（大地测量学与测量工程专业论文）分布式光纤温度传感监测数据处理技术及应用研究.pdf

摘要 摘要 分布式光纤温度传感嚣是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场 的高新技术，它的出现彻底打破了传统的监测方式，即由传统的点式测量扩展到 分布式监测，信息量得到大大的提高。同时，它具有不受强电磁干扰、测量精度 高等特点，在土木工程领域得到了广泛的研究和应用。本文从基于喇曼散射的分 布式光纤温度传感系统( 简称d t s 系统) 的监测数据出发，重点研究了该系统监 测数据的处理理论和技术，并将研究结果应用于工程实际，得到了相应的结论。 本文的主要研究内容及结论如下： ( 1 ) 研究了基于均值交点分析理论的变点探测法。均值变点探测法是分割时 间序列前后均值的变化来反映变点是否存在的一种方法，通过对变点理论的深入 研究，并将其应用于d t s 系统的监测数据交点探测中，可以较准确的判断变点 的个数、位置及跳跃度。 ( 2 ) 探讨了小波奇异性变点探测法。深入研究小波的奇异性分析理论，对小 波奇异性分析过程中传统的阈值形式进行了改进，实例验算表明，改进阈值处理 的结果比传统阈值处理结果取得了更好的探测效果。 ( 3 ) 设计了基于小波分析的变点探测法小波变点探测法是一种具有非参数 化的、以变点前后两个特征向量的距离度量来确定交点存在性的方法，该方法综 合了均值变点理论与小波分析理论的优点。实例分析表明，此方法比均值变点探 测法及小波奇异性变点探测法获得更好的变点探测效果。 ( 4 ) 改进了矩阵预处理法。在深入研究多小波变换的去噪原理与过程的基础 上，探讨了常用的几种多小波预滤波方法，与其他方法相比，改进的矩阵预处理 法具有更高的能量集中率，且基于该方法的多小波变换应用于大坝d t s 系统监 测数据的去噪处理中时，可得到比传统多小波及单小波处理方法更好的去嗓效 果，提高了信噪比，去噪后很好地保留了曲线的光滑性、突变点特性及峰尖部分。 ( 5 ) 分析了实际工程的d t s 系统监测数据。采用小波变点探测法及改进矩阵 预处理的多小波变换方法对温度监测数据进行数据处理，并对处理后的温度曲线 进行渗漏分析与定位。验证了本文研究的数据处理技术的有效性及d t s 系统在实 际工程应用中的可行性，具有较好的实用价值。 关键词：光纤、d t s 系统、交点探测、温度监测、多小波变换、渗漏监测 a b s f f a c l a b s t r a c t d i s t r i b u t e df i b e ro p t i c a lt e m p e r a t u r es e n s o ri san e wk i n do fh i 。曲t e c h n o l o g y s t u d i e di nt h e s ey e a r sw h i c hc a l lm e a s u r et e m p e r a t u r ep a t t e r ns p a c er e a l - t i m e ，t h e a p p e a r a n c eo ft h i st e c h n i q u eb r o k e nt h em o n i t o r i n gm o d eo ft h et r a d i t i o nm e t h o d s , a n do b t a i n e dl a r g eq u a n t i t yo fd a t ai n f o r m a t i o n a tt h es a l l l et i m e ，i m m u n i t yt o e l e c t r o m a g n e t i ca n dh i g hd e g r e eo fa c c u r a c y , m a d et h i sa r tb e c o m em o r ea n dm o r e p o p u l a ri nt h ec i v i le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h i st e x tm a i n l yt a l k i n ga b o u tt h e d i s t r i b u t e df i b e ro p t i cr o m a np h o t o ns c f i s o ra n di t sd a t ap r o c e s s i n gt h e o r ya n d t e c h n i q u e s ，t h e no b t a i n i n gs e v e r a lr e s u l t sb ya n a l y z i n gt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n d a t a t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) m e a nc h a n g e p o i n tt h e o r yf o rc h a n g e p o i n td e t e c t i o nw a ss t u d i e d t h i s m e t h o ds e e k i n gc h a n g e p o i n t sb yd e c o l l a t e dt h ec h a n g eo fm e a nf o r ea n da f t e rt i m e s e r i e s ，t h e ni d e n t i f i e dt h er e a lp o s i t i o no fc h a n g e p o i n t s ，a l s ot h en u m b e ra n d b o u n c i n gm e t r i c ( 2 ) s i n g u l a r i t yt h e o r yo fw a v e l e tf o rc h a n g e p o i n td e t e c t i o nw a sd i s c u s s e d i m p r o v e dt r a d i t i o nt h r e s h o l dt h r o u g hp a r t i c u l a rd i s c u s s e dt h ew a v e l e tt h e o r y , a n dt h e n e wf o r mo f t h r e s h o l dc o u l dg e tab e t t e rr e s u l tf o rc h a n g e p o i n td e t e c t i o n ( 3 ) an e wm e t h o dn a m e dc h a n g e p o i n tw a v e l e td e t e c t i o nw a sp r e s e m e d i ti sa m e t h o dt h a ts y n t h e s i st h em e a nc h a n g e p o i n tt h e o r ya n dw a v e l e tt h e o r y , w h i c h d e t e c t i n gc h a n g e p o i n t sb yc o m p a r i n gt h ec h a n g e p o i n t sf o r ea n da f t e rd i s t a n c e m e a s u r i n go fe i g e n v e c t o r c o m p a r i n gw i t ho t h e rm e t h o d s ，t h i sn e wd e t e c t i n gw a y i s f i tf o rt h em a s sd a t ap r o c e s s i n g ( 4 ) t h ei m p r o v e m e n to fm a t r i xp r e p r o c e s s i n gm e t h o dw a ss t u d i e d b y p r o f o u n ds t u d i e dt h em u l t i w a v e l e td e - n o i s ep r i n c i p l ea n ds o m ek i n do fp r e p r o c e s s i n g m e t h o d s ，t h ei m p r o v e dp r e p r o c e s s i n gm e t h o dw a se x t r a c t e d m u l t i w a v e l e tt r a n s f o r m f o rd t ss y s t e m sd a t ad e n o i s eb yu s i n gt h ei m p r o v e dm a t r i xp r e p r o c e s s i n gm e t h o d c a l lp r o m o t e ds n r , g l o s s e dt h et e m p e r a t u r ec u r v e ，a n dt h em u t a t i o nc h a r a c t e r sa l s o w e r er e s e r v e d ，t h ew h o l er e s u l ti sb e t t e rt h a no t h e r sm u l t i w a v e l e to rw a v e l e t t r e a t m e n t u ( 5 ) d t sm o n i t o r i n gd i s p o s e dd a t aw a sa n a l y z e db ys o m ee x a m p l e s h a n d l i n g t h er e a l i 哆d a t ao ft h ec o n c r e t ed a mb yc h a n g e - p o i n tw a v e l e td e t e c t i o na n d m u l t i - - w a v e l e td e - - n o i s eb a s i n go ni m p r o v e dm a t r i xp r e p r o c e s s i n gm e t h o d , t h e ng a v ea f u r t h e rs t u d i e so nl e a k a g ea n a l y z i n ga n dl o c a t i n g i t sp r o v e dt h a td a t ap r o c e s s i n g t e c h n i q u e si nt h i st e x ta r es e r v i c eq u a l i t ya n dp o s s e s s e st h eh i g h e ra p p l i c a b l ev a l u e k e yw o r d ：f i b e ro l a i c ，d t ss y s t e m , c h a n g e - p o i n td e t e c t i o n , t e m p e r a t u r em o n i t o r , m u l t i - w a v e l e tt r a n s f o r m , l e a k i n gm o n i t o r i h 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：丝丝2 0 0 8 年，月弓日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：鏊噍2 0 0 8j 月弓日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 大型土木工程投入了巨额资金，且获得了巨大的经济、社会效益，但同时又 蕴涵着一定的成灾风险。由于缺乏必要的监测手段和相应的养护措施，国内外曾 出现不少工程事故“1 。例如，意大利2 6 2 m 高的瓦依昂( v a j o n t ) 拱坝1 9 6 3 年因 库岸大滑坡导致涌浪翻坝且水库淤满失效；美国9 3 m 高的提堂( t e t o n ) 土坝1 9 7 6 年溃决；我国板桥和石漫滩两座土坝1 9 7 5 年洪水漫坝失事；1 9 9 4 年l o 月韩国 汉城发生了横跨汉江的圣水大桥中央断场5 0 m ，其中1 5 m 掉入江中，造成死亡3 2 人，重伤1 7 人的重大事故，据称造成大桥在行车高峰期突然断裂的原因是长期 超负荷运营，钢梁螺栓及杆件疲劳破坏所致；1 9 4 0 年完工的主跨8 5 3 m 的塔可马 大桥( t a c o m a n a r r o w s ) 只使用了三个月便在1 9 m s 的风速下造成了塌桥事故： 1 9 5 1 年主跨1 2 8 0 m 的金门大桥于风速1 5 2 0 m s 时因振动而造成桥体部分损坏， 等等。纵观国内外发生的多种事故，付出的都是血与泪的代价，无不给相关国家 和人民带来了惨重的灾难和巨大的经济损失 血的教训大大推动了安全监测的发展，使建筑物的原型观测得到了高度的重 视，观测项目也从温度、应变、位移等扩展到含渗压、渗流量、裂缝、动力观测 等等在内的全面观测。目前，监测这些物理量的常规监测仪器有很多种类，且有 些仪器也已有百年历史，但他们都普遍存在若干根本性缺陷，首先是点式测量， 信息量十分有限，在渗流、温度、应力应交、裂缝、挠度等方面无法实现分布式 监测，因此，会漏掉一些对建筑物安全至关重要的信息：其次是电信号，易受强 电磁场干扰，测量精度受影响，不适合易燃、易爆、高温、雷击区等恶劣环境， 同时也不便远距离遥测、监控。因此，开展土木工程安全监测的高新技术研究是 非常必要的。 随着光纤和有关器件在内的光纤基本结构的飞速发展，分布式光纤传感技术 以其独特优势而处于主导地位。在分布式光纤传感技术的研究中，科学家们提出 了许多富有启发性的理论和技术方案。喇曼型分布式光纤温度传感器集诸多优点 于一身，是分布式光纤温度传感系统中理论较为成熟且正逐步商品化的传感器类 河海大学硕士学位论文 型。但喇曼型分布式光纤温度传感器也有其自身的缺点，即后向喇曼散射光较弱， 此信息比瑞利后向散射信号还要弱2 0 d b 3 0 d b ，因此，需要较复杂的信号处理 电路及较高脉冲功率的l d 光源系统。而前向散射非线性效应分布式光纤传感器 由于被测信号是连续的前向波，信号强度增加，对检测系统的要求相对降低，但 对光纤则有特殊的要求，而且理论上也不够成熟，属于刚刚兴起的一种技术，是 较为有前途的发展方向之一。 分布式光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有以下优点嘲：集传感与 传输于一体，可实现远距离测量与监控，一次测定裁可以获取整个光纤区域的一 维分布图，能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十，几百甚至几千条 信息，因此，单位信息成本大大降低，测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度 等特点。在强电磁干扰或易燃易爆以及其它传感器无法接近的环境下，分布式光 纤温度传感器具有无可比拟的优点。尤其对大范围的温度测量，分布式光纤温度 传感器可实现在整个连续光纤长度上实时的传感出温度随光纤长度方向变化的 信息，因此，逐渐成为目前研究的热点。 正是因为有着广泛而迫切的社会需求，而传统的温度传感器又难于满足这些 需求，使得分布式光纤温度传感器以其自身独特的优点，越来越受到重视。但是， 也应清楚地看到，分布式光纤温度传感技术还不够成熟，许多理论和应用技术还 有待于进一步完善和提高。所有这些都说明，我们对其的研究具有重要的理论和 现实意义。 1 2 问题的提出及研究价值 1 2 1 问题的提出 分布式光纤温度传感监测系统( d i s t r i b u t e df i b e ro p t i c a lt e m p e r a t u r e s e n s o rs y s t e m ，简称d t s 系统) 是集光、机、电、计算机、弱信号检测为一体 的高科技产品，是一种用于实时温度场监控的高新技术，它能够连续测量光纤沿 线所在处的温度，测量距离可达几千米甚至几十千米的范围，具有精度高、数据 传输及读取速度快、自适应性能好等优点。近些年来，国内外的许多研究单位和 公司不断推出了自己在该技术领域研究的成果和产品，且这些成果和产品的应用 2 第一章绪论 领域也在不断拓展，但在理论和应用上仍存在许多问题，主要问题如下： ( 1 ) 监测数据的可靠性问题。影响分布式光纤温度传感器稳定性的主要因素 有探测器( 雪崩光电二极管a p d ) 的温度漂移、光源( 半导体激光二极管l d ) 的温度 漂移及其驱动电源、光时域反射计的性能，a d 和d a 转换的精度和对测量数据的 算法处理等几个方面，而监测系统的稳定性是数据可靠性的关键。在多种因素的 影响下，分布式光纤温度传感监测系统监测数据不可避免地会存在粗差，从而影 响数值分析的结果和评判结果的正确性。因此，研究监测数据变点探测方法，探 讨适合o t s 监测数据的变点定位方法是很有必要的。 ( 2 ) 传感信号处理问题。在实际工程安全监测中，一般希望计算机系统能自 动处理监测结果，以便及时发现和定位光纤的温度异常位置，从而诊断建筑物的 性态。虽然传感器的测量灵敏度较高，但由于受环境等多种因素的影响，测得的 温度信号不可避免地会引入噪声，从而影响对测量信号的准确分析。为了减少数 据中噪声对监测结果分析的影响，一般采用时域信号数字积累平均的方法或小波 分析方法解决。但采用信号数字积累平均法对幅值信号进行处理时，会使系统的 测量时间过长，且处理后输出的温度数据仍存在较多噪声，而小波分析方法直接 对输出的温度数据进行去噪时，信号的信嗓比不高，且一定程度上削掉了许多有 用信号。因此，如果在积累平均前或者对输出的原始温度监测数据选用合适的方 法进行去噪，则可改善信号的信噪比，减少累加次数，从而缩短温度测量的时问。 ( 3 ) 应用领域的推广问题。高新技术只有获得广泛的应用，给人类带来财 富，才有生命力。我国在科技项目的推广应用方面还比较薄弱，许多高新技术还 远远没有获得应有的效益。对于分布式光纤温度传感技术来说，国内大多数研发 机构还处于硬件的研制阶段，极少数国外产品的代理商开始在应用领域方面进行 了一些有益的探索。最容易实现的是温度测量方面的直接应用，如火灾监测、电 缆测温，更深层次的应用很少有人去探索、挖掘。实际上，通过适当的转换模型， 通过温度量的转换还可以监测很多参数，应用领域将远比直接测温广阔得多。 ( 4 ) 信号解调、高空间分辫率问题及工程应用中的传感器网络优化布置等 问题。从目前应用情况来看( 以大坝为例) ，光纤网络布置有两种形式：一种是 平面网络形式，光纤连续地沿坝体横断面自下而上作蛇形布置；另一种是空间网 络形式，取某坝段作监测对象，光纤自下面上连续地沿水平截面从左至右或从右 柯海大学硕士学位论文 至左作蛇形布置。而如何采取最合适的网络布设形式，仍没有相应的规范可循， 目前工程中的网络布设形式大多根据专家意见设定。因此，从理论上研究传感器 网络的优化布置问题，使其在有限的传感器情况下获得更多更可靠更全面的建筑 物安全状况信息，不仅对分布式光纤温度传感技术的推广应用具有重要的意义， 同时可以弥补理论与应用之间的一个空白，对节约人力和财力，具有重要的理论 和现实意义。 1 2 2 研究价值 针对以上提出的几个问题，本文作了深入的研究。主要内容包括：监测数据 变点探测方法的研究、监测信号的处理方法研究、工程应用研究，等等。 如何寻找监测数据的变点并判断是粗差还是异常值，一直是人们关注和不断 探索的问题。虽然分布式光纤温度传感技术具有自动化程度高，受环境干扰少等 特殊的优越性，但在其他因素( 如仪器稳定性、仪器埋设等) 的影响下，监测数 据不可避免地会存在误差，从而影响资料分析的正确性。在资料分析过程中，监 测数据不准确、不可靠，易造成对建筑物安全程度的“误判”，本来安全的建筑 物被误判为危险，会造成处理措施失当，浪费人力、物力，甚至造成社会的不安。 因此，在实际工作中，只有准确地判别和处理变点数据，才能为进一步资料分析 和安全评判提供基础数据。在许多应用领域，监测系统常被要求连续运行，一旦 监测量发生异常，必须进行跟踪观测或报警，以便消除事故隐患或将事故的损失 降低到最小的程度。所以，保证监测数据的可靠性是保证安全评判结果准确性的 前提。 分布式光纤温度传感测量系统能否在实践中发挥作用，除了数据可靠性必须 得到保证外，所采集的传感信号的去噪处理也是一个关键问题。由于采用反斯托 克斯斯托克斯比值的光纤温度传感系统有一个显著特点，即当一束光射入光纤 时，光子与光纤相互作用产生的后向散射光信号中，不仅包括有对温度敏感的反 斯托克斯后向散射信号，又包含有对温度不敏感的斯托克斯后向散射信号，前者 比后者低2 0 - 3 0 d b ，这就为光信号的探测和处理带来了极大的困难。因此，研究 将探测器输出的信号尽可能地去除于扰和噪声，从而得到更可靠的温度数据，这 在解决大型土木工程的实时监控、准确测量等方面具有重要价值和应用潜力。 4 第一章绪论 分布式光纤传感器是一项高科技的产品，其应用是十分广泛的，可应用于桥 梁、大坝等大型土本工程的安全监测，公路、地铁隧道行业的火灾监测和报警， 石油天然气行业的石油、天然气输送管线或储罐泄漏监测，油库、油管、油罐的 温度监测及故障点的检测等。在大坝工程中，需要监测的物理场主要有温度场、 应力场、位移场及渗流场等，而以往的监测技术都采用单点监测方法，由于测点 少、成果不直观，故需要通过分析才能最终了解物理场的情况，所以这种传统的 单点监测方法的效果不理想。如果采用分布式光纤传感技术，将光纤按定的网 络铺设，就可以准确地测定光纤沿线任一点上的温度、渗流、应力和位移等，实 现对大坝安全的全方位监测。因此，探索分布式光纤温度传感技术在这些领域中 的应用，使其能在更多相关领域得到推广应用是十分必要的，具有重要的应用价 值。 1 3 分布式光纤温度传感技术研究现状 1 3 1 国外研究现状 最早的一种分布式光纤温度传感器系统是7 0 年代末由r o g e r s 提出的，它是 利用后向散射光强随温度变化来实现温度的分布测量，称为偏振光光时域后向散 射( p o t d r ) 技术。卅，其原理是利用单模光纤传输中线偏振光的偏振态受沿光纤 分布的温度调制而引起后向瑞利散射光强变化的关系来检测温度分布的，具体的 实验装置由h a r t o g 等入于1 9 8 0 年研制成功。由于此类传感光纤同时对应力、电 流、环境振动等诸多因素敏感，抗干扰能力差，因而p o t d r 测温技术仅从理论上 被认为是一个较好的分布式温敏方案，且其具体操作极为困难和难以实用化。 1 9 8 2 年h a r t o g 、p a t u e 提出了利用液态光纤的瑞利后向散射系数随温度变 化明显的特点研制出液态光纤分布式温度传感器旧。这种利用光时域反射技术 ( 0 r r d r ) 原理的液态光纤温度传感可很清晰且准确地显示出温度分布轮廓，但由 于液态冰点及沸点的存在，限制了测温范围，某段光纤的速冷所带来的散射信号 衰减损失可能造成后续光纤温度信息的中断；另外液态光纤使用寿命短等缺陷， 使得液态光纤温度传感器没有得到进一步发展和实用化。 1 9 8 3 年t h e o c h a r o u s 提出了利用o t d r 光损耗原理的微弯损耗实现温度传感， 河海大学硕士学位论文 但由于光纤微弯损耗随温度的变化范围明显大于o t d r 的动态范围，从而限制了 这种方案的测温范围，这种传感器也没有得到进一步的发展。 同年，利用后向喇曼散射信号温敏原理实现分布式温度传感的思想由英国 p l e s s y 雷达研究中心的j p d a n k i n 博士首先提出啊。随后在取得原理性实验的 成功之后，迸一步使用固体光电器件和半导体激光器取代了体积庞大的气体激光 器和光电倍增管，证明了实用化仪器的可行性。与此同时，英国s o u t h a m p t o n 大 学也进行了长1 0 0 0 m 的光纤分布测温实验，在一5 2 + l o o 的测温范围内，温 度分辨率为l ，空间分辨率为7 5 m a 至此，喇曼型分布式温度传感器的实用化 趋势引起科技界和工业界的极大兴趣。 1 9 8 5 年，d a k i n 博士还提出了利用荧光物质的再发射光谱与温度直接相关的 现象，采用滤色片来选择最大温度变化率的衰减荧光光谱，通过信号处理后获得 沿荧光光纤分布的温度曲线。目前存在的困难是难以找到合适的荧光光纤。 1 9 8 6 年英国y o r k 公司推出第一套分布式温度传感器商品系统删，并在许 多场合获得成功应用。现在，该公司还在继续实行使用常规通信光纤为主的产品 开发方针。其第三代产品d t 8 0 系统的最大测量距离是1 0h 、空间分辨率l m 、 温度分辨率为i c 、准确度达0 3 。测取4 0 0 0 个点( 4 k m 范围) 的温度所 需的时间少于2 0 s 。增强型d t s 8 0 - u l r 的空问测量覆盖范围可达4 0l 血，不过温 度和空间分辨率要相应地降至2 c 和2 m 在这个分辨率条件下，每条4 0h 通道 的测量时问是1 0 分钟。 n d p a y n c 及m ，c ，f a r r i e s 等于1 9 8 6 、1 9 8 7 年提出了以稀土元素掺杂光纤， 使其在特定波长上的光吸收率随温度有明显变化的特点来实现温度传感。目前采 用o t d r 原理掺杂 的分布式光纤温度传感器，其测温精度为2 ，测温范围为 一4 0 + 8 0 ，空间分辨率为1 5 m ，测温长度为1 4 k m 。 1 9 8 8 年，在北京中日光纤温度传感器学术交流会上，有关技术研究人员又 公布了一种表层涂铅的光纤分布式温度传感器的样品，这种光纤分布式温度传感 器具有较好的稽度。 1 9 8 9 年，k n a k a m u r a 等提出了利用稀士掺杂光纤的激发态吸收( m s a ) 制成 的前向分布式光纤传感器，其利用前向传输连续光作为被测量信号，比起o t d r 可 以获得较高的s n 信噪比，其线性动态范围可以由泵浦光强度来控制。 1 9 9 0 年，p a t o n 等人研制成功0 5h 多模喇曼分布式光纤温度传感器系统， 6 第一章绪论 其工作波长为3 3 7 n m ，空间分辨率为0 5 m 。 1 9 9 2 年，日本r y o z o 等人研制成功7 虹多模喇曼系统，其空间分辨率为3 ， 测温精度为1 同时研制成功3h 单模系统，其空问分辨率为3 m ，测温精度 为3 1 9 9 6 年，日本东京大学j a n s e n 等人研制成功喇曼分布式光纤传感器系统， 并将其应用到核工厂冷冻回路的温度监测中。 基于喇曼分布式光纤温度传感器的研究大多集中于光时域散射( 0 r r d r ) ，近 年来，随着对喇曼散射研究的深入，人们把兴趣转向基于光频域散射的分布式光 纤温度传感器( r o f d r ) ，而以喇曼散射和光频域散射为基础的r o f d r 早在1 9 9 8 年已被提出来，目前有许多人致力于这方面的研究。 1 3 2 国内研究现状 在国家教委博士点基金的资助下，重庆大学于1 9 8 7 年在国内率先研究分布 式光纤温度传感器，设计的系统光源为脉冲驱动的大光腔( l 0 c ) 半导体激光器， 探测光脉冲宽度为7 0 n s ，重复频率为8 k h z ，在l k m 长的传感光纤上实现4 m 的空 间分辨率( 采用螺旋缠绕敷设传感光纤) “”，1 9 9 1 年承担了国家“八五”攻关 项目“分布式光纤温度测量系统”，1 9 9 2 年便拿出了实验样机，此后便一直致力 于系统的稳定性研究，取得了大量的实践经验和重要的成果。此外，对分布式温 度测量的机理进行了进一步的研究“”，重点在系统的参数和信号的处理上做了 进一步的工作“”，采用普通的多模通讯光纤代替特种光纤“”，系统的空间分辨 率达到了6 m ，3 0 s 的处理时间实现了温度分辨率优于3 的结果。张在宣等人 对分布式光纤系统的噪声进行了分析“”，并对系统的参数进行了优化设计“”， 对温度的不同解调方式进行了理论研究和实验工作“”，研制的f c , c - w 2 型分布式 光纤温度传感器采用半导体激光二极管作为光源，传输距离为2 k m ，测温范围为 o + 1 2 0 ，空间分辨率优于8 ，采样速率5 0 蛐z ，测量时间( 1 6 x1 0 3 次) 小于4 0 s 。邹江对影响分布式光纤测温系统的温度分辨率的因素进行了分析。”， 并对使用单路反斯托克斯信号实现分布式温度测量进行了研究”捌。赵洪志等人 对温度解调进行了进一步的分析咖，提出对a p d 参数的优化设计方法睁删。 中国计量学院光纤测温研究从1 9 9 4 年开始，样机f c - w l 型光纤测温系统已 7 河海大学硕士学位论文 于当年通过鉴定，其眈型光纤测温系统样机也于1 9 9 年完成，其测温长度达 2 k m 。2 0 0 1 年6 月在北京展览会和1 0 月上海展览会上，西门子公司有产品展出， 其测温长度达4 k m 。南京消防公司与华中理工大学合作开发研究了光纤测温传感 器，1 0 月上海展览会上虽有样机展出，但还只是在开发阶段。 此外，北京理工大学等院校也有类似研究项目。随着该技术应用市场的日益 成熟，国内一些公司开始在代理国外公司的类似产品，但有自己产品的公司不多， 其中，宁波振东光电有限公司在该产品的稳定性研究方面处于领先的地位，已经 成功在电厂、大坝等工程监测领域获得成功应用；南京消防集团在国家科技部科 技型中小企业技术创新基金资助下，推出了基于分布式光纤温度传感技术的火灾 报警系统；广州科思通技术有限公司推出了采用d s p 技术和w d m 滤波技术的产品， 监测距离达到l q 千米，空问分辨率达到了2 5 m ，已经将该技术应用于深圳地铁 一期工程；蔡德所、戴会超、蔡顺德、何薪基等人成功将分布式光纤温度测量技 术应用于三峡工程左厂1 4 坝段大体积常态混凝土温度监测中，实现了常态大体 积混凝土浇筑施工过程温度场的实时监测；由甘肃白银供电局与广州亿力电气科 技有限公司共同研发的“变电站分布式光纤测温系统”，已于2 0 0 4 年成功投入运 行。 总之，国内光纤温度传感器的研究状况仍属于初级阶段，主要有如下几个特 点： ( 1 ) 以原理性研究为主。分布式光纤温度传感器的工作原理是基于喇曼散射 的温度效应，该技术在理论和实验技术上已基本成熟，可以较容易地观测到温敏 现象，而且对建立一个监测系统也比较容易，但大多研究还限于在实验室内建立 样机并进行一系列的实验鉴定，与工程实际应用还存在一定的距离。 ( 2 ) 技术指标相对落后。国内的系统在技术指标上相对国际水平来说还比较 差，尤其是在可靠性和空间分辨率等关键指标上还不能满足工程应用的要求。可 喜的是不少单位已经注意到这个问题。在一些指标上正在缩小与国外系统的差 距，如中国计量学院研制的系统，在监测距离上已经达到了3 0 千米的水平；宁 波振东公司的环境温度适应范围也有很大的突破，空间分辨率指标已经接近2 m ， 一般应用场合已经可以满足要求 ( 3 ) 代理商正在堀起。由于该技术的应用领域和市场日益成熟，国外的厂商 0 第一章绪论 都把目光瞄向中国市场，一批代理商应运而生，纷纷将国外的优秀产品推向中国 市场，在一些工程中已经可以看到国外产品的身影。 ( 4 ) 中外联合开发模式正在兴起。宁波振东公司与德国的g f _ s o 公司进行技 术合作，在硬件和软件方面都进行了较深层次的合作。例如，在国内某核电站电 缆温度监测项目中，中方用自己的测控软件去控制德方的硬件，不仅满足了用户 要求，并且还纠正了德方软件存在的问题，使中外技术完美地结合起来。 ( 5 ) 应用领域正在扩大。许多单位都在试图将分布式光纤温度传感技术应用 于各个领域，不仅应用于温度监测、火灾预警等，现在在水利工程中也有突破： 大坝的裂缝监测、混凝土浇注的温度监测；另外，更多的应用领域正在被发掘： 地下温度场的监测，主要应用对象是油( 气) 井、地下水开采；垃圾填埋场的温 度监测，主要目的是通过温度场的分布来判断是否有污染物泄漏；传输管道的泄 漏监测，主要应用对象包括石油、天然气管道、城市供热管道等；化工生产的过 程控制：直接监测化学反应塔内的温度分布，达到控制化工产品质量的目的。 1 4 分布式光纤温度传感技术的应用领域 分布式光纤温度传感器是近年来发展起来的一种新兴传感器。利用分布式光 纤传感器一次即可测定整个被测光纤区域的一维温度分布图。其应用主要体现在 以下几个方面瞄删： ( 1 ) 电力方面的应用 电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位，电缆隧道、夹层的火情监测， 变压器、电动机、发电机、配电盘的温度分布测量、热保护和故障点检测，火力 发电厂的加热系统、蒸汽、输油管道、送煤系统的温度监测和故障点的检测。 ( 2 ) 化工方面的应用 液化天然气、液化石油气输送管线或储罐泄漏监测，油库、油罐、危险品仓 库、大型仓库和大型轮船的货仓火灾及报警系统；化工原料，照相材料及油料生 产过程的在线、动态检测。 ( 3 ) 土木工程方面的应用 桥梁的混凝土固化监测、养护温度监测、裂缝及损坏的监控和震后损伤评估； 高层建筑物和大型工程建筑的地震、台风造成的结构损伤探测及裂隙探测：历史 9 河海大学硕士学位论文 遗迹的裂隙扩张监测；大坝的应力、裂缝、位移和变形监测、渗流和泄漏探测、 混凝土浇注的温度监测等。 ( 4 ) 岩土工程方面的应用 隧道的收敛变形监测、过热探测和特殊的温度检测，如火灾探测与预警；地 铁施工及运营过程中的温度监测；边坡的锚固部监测、内部湿度及裂缝监测；公 路的分布式温度监测及基坑的支护应变监测；废物堆放场的温度监控、热点监控 及渗漏监测。 ( 5 ) 其它的应用 火灾的早期探测、预警和警报；医院的i c u 、c c u 监护病房的温度监测和火 灾监测；工艺监测；核工业的混凝土浇注过程监测及核废物处理场监测；地热井、 污水处理及矿物燃料开采的监测；粮库、酒窖等可燃性储存物、立体仓库的火情 监测；作为一种典型的机敏结构( s m a r ts t r u c t u r e ) 用于航空、航天飞行器的在 线、动态检测和机器人的神经网络系统等。 1 5 本文的主要研究内容及技术路线 ， 本文以基于光时域反射技术的喇曼后向散射分布式光纤温度传感技术为研 究对象，利用喇曼散射理论，在分析喇曼散射实现温度测量机理的基础上，对该 技术在工程应用过程中存在的关键问题寻找解决的方案。本文的主要研究内容和 技术路线如下： ( 1 ) 均值变点探测法的研究 研究均值变点分析的基本理论及其变点探测方法，均值变点是分割时间序列 前后均值的变化来反映交点的，通过对均值交点探测方法的研究，目的在于准确 判断变点的个数、位置及其跳跃度。 ( 2 ) 小波奇异性变点探测法的研究及阈值的改进 研究小波奇异性理论、小波变换的模极大值与信号之间的关系，并结合实际 的监测数据，对小波奇异性分析过程中的传统阈值方式进行改进。 ( 3 ) 基于小波分析的变点探测法研究 在对均值变点理论及小波变换理论进行深入研究的基础上，设计一种具有非 参数化的、基于能量变化的小波变点探测方法，并研究其在粗差或异常值探测方 i o 第一章绪论 面的探测效果。最后，对三种方法的交点探测结果进行比较分析。 ( 4 ) 多小波去噪方法的研究及其预滤波法的改进 研究多小波变换的基本原理及其去噪的基本过程，深入研究多小波预滤波 的几种方法，提出改进的矩阵预滤波方法，并尝试将其应用于大坝i y i s 监测数据 的信号消噪处理中，有利于寻找和构造更为合适的多小波在实际中的应用。 ( 5 ) i ) t s 监测系统的应用研究 对两座不同的混凝土面板堆石坝，采用d t s 系统进行监测以获得周边缝的温 度变化数据：通过对该数据进行变点探测与去噪处理后。得到湿度的变化曲线， 根据工程实际情况，对温度变化曲线进行渗漏分析与定位。 河海大学硕士学位论文 第二章分布式光纤温度传感器的理论基础 2 1 光时域反射( 0 t d r ) 原理 光时域反射技术( o p t i c a lt i m e d o m a i nr e f l e c t o m e t r y ，简称o t d r ) 由 b a r n o s k i 泌j 在1 9 7 6 年提出，是实现分布式光纤传感的关键技术，空间分辨的温度 分布测量需要利用c r r d r 对测量点进行精确定位。早期的分布式测温是用某种方 式来调制集光系数和不同于散射损耗的其它损耗机制来实现的，但是这些方案 只能传感有限长度的光纤，仅适用于很短距离的分布系统。而对于较长距离的分 布测温应用，基于散射机理的分布传感系统则显示出其无比的优越性。 基于散射机理的o t d r 是由罗杰斯于1 9 8 0 年首次提出，它可实现对空间分布 的温度的测量汹删，其基本原理为：当窄带光脉冲被注入到光纤中时，光脉冲在 光纤内传输，由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其他类似的事件而产 生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的路径延时返回到o t d r 中。利用o t d r 可以方便地从单端对光纤进行非破坏性的测量，它能连续显示整 个光纤线路的损耗相对于距离的变化。根据入射信号与其返回信号的时间差t ， 利用下式就可计算出事件点刘光纤入射端( 3 7 d r 的距离： l = c t ( 2 n ) ( 2 1 ) 式中：c 为光在真空中的速度；甩为光纤纤芯的有效折射率。 在t 时刻测量到的是离光纤入射端距离为工处局域的背向瑞利散射光。由式 ( 2 - 1 ) 可以确定散射所发生的位置，通过对散射信号强度的分析来确定此位置处 光纤的物理特性。如光纤有断裂或接头，那么与此相对应的后向散射光信号将出 现一个突变尖峰。 o t d r 测量技术原理及其典型曲线如图2 一l 所示，其典型曲线前端和后端突 起为端面的菲涅尔反射，中间线形区为光脉冲沿具有均匀损耗的光纤段传播时的 背向瑞利曲线，其后面的非线性区表示光纤由于接头、耦合不完善或光纤存在缺 陷等引起的高损耗区。在t = 0 时刻，从光纤的一端发送能量为e 的光脉冲，该脉 冲在传播过程中与光纤介质相互作用将产生瑞利散射光，因此，从t = o 开始，在 光的发送端可以接收到一系列的反向散射脉冲回波，通过测定这些脉冲回波与输 第二章分布式光纤温度传感器的理论基础 | | | 耋1 ；：二二二二二二_ 散黠点， 爱s = = = = = = = = = = = = = = = = = = - 盛擞帮馘孥止 莨 霉 图2 1o t d r 技术原理 基于此原理，人们通过利用各种物理效应，将温度、压力、电场、磁场等待 测的物理量调制到后向散射光上，通过计时和解调后向散射光，就既可知道此物 理量的强度大小，又可知道此物理量的空间分布。在后向散射光中包含有瑞利散 射、喇曼散射及布里渊散射 用0 r r d r 技术可以确定光纤处的损耗、光纤故障点、断点位置，对测量点定 位，因此也可以称为光纤雷达。以后向瑞利散射为基础的o t d r 技术能够探测出 光纤中模式耦合点的位置。o t d r 技术作为分布式传感的基础，目前在大多数分 布式光纤传感系统中得到广泛应用，本文所研究的分布式温度传感系统也正是基 于c r r d r 技术来实现分布式传感测量的。 2 2 分布式光纤温度传感器原理 分布式光纤温度传感器通常是将光纤沿温度场排布，测量光在光纤中传输时 所产生的散射光，根据散射光所携带的温度信息，同时采用o t d r 技术，对沿光 纤传输路径的空间分布和随时问变化的信息进行测量和定位。 在分布式光纤温度传感器中主要涉及的是光纤中的以下三种散射：瑞利散 射、布里渊散射和喇曼散射。 河海大学硕士学位论文 2 2 1 分布式瑞利散射温度传感器 温度的变化会引起光纤数值孔径和瑞利散射系数的变化，从而使接收到的后 向散射光强发生变化。因此，瑞利散射型分布式光纤温度传感器是通过光脉冲传 输过程中不同时间返回的接收光强信息来测定整条光纤的温度分布的，其传感原 理如图2 2 所示。 图2 2基于瑞利散射传感原理 假定光纤性质均一，且忽略吸收，光纤中返回光脉冲注入端的后向瑞利散射 光光强公式可表示为 尹) - - ( c g 2 ) e o $ ( t ) e x p - a ( t ) c s t 】 ( 2 2 ) 式中：t = 2 l c ，即光脉冲沿从注入端到从光纤上工点返回注入端所经历的时 间，不同的f 对应着传感光纤不同的位置；c 为光纤中的光速；玩为注入光脉 冲能量；s ( t ) 为后向散射因子；c t ( t ) 为瑞利散射系数，与温度成正比。 然而，固体光纤中瑞利散射系数的温度灵敏度极其微弱，只有在某些液芯光 纤中这种温度灵敏度才较高。尽管液芯光纤的温敏性好，且可能达到较好的分辨 率指标，但是由于液芯光纤的寿命很短，且液体冰点、沸点的存在限制了测温范 围，所以这种系统虽然动态范围较大，但温度测量精度不高，且还存在测试盲区。 2 2 2 分布式布里渊散射温度传感器 目前，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术从整体上分主要有三种方案： 基于布里渊光时域反射( b