光电二极管的反向工作偏压通常略低于PN结的击穿电压。无光照时，PN结不会发生雪崩效应;只有当外界有光照时，激发出的光生载流子才能引起雪崩效应。若反向偏压超过器件的击穿电压，器件将无法工作，甚至击穿烧毁。使用雪崩光电二极管的要点就是要根据实际使用情况，选取最佳偏置电压，使管子工作在最佳倍增因子状态。所谓最佳倍增因子就是系统得到最大信噪比时所对应的倍增因子。第3章分布式光纤温度传感数据处理技术分布式光纤温度传感系统的同步控制单元控制脉冲驱动电路产生一电流脉冲，该脉冲驱动半导体激光二极管产生光脉冲注入到激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路祸合器再进入传感光纤。光在光纤中发生散射后其携带有温度信息的拉曼后向散射光返回到定向祸合器，定向祸合器不但可以将发射的光直接祸合进光纤，而且可以将散射回的不同于发射波长的拉曼散射光祸合至分光器。分光器由两个不同中心波长的光滤波器组成，过滤的两路斯托克斯和反斯托克斯光通过滤光片后进入光电检测器，在ADP的作用下转换为电信号，再通过放大、滤波和A/D转换等处理后，送入数据处理单元(计算机)进行数据处理并以图、表等形式直观的显示温度场的详细信息。通过将测量控制等单元放在一个工控机箱内，由计算机软件完成系统功能，实现了一个虚拟仪器设计应用。整个系统包括主机(光发射部分、光接受部分)、传感光纤、数据处理部分和上位机管理等模块。系统结构复杂，包括光、机、电子和计算机软硬件等多方面的知识。一个性能优良的系统，也就是要求在设计目标确定后，综合考虑各个模快，实现各部分工作最佳。在长距离皮带传输线工况检测中，为满足对托轴及减速机等的温度检测，及时发现故障隐患，需要系统满足设计指标，同时对系统的各个组成部分进行优化设计，在测试量程内达到更高的空间分辨率、温度分辨率和短的响应时间。3.1分布式光纤传感系统的数据信号分析分布式光纤传感系统可以在一根光纤上同时监测多点的温度(或应力等其它物理量)，并可以利用光时域反射技术对温度场进行空间定位。现在先进的实用系统主要是基于OTRD拉曼后向散射或布里渊后向散射的分布式光纤温度传感器技术。理论思想在上世纪80年代初提出，在80年代未己经出现实用系统。自发拉曼散射系统的主要缺点是其散射光信号很弱，约为入射光的，信噪比很小，测量的信息几乎完全淹没在噪声中，而如此弱的信号使得信号的测量和处理变得很困难，限制了系统的性能指标。所以，对微弱的检测信号进行有效的处理，成为分布式光纤传感系统的一个重要部分。如果测量光纤为几十公里，空间定位精度为l米，为实时反映各点的温度，需要迅速对大量的测量数据进行处理。特别是在高精度分布式测量中，数据量巨大，数据处理技术也是影响系统实用性的关键。 从测量信号特点来看，检测信号非常微弱，这意味着不但信号的幅值很小，而主要是指噪声完全淹没了信号。只有在有效地抑制噪声的条件下放大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。因此，信号处理重要的是消除噪声的干扰，提高信噪比。为了有效的从噪声中提取出有用信号，就要根据分布式光纤传感系统的特点，研究噪声的来源和性质，分析噪声产生的原因和规律以及噪声的传播途径，有针对性地采取有效措施抑制噪声，采用相应的解决方案。 从实际应用的角度来看，要求数据处理的速度要快。由于是分布式测量，几乎是在同一时间测量大量的点(一般超过几千个)，不但测量系统处理的数据量大，对大量的数据处理也需要一定的时间，而实时监测对时间又有比较高的要求。提高数据处理能力在分布式光纤传感系统中是一个很重要的方面。在具体实现上，早期数据采集处理由瞬态记录仪和微型计算机完成，但由于计算量大，对微型计算机的实时计算有很高的要求，不容易控制。现在基于电子技术和DSP技术等的发展，主要采用高速数据采集卡或嵌入式系统应用，即采用上下位机结构，数据的采集和处理在底层完成，数据处理速度快;测量数据的显示、报警等，以满足数据量大、实时性强的要求。同时，对测量数据的处理也出现了一些新的方法，如小波分解、去卷积等信号处理方法，也对数据处理的性能提高提出了一些有益的探索。3.2 常用数据处理技术分析数字电子技术和计算机技术的迅速发展，使用数字信号处理技术来完成分布式光纤温度传感测量中的微弱信号处理已经成为一种必然的选择。对微弱信号处理的关键是提高系统的信噪比，设计方案也主要解决这个问题。对测量的微弱信号(反斯托克斯和斯托克斯)处理如图所示。 信号处理A/D放大Anti-StokesAPD去噪APD放大A/D去噪Anti-Stokes图3-1检测信号处理框图其中，信号处理模块主要信号处理包括放大、A心转换和去噪声等功能。对APD输出信号(信号淹没在噪声中)通过处理得到高的信噪比，获得测量的反斯托克斯和斯托克斯信号并保存。虽然APD具有较大的增益，但其输出还是非常微弱，需要对信号进一步放大。放大器由低噪、宽频带放大器实现，要考虑其噪声的影响。这部分电路属于模拟电路，设计中要提高抗干扰能力，需要加屏蔽。为进行数字化处理，需要A心转换器。而且，A心转换器的性能对系统性能具有重要影响。由于信号完全淹没在噪声中，所以要通过去除噪声，提高信噪比，才能获得有用信号。而这些去噪算法的实现，可以采用硬件电路、DSP或微机软件编程实现。大规模可编程器件和高速数字电路技术的发展，使得可以采用设计硬件电路来处理测量的微弱信号，提高信噪比，获得反斯托克斯和斯托克斯光强信号。特别是目前普遍采用累加算法来提高系统的信噪比，这样，由累加器和存储器即可以完成相应的功能。从噪声中提取微弱信号的方法属于信号处理中的综合技术和前沿领域，也是研究的热点。相关研究成果一经问世，使迅速应用于各个应用领域。在分布式光纤温度传感器系统中，由于其数据处理的特点，也出现了很多新的应用研究。3.3信号处理分析基于拉曼散射的分布式光纤温度测量系统测量的温度信号非常微弱，通过相应的光电转换器(APD)将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅度以期指示被测量的大小。但是，由于被测量的信号微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大得多，放大被测信号的过程同时也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和各种外部干扰的影响，因此只靠放大是不能把微弱信号检测出来的。只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。为了达到这样的目的，必须利用微弱信号检测的理论、方法和设备才能达到要求的目标。对于淹没在噪声中的正弦信号的幅度和相位，可以利用锁定放大器进行检测。但是如果需要恢复淹没在噪声中的脉冲波形，则锁定放大器是无能为力的。脉冲波形或脉动波形的快速上升沿和快速下降沿包含丰富的高次谐波分量，锁定放大器输出级的低通滤波器会滤除这些高频分量，导致脉冲波形的畸变。对于这类信号的测量，必须使用其他的有效方法，如取样积分与数字式平均。为了恢复淹没于噪声中的快速变化的微弱信号，必须把每个信号周期分成若干个时间间隔，间隔的大小取决于恢复信号所要求的精度。然后对这些时间间隔的信号进行取样，并将各周期中处于相同位置(对于信号周期起点具有相同的延时)的取样进行积分或平均。积分过程常用模拟电路实现，称之为取样积分;平均过程常通过计算机以数字处理的方式实现，称之为数字式平均。对微弱信号检测处理，除滤波、放大和调制解调等方法外，主要是通过取样平均、数字式平均、相关检测和自适应噪声抵消等方法，提高信号的信噪比，获得满意的结果。也可以采用小波变换等现代信号处理方法，改善信号的处理能力。而且随着集成电路技术和计算机技术的发展，数字信号处理技术在微弱信号检测中起着越来越重要的作用。（1）取样积分取样积分包括取样和积分两个连续的过程，其工作原理如下图所示。周期为T的被测信号叠加了干扰噪声，可测信号经过放大输入到取样开关。是与被测信号同频的参考信号，也可以是被测信号本身。触发电路根据参考信号波形的情况(例如幅度或上升速率)形成触发脉冲信号，触发脉冲信号再经过延时后，生成一定宽度几的取样脉冲，控制取样开关K的开闭，完成对输入信号的取样。 x(t)Kr(t)积分触发延时脉宽Tg取样积分工作原理取样积分的工作方式可分为单点式和多点式两大类。单点式取样在每个信号周期内只取样和积分一次，电路相对简单一些，但是对被测信号的利用率低，需要经过很多信号周期才能得到测量结果;而多点式取样在每个信号周期内对信号取样多次，并利用多个积分器对各点取样分别进行积分。因此，多点式电路相对复杂一些，但对被测信号的利用率高,经过不太多的信号周期就可以得到测量结果。门积分器是取样积分器的核心，它的特性对于系统的整体特性具有决定性的作用。由于取样脉冲宽度几可以做的很窄，对信噪比改善和测量分辨率比较好，适用于频率较高的信号处理。但是工作于模拟方式，由于电容漏电和放大器飘移问题，会引起测量误差。因此，基于数字电子技术的多点数字式平均方法获得越来越广泛的应用。（2）分布式光纤测量中的数字式平均技术随着集成电路技术和计算机技术的迅速发展，数字处理方法得到越来越广泛的应用。与单点取样积分器系统相比，多点数字式平均方法在一个信号周期内取样多次，信号利用率高，利用数字式累加代替模拟电路积分，并利用数字式存储器存储处理结果，没有漏电和漂移问题。这些特点使得数字式多点平均得到广泛应用，计算机的普及也为这种推广应用提供了有利条件。所以，现在的分布式光纤测量系统的应用基本上已由多点数字式平均方法代替了早期的模拟取样积分方法。在基于拉曼散射的分布式光纤传感系统中，测量的斯托克斯和反斯托克斯信号非常微弱，完全淹没在噪