分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理.pdf

题E l 盆查式当红返动篮壁 丕统数麴堡丞塞皇处堡 学号 Q 2 5 羔5 量 姓名 蒸旭蝰 专业 电磁场皇邀这这丕 导师 沈垩 学院 羞逗筐墨堂皇王堂婴窒瞳 2 0 1 0 年1 月1 0 日 北京邮电人学硕十学位论文 l L 北京邮电人学硕 学位论文 独创性 或创新性 声明 J I I I I III 1 1 I I I II I I II II 17 5 7 6 6 3 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名 五丝啤 本人承担一切相关责任 日期 2 翌么 墨 堇 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许学位论文被查阅和借 阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它 复制手段保存 汇编学位论文 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 本人签名 葚趋堡 同期 导师签名 2 0 o 6 日期 塑 北京邮电人学硕士学位论文 北京邮电人学硕十学位论文 分布式光纤振动传感系统的数据采集与处理 摘要 光纤传感技术是随着光导纤维和光纤通信技术的高速发展而迅 速发展起来的一门新兴技术 经历了近3 0 年的发展 取得了巨大的 成就 基于光纤传感器的非接触式测量 灵敏度高 响应速度快 抗 电磁干扰和耐高温腐蚀等突出优点 它被广泛应用于敏感区域的安防 报警 本论文从理论和实验两个方面对分布式干涉型光纤振动传感器 系统的数据采集和信号处理进行分析和探讨 研究成果对于分布式干 涉型光纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值 并在 工业和国防领域具有应用前景 本论文主要研究一种基于马赫一泽德 M a c h Z e h n d e r 于涉仪的干 涉型光纤传感器系统 该系统组成主要包括管理中心 监控节点和监 控设备三部分 其中 监控节点主要包括用户界面模块 数据采集模 块 数据处理模块和数据库系统模块等四个部分 在此基础之上 本 论文着重对基于P C I 总线的数据采集模块的设计与实现和数据处理 算法的原理与实现进行了研究 分布式光纤振动传感系统采用了一种 新的信号采集方式 通过分层设计 对不同公司生产的采集卡驱动程 序进行封装 保证了在使用不同公司采集卡时上层软件的兼容性 信 号处理算法包括信号的报警算法和定位运算两大部分 报警算法中 引入了基于事件特征值的模板数据库 通过对入侵产生的事件特征值 与报警误报模板的相似匹配 在提高系统报警的准确性同时 为用户 根据自身需求区分报警事件与误报事件提供了方便 定位算法中 采 用完全使用P C 机的处理模式 选用以M L 窗函数作为权函数的t d e r 算法 较好地抑制了噪声的影响 提高了时延估计的精度 关键词光纤传感器事件特征值模板匹配广义互相关 北京邮电人学硕十学位论文 o 1 北京邮电人学硕士学位论文 D A T AA C Q U I S I T I O NA N DP R O C E S S I N G O FD I S T R I B U T E DO P T I C A LF I B E R V I B R A T I O NS E N S O RS Y S T E M A B S T R A C T W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e ra n do p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y o p t i c a lf i b e rs e n s o rt e c h n o l o g y a san e w t e c h n o l o g y h a sm a d et r e m e n d o u sd e v e l o p m e n t T h r o u g hn e a r l y3 0y e a r s d e v e l o p m e n t i th a sm a d eg r e a ta c h i e v e m e n t s B a s e do nt h ea d v a n t a g e s s u c ha sn o n t o u c h m e a s u r e m e n t h i g hs e n s i t i v i t y f a s tr e s p o n s e a n t i e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e h i g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n c ea n d c o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o ri Sw i d e l yu s e di nt h es e c u r i t y a l a r mo fs e n s i t i v ea r e a s I nt h i sp a p e r t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g o fd i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rv i b r a t i o ns e n s o rs y s t e mi s a n a l y s e da n d d i s c u s s e db o t hi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t s T h er e s u l t so ft h i sp a p e rh a v e i m p o r t a n t t h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e a n d p r a c t i c a l v a l u ei nt h e c o m m e r c i a li z a t i o no fd i s t r i b u t e di n t e r f e r o m e t r i cf i b e r o p t i cs e n s o r A n d t h e y a l s oh a v eap o t e n t i a la p p li c a t i o ni nt h ef i e l do fi n d u s t r i a la n d n a t i o n a ld e f e n c e T h i sp a p e rs t u d i e st h eo p t i c a lf i b e rs e n s o rs y s t e mw h i c hi sb a s e do n t h eM a c h Z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r T h es y s t e mp r i m a r i l yc o n s i s t so ft h e m a n a g e m e n tc e n t e r t h em o n i t o rn o d ea n dt h es e n g s i n ge q u i p m e n t T h e m o n i t o rn o d e p r i m a r i l y c o n s i s t so ft h ei n t e r f a c em o d u l e t h ed a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e t h ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n d t h ed a t a b a s es y s t e m m o d u l e T h i s p a p e r f o c u s e so nt h es t u d i e so ft h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no ft h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eb a s e d o nt h eP C Ib u sa n d t h ed a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h m s An e ws i g n a la c q u i s i t i o nm o d ei sa d o p t e d i nt h ed i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rv i b r a t i o ns e n s o rs y s t e m T h ed r i v e r so ft h e a c q u i s i t i o nc a r d sp r o d u c e db yd i f f e r e n tc o m p a n i e sa r ep a c k a g e dt h r o u g h t h eh i e r a r c h i c a ld e s i g n A sar e s u l t t h ec o m p a t i b i l i t yo ft h eu p p e r 北京邮电人学硕十学位论文 s o f t w a r ei Se n s u r e dw h e nt h ea c q u i s i t i o nc a r d sp r o d u c e db yd i f f e r e n t c o m p a n i e sa r e u s e di nt h es y s t e m T h es i g n a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h m s c o n s i s t so ft h ea l a r ma l g o r i t h m sa n dt h ep o s i t i o n i n ga l g o r i t h m s I nt h e a l a r ma l g o r i t h m s t h et e m p l a t ed a t a b a s eb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u e s o ft h ee f f e c t i v es i g n a l si Sa d o p t e d T h ea c c u r a c yo ft h es y s t e ma l a r mi S i m p r o v e dt h r o u g hp a t t e r nc o m p a r i s o nb e t w e e nt h ei n v a s i o n a n dt h e t e m p l a t e s A n dt h i sa l s of a c i l i t a t e st h eu s e r st od i s t i n g u i s hb e t w e e nt h e a l a r me v e n ta n dt h ef a l s ee v e n to nt h e i ro w nn e e d s I nt h ep o s i t i o n i n g a l g o r i t h m s t h eP Cp r o c e s s i n gm o d e i n s t e a do ft h eD S Pm o d e i sa d o p t e d T h et d e ra l g o r i t h m i nw h i c hM Lw i n d o wf u n c t i o ni Ss e l e c t e da sw e i g h t f u n c t i o n i sc h o s e nt os u p p r e s st h en o i s ei m p a c ta n di n c r e a s et h ea c c u r a c y o ft i m ed e l a ye s t i m a t i o n K E YW O R D S O p t i c a lf i b e rs e n s o r c h a r a c t e r i s t i cv a l u e so fe v e n t s t e m p l a t em a t c h i n g t h eg e n e r a l i z e dc o r r e l a t i o n 北京邮电人学硕十学位论文 第一章绪论 目录 1 1i I 言 1 1 2 光纤传感器综述 1 J Z J 辫劈 感留彩噬塬揪 j j Z 2 辫传感器拗娄 j z 3 辫劈镀籍薷移2 重用 一3 1 3 论文主要研究内容 4 第二章基于马赫 泽德干涉原理的分布式光纤传感器系统 5 2 1 分布式光纤传感器原理 5 2 2 两类典掣的分布式光纤传感器 5 2 2 1 基于反射结构的分布式光纤传感器 5 Z Z 2 基于于彦 结灼的分方菇老纡传理克器 8 2 3 马赫一泽德分布式光纤传感器系统的 T 作原理 1 0 Z i J 肩绣彰牙 曼 1 0 Z i 2a 勉原醒 J 彳 2 4 系统结构及各功能模块介绍 1 5 第三章基于P C I 总线的数据采集模块的设计与实现 1 9 3 1P C I 数据采集模块概述 1 9 3 2 数据采集模块的分层设计 2 0 3 Z 1 属I 层票集 旃要赞计 刀 3 2 2 内核层采集卡驱动概要设计 2 l 3 3 数据采集模块的软件实现 2 3 i 主j 属 层采集 举纫狰计 刀 3 3 2 力核层票第 驱动律纫旋劳 2 7 第四章分布式光纤传感器数据处理算法的研究与实现 3 1 4 1 信号处理概述 3 1 4 2 报警算法的设计及软件实现 3 2 4 Z J 报著算哮 筒分 了2 4 2 2 拐燃越理苏醒目 鲥 z z 3 搦譬算宏 励赣绎买叨 3 6 4 3 定位算法的研究及软件实现 3 9 钔L j 互桓芜瑟希分缀 3 9 4 3 2t e d r 算宏僳0 酲 钌 4 3 3t e d r 鼻宏谚磁绎实况 私 4 4 数据处理算法的试验验证 4 6 北京邮电人学硕 学何论文 4 4 1 矗滋粤 台 4 6 4 4 2 斑疆喙黝荔E 4 7 第五章论文总结与展望 5 1 5 1 论文总结 5 1 5 2 腱1 5 目 5 2 参考文献 致谢 发表文章 5 4 5 5 5 6 北京邮电人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代中期 随着光导纤维和光纤通信技术的发展 光纤传感器开 始迅速发展 光纤传感器利用光纤本身的敏感特性进行工作 通过被测物理量 如 应力 温度 压力 电场 磁场等 对光纤内的传输光进行调制 使传输光的强 度 相位 频率或偏振念等特性发生变化 在接收端通过对被调制光信号进行检 测 得出被测物理量的一种新型传感器 与传统传感器相比 光纤传感器具有其 独特的优点 如非接触式测量 灵敏度高 响应速度快 抗电磁干扰 超高压绝 缘 耐高温腐蚀 防燃防爆 可灵活挠曲 测量对象广泛等I l J 基于以上特点 光纤传感器的应用范围非常广泛 不仅可以用于居民小区 政府机关 银行金库 机场等的安防报警 还可应用于石油管道监控 隧道监控 地震和洪水监测等I 翻 1 2 光纤传感器综述 1 2 1 光纤传感器的发展概况 光纤传感技术是2 0 世纪8 0 年代 伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而 另辟新径的一种崭新的传感技术 经过几十年的发展 光纤传感器已经成为当今 极具发展潜力和广阔应用前景的产业 国内外很多公司和科研机构都丌展了这方 面的研究工作 在国外 很多发达国家不仅注重光纤传感器的技术研究 而且重视其商业 化开发 使光纤传感器逐步形成比较全面的工业化生产体系 成为新的朝阳产业 美国海军研究所 N R L 于1 9 7 7 年丌始执F O S S 光纤传感器系统 计划 从此以后 许多国家对光纤传感器进行了大量的研究 美国对光纤传感器的研究最早 投资 最大 水平最高 仅1 9 8 3 年就投入1 2 1 4 亿美元 主要的研究机构有美国海军 研究所 国家宇航局 N A S A 西屋电器公司 斯坦福大学等 主要研究方向有 6 个 光纤传感器系统 F O S S 现代数字光纤控制系统 A D O s S 光纤陀螺 F O G 北京邮电人学硕 学位论文 核辐射监控 N R M 飞机发动机监控 A E M 民用研究计戈I J C R P 由于光纤传 感器具有广阔的工业和民用市场 因此日本和西欧各国高度重视并投入大量经费 开展光纤传感器的研究开发工作 日本在2 0 世纪8 0 年代便制定了 光应用计划 控制系统 7 年规划 投资7 0 亿美元将光纤传感器应用于大型工厂 该规划的 主要目标是解决强电磁干扰和易燃 易爆等恶劣条件下的信息测量 传输和全过 程控制问题 主要的研究机构有松下 三菱 东京大学等 2 0 世纪9 0 年代 F 1 本研究开发出多种具有一流水平的民用光纤传感器 英国的标准电讯公司 牛津 大学 南安普顿大学 法国的汤姆逊公司 德国的西门子公司等企业和大学也都 积极参与了光纤传感器这一领域的研究丌发和市场竞争 并取得了很大的发展 3 o 目前 很多发达国家在大力开展光纤传感器的实验室研究的同时 还特别 注重光纤传感器的商业丌发与运用 着重研究光纤传感器的工业化生产技术 并 达到了较高的水平 迅速形成具有竞争力的新兴产业 研究开发出了许多光纤传 感系统的商用产品 Y a m a t a k e H o n e y w e l l 公司为电子和半导体工业提供了应用很 广的H P X 系列光纤传感器 l d e cI z u m i 公司推出了S A I C F U 系列模拟传感器 用于水污染和混浊度监测 日本富士公司推出光纤式网络总线 O p t i c a lF i e l d b u s S y s t e m 为工业自动化提出标准而优秀的光纤传感器网络系统 并推出了光纤压 力表 流量计 温度计等一系列工业自动化应用的光纤传感器 国际光纤传感器 从八十年代起以平均每年4 0 左右的速度在递增 1 9 9 6 年销售额达5 0 5 亿美元 2 0 0 0 年达6 0 亿美元 预计到2 0 0 6 年将达到1 0 0 亿美元 如今传感系统新技术的发展方向为 开发新型传感材料 开发多用途传感 系统 分布式传感系统灵敏度的提高和成本的降低 传感系统的智能化等 在国内 从2 0 世纪7 0 年代末就有少数单位开展光纤传感器的研究 其起 步时间与国际相差不远 至今已有上百家单位在这一领域开展工作 研究工作主 要集中在大学和研究所 如清华大学 电子科技大学 武汉理工大学 重庆大学 哈尔滨工业大学等高校以及中科院物理所 声学所 核工业总公司九院 电子工 业部1 4 2 6 所等研究所 他们在光纤温度传感器 压力计 流量计 液位计 电 流计 位移计等领域进行了大量的研究 取得了上百项科研成果 其中相当数量 的研究成果具有很高的实用价值 有的达到世界先进水平 但是与发达国家相比 我国的研究水平还有不小的差距 主要表现在商品化和产业化方面 大多数品种 仍处于实验室研制阶段 不能投人批量生产和工程化应用 我们应该加大对传感 器技术研究 开发的投入 缩短我国传感器技术与国外的差距 促进我国仪器仪 表工业和自动化技术的发展 2 北京邮电人学硕 学位论文 1 2 2 光纤传感器的分类 根据光纤在传感器中的作用 光纤传感器分为功能型和非功能两大类 4 1 1 功能型光纤传感器 又称传感型光纤传感器 这种传感系统中 光纤不 仅起到传输光波的作用 同时自身可直接接收外界的被测量 外界的被测物理量 能够引起传感臂的长度 折射率 直径等参数的变化 使得光纤内传输的光信号 在振幅 相位 频率 偏振等方面发生变化 从而可以检测出外部物理量的变化 由于光纤本身就是敏感元件 此类光纤传感器具有极高的灵敏度 但它需要特殊 光纤和先进的检测技术 因此成本高 结构复杂 2 非功能型光纤传感器 又称称传光型光纤传感器 光纤在其中仅起导光 作用 必须在光纤端部或中间安装其他敏感元件才能组成完整的传感器 此类光 纤传感器结构简单 技术上易实现 适用范围广 但是精度和灵敏度比传感型光 纤传感系统稍低 根据被测量对光的调制方法不同 传感型光纤传感器可分为以下几类 1 强度传感器 这是一种利用被测对象的变化引起敏感元件参数变化 枞 而导致光强度变化来实现敏感检测的传感器 这类光纤传感器的优点是结构简 单 成本低 缺点是光源强度的波动对其影响较大 2 频率 或波长 传感器 这是一种利用由被测对象引起的光频率 或波 长 的变化来进行检测的传感器 3 相位传感器 其基本原理是被测量作用于敏感元件 使敏感元件的折射 率或传播常数发生变化 从而导致光的相位变化 然后用干涉仪来检测这种相位 变化而得到被测量的信息 这类传感器的灵敏度很高 但由于需用特殊光纤及高 精度检测系统 因此成本较高 4 光纤偏振式传感器 这是一种利用光的偏振态的变化来传递被测对象信 息的传感器 这类传感器可以避免光源强度变化的影响 因此灵敏度较高 从被检测对象的不同来说 光纤传感器分为温度传感器 电压传感器 位 移传感器 浓度传感器 电流传感器 流速传感器等 1 2 3 光纤传感器的应用 在一些重要的区域 如机场 军事基地 武器弹药库 石油管道等处 为 了防止非法的入侵和各种破坏活动 传统的防范措施是在这些区域的外围周界处 设置一些屏障 如围墙 栅栏 钢丝篱笆网等 并安排人员巡逻 但是人力防范 往往受到时间 地域 人员素质和精力等因素的影响 难免出现漏洞和失误 因 此需要应用一些先进的周界探测报警系统形成一道人眼看不到的 电子围墙 另 3V 北京邮电人学硕十学位论文 外 传感器定位系统也可以用于很多民用设施中 例如 道路交通 通信光缆防 护等等 以道路交通为例 传感器定位系统可以用于优化道路交通 在十字路口 处监控道路上是否有车辆驶来 如果没有 就可以减少这条路的绿灯 让别的路 上始终是绿灯 这样就最大程度的优化了交通 全光纤分布式检测第三方入侵 对需要防护的地域 管线进行预警 保护 可沿管线 油 天然气 铺设光缆 定位入侵位置 铺设电子围栏 提供入侵者 对保护地域的入侵位置 对通信光缆保护 利用光缆中暗纤进行防护 可在窃听 方接近光缆 剥开光缆 泄漏光信号的整个过程中 进行提前定位报警 还可以 分区域防护 每个区域面积在几平方米到几平方公罩 不提供精确定位 光缆可 以安装在围墙 屋顶 或者在地下 保护政府机构 军事基地 输油管线 电厂 机场 通信设施 通信线路 国界等对安全性和实时性要求非常高的地段 检测 现场破坏或者入侵 提前报警 将损失降到最小 这不仅对于干涉型光纤传感器 的实用化具有重要的理论和实际意义 而且在国防 工业等方面也会有极其广泛 的应用 将会带来较大的经济和社会效益1 5 l 1 3 论文主要研究内容 本论文主要研究一种基于马赫 泽德 M a c h Z e h n d e r T 涉仪的干涉型光纤传 感器 并着重研究光纤传感器的信号采集和处理算法及其实现 传感器系统中采 用了一种新的信号采集方式 通过对采集卡驱动程序的封装 保证了在使用不同 公司采集卡时上层软件的兼容性 信号处理算法包括信号的报警算法和定位运算 两大部分 报警算法中 通过对入侵产生的事件特征值与报警误报模板的相似匹 配 提高入侵报警的准确性 定位算法中 选用M L 窗函数作为权函数 以提高 时延估计的精度 本论文的结构如下 第一章为绪论 对光纤传感器系统做综述性介绍 第 二章为分布式光纤传感器系统结构 主要介绍了马赫 泽德分布式光纤传感器系 统的工作原理以及结构组成 并对系统中的各个模块进行说明 第三章为传感器 数据采集模块的设计与实现 主要介绍了数据采集模块的分层设计及其软件实 现 第四章为数据处理算法的实现与实验验证 实现了报警算法和定位算法 并 通过若干实验结果对算法进行验证 第五章为论文的结论 对上述论文的内容进 行总结与展望 4 北京邮电人学硕士学位论文 第二章基于马赫 泽德干涉原理的分布式光纤传感器系统 2 1 分布式光纤传感器原理 分布式光纤传感技术的原理是 用光纤几何上的一维特性进行测量 把被测 量作为光纤位置长度的函数 在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物 理参量进行实时连续的测量 获取被测量在空间和时问上的分布信息 由于其能 对被测量进行实时测量 并获得被测量在空间和时间上的连续分布 分布式光传 感技术得到了快速的应用和发展 2 2 两类典型的分布式光纤传感器 分布式光纤传感器不仅具有一般光纤传感器的特点 而且充分利用了光纤空 间连续分布的特点 可以实时获得光纤分布路径上被测量的时间和空间分布信 息 分布式光纤传感器在实际应用中 主要分为反射法和干涉法两大类 2 2 1 基于反射结构的分布式光纤传感器 反射法是研究和应用最多的一种方法 它利用光在光纤传输过程中产生的后 向散射效应进行测量1 6 J 在反射法中 基于光时域反射 O T D R O p t i c a lT i m e D o m a i nR e f l e c t i o n 技术的分布式光纤传感器是目前研究最多 应用不断扩展 作用大幅度提升的真正意义上的分布式光纤传感技术 光时域反射技术的基本原 理 J 7 是 由光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射 后向散射光强 在向后传播过程中会随着距离增长而按一定规律衰减 而在光速不变的情况下距 离与时间成证比 因此 根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时 间 就可以知道沿光纤路径上任意一点的初始后向散射光强 反射法分布式光纤传感技术最初提出于2 0 世界7 0 年代未期 迄今已经取得 了相当大的发展 主要表现在以下三个方面博J 基于瑞利散射的分布式光纤传感 技术 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术及基于拉曼散射的分布式光纤传感 技术 5 北京邮电人学硕十学位论文 1 基于后向瑞利散射的分布式光纤传感器 图2 1 基于后向瑞利散射的分布式光纤传感器原理图 在利用后向瑞利散射的分布式光纤传感技术中 一般采用光时域反射 O T D R 结构来实现被测量的空间定位 基于后向瑞利散射的分布式光纤温度传感器的基 本结构如图2 1 所示 其基本工作原理1 9 J 是 从光源发出的光沿光纤向前传播过 程中会产生后向散射 后向散射光强在向后运行过程中随着距离的增加而按一定 的规律衰减 当光纤某处受到外界扰动时 该处的后向瑞利散射光强就会产生明显 下降 在光速不变的情况下 距离与时间成讵比 因此 根据探测器探测到的后向 散射光强的变化及其到达探测器的时间 就可以知道沿光纤路径上任一点的初始 后向散射光强 并实现被测点的空间定位 由于该技术是以微弱的瑞利散射为基 础的 传感光纤中光信号的偏振态同时会受到温度 电场 应力应变以及环境振 动等众多参数的影响 引起后向瑞利散射光强发生变化 使得其测量精度不高 传感距离短 2 基于布罩渊散射的分布式光纤传感器 图2 2 基于受激布里渊散射的分布式光纤传感器原理图 布罩渊散射型分布式光纤传感技术利用光纤中的布罩渊散射频移与时问和 应力的关系来实现传感 基于布里渊散射光时域反射仪 B O T D R I 拘分布式光纤传 6 北京邮电大学硕十学位论文 感器是布罩渊散射和O T D R 探测技术相结合构成的分布式应变传感别删 原理 如图2 2 所示 探测器接受的是布里渊后向散射光 它相对于入射光脉冲会发生 频移 布罩渊频移v B 主要由入射光频率v o 纤芯折射率n 光纤内声速v 等决 定 当光纤中的温度和应变发生变化时 光纤纤芯的折射率n 和声速v 会发生相 应的变化 从而导致布罩渊频移的改变 通过监测布里渊频移的变化量就可获知 温度和应变的变化量 同时 通过测定该散射光的回波时间就可确定散射点的位 置 由于目前只能通过测量布罩渊频移来实现传感 不能避免温度和应力交叉敏 感问题 B O T D R 技术还需改进 3 基于拉曼散射的分布式光纤传感器 图2 3 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理图 基于拉曼散射光时域反射仪 R O T D R 的分布式光纤温度传感器的基本结 构如图2 3 所示 由激光器产生的光脉冲 经定向藕合器进入传感光纤 在传感 光纤中某一点处产生自发拉曼散射 其中后向斯托克斯光和反斯托克斯光经定向 耦合器 然后经过光栅或滤光片进行滤光 然后通过雪崩光电二极管 A P D 进 行光电转换 将电信号经多点信号平均器进行叠加 得到信噪比较高的各散射光 所对应的信号 最后经计算机进行计算和处理 由反斯托克斯光与斯托克斯光两 信号强度的比值得到对应点的温度信息 从而实现分布式温度传感 n J 由于 R O T D R 直接测量的是拉曼反射光中斯托克斯光与反斯托克斯光的光强之比 与 其光强的绝对值无关 因此即使光纤随时间老化 光损耗增加 仍可保证测温精 度 7 北京邮电人学硕十学位论文 2 2 2 基于干涉结构的分布式光纤传感器 相位调制型光纤传感器主要是利用光干涉原理来完成信号的检测 由于测试 装置的结构和原理不同 相位调制型光纤传感器有迈克尔逊 M i c h e l s o n 干涉 型 马赫 泽德 M a c h Z e b n d e r 干涉型 赛格纳克 S a g n a c 干涉型及法布里 珀罗腔 F a b r y P e r o t 干涉型光纤传感器 1 2 郴1 1 迈克尔逊干涉型光纤传感器 迈克尔逊干涉型光纤传感器的原理如图2 4 所示 图2 4 迈克尔逊干涉型光纤传感器原理图 光源 激光器 发出的光经耦合器分成两路 一路经参考臂 光纤 到达反 射镜M 1 经M 1 反射后的光反向传输再经光纤耦合器到达光探测器 这束光称 为参考光 另一路经传感臂到反射镜M 2 被M 2 反射的光沿传感臂反向传输经 耦合器传输至光探测器 这束光称为信号光 传感臂放在被测场 被测量的变化 将引起传感光纤的长度发生变化 则光在光纤内部传输时的相位随之变化 当参 考光与信号光相遇时发生干涉 干涉光的相位是被测量的函数 即干涉后光束的 相位受被测量的调制 通过光探测器输出的信号经解调可得到被测量 由于迈克 尔逊干涉型光纤传感器中存在反射镜 部分反射光被直接反馈到激光二极管中 会导致光路不稳定并产生噪声 此外 由于迈克尔逊干涉型光纤传感器的两束光 干涉发生在光纤耦合器中 且由于外界条件的影响 很难保持两束光的恒定相位 差 2 马赫一泽德干涉型光纤传感器 马赫 泽德干涉型光纤传感器的原理如图2 5 所示 8 北京邮电人学硕十学位论文 图2 5 马赫 泽德干涉型光纤传感器原理图 马赫 泽德干涉型光纤传感器与迈克尔逊干涉型光纤传感器的结构相似 都 是由两根光纤 双臂 一信号光纤和参考光纤组成 如图2 5 所示 激光器发出的光 经过光纤耦合器分两路至参考光纤和信号光纤中 信号光纤中的光信号在传输过 程中受被测量调制成信号光 参考光纤的光不经过调制直接作为参考光 两束光 再次相遇时发生干涉形成干涉光 此干涉光经光电转换变为与被测量成比例的电 信号 马赫 泽德干涉型光纤传感器的实际应用受其结构的限制 参考臂光纤不 能埋入待测结构中 否则同时受到待测场的影响就失去了参考的意义 而放在外 边又会给实际使用带来不可接收的 累赘 3 赛格纳克干涉型光纤传感器 赛格纳克干涉型光纤传感器的原理2 6 如图所示 图2 6 赛格纳克干涉型光纤传感器原理图 典型的赛格纳克干涉仪是光纤陀螺 是一种角速度传感器 其基本结构是一 个光纤环 激光器输出的光经耦合器后分为两部分 这两束光分别从两端耦合进 入一个多匝单模光纤环 在光纤中相向传播再回到耦合器回合相干 干涉条纹经 耦合器的另一臂输出至光探测器检测 即可解调出环路的角速度 由于光纤中光 的相位对各种环境变化都非常敏感 很难保证M Z 参考光纤中的参考光相位保 持不变 而且多种因素的影响容易混杂在一起 产生串音 而S a g n a c 干涉仪只 使用一根光纤 可以避免这些不良因素的影响 4 法布旱一珀罗腔干涉型光纤传感器 法布罩一珀罗腔干涉型光纤传感器的原理2 7 如图所示 9 2 3 1 传感原理 从上节基于干涉结构的分布式光纤线传感器可知 马赫 泽德干涉型光纤传 感器的接收端能够检测出被测物理量在光纤上造成的极其微小的相位变化 假设 光纤中传播的光的相位如下式所示 矽 n k L 其中 n 代表纤芯中的折射率 k 是真空中的光波数 L 则为光纤的长度 n L 代 表了光路的长度 对通常的单模光纤而言 存在着两个相互正交的偏振模式 一些影响如将光 纤弯曲 可能导致双折射 因此使得光纤中传输的光变成椭圆偏振 毋值会受到 偏振态变化的影响 这是由于光纤的双折射现象改变了光的偏振态 在不同的偏 1 0 北京邮电人学硕十学位论文 振模式下 n l n 2 在L l L 2 的条件下 妒值不同 本论文在探讨基本原理时忽 略了偏振的影响 对式 2 1 微分 式 2 2 的前两项是由光纤上发生的物理变化造成的 它们描述的是传感 量在光纤上的换能机制 例如 压力 温度以及磁场的变化就是通过影响式子的 前两项来影响相位变化的 而光源的波长或频率的变化影响了第三项 在考虑激 光频率抖动所造成的相位噪声时 对第三项的研究则变得非常有用 图2 5 表示了一个典型的马赫 泽德干涉型光纤传感器 在具体的系统中 通 常由耦合器来完成光的分路和合路的功能 在耦合器中 两条光纤的纤芯会被放 得足够近以使能量可以从一条光纤传到另一条光纤中去 设两个耦合器的功率耦 合系数分别为k l k 2 传感光纤和参考光纤的损耗系数分别为口 口 则在一 个输出端上得到的传感臂和参考臂的场强分别为1 3 J E 磊止再石c o s f 咖 巨 毛扛万i 河面c o s w 晚 则干涉仪光检测器输出的光强可以表示为 I E E 2 Er Es 式 2 3 式 2 4 其中 表示对时问取平均 将式 2 3 和式 2 4 代入式 2 5 得输出光强为 o 口 七 七2 I O r O k 1 1 k 2 2 口 口 t 七2 1 一七 1 一七2 c o s C 一唬 式 2 6 引入干涉条纹对比度 或反差度 V 的定义 y 争争 式 2 7 m m j n 由式 2 6 得 y 堑巫砸巫 口 七1 七2 口 1 一七1 1 一k 2 式 2 8 北京邮电人学硕十学位论文 在推导过程中 除了上文所说的忽略了偏振效应的影响之外 还忽略了另一 种因素的影响 光源相干长度 假设光源光谱线相对强度按频率分布满足洛伦 兹分布即线型为洛伦兹线型 则标准的自相干函数r r 定义为 O e x p v z 式 2 9 其中 f 是沿信号臂和参考臂光传输的时延 t 是光源的相干时问 由于它的影响 条纹对比度V 的实际值要比式 2 8 给出的值小 由于这 个原因 要求光沿信号臂和参考臂传输的时延要远小于光源的相干时间 即 f t 使r r 1 此时的条纹对比度V 近似等于式 2 8 的结果 现在考虑干涉仪的另一路输出 其表达式类似于I I l o a k l 1 k 2 a 1 k 1 后2 2 a a 七1 七2 1 一足1 1 一七2 c o s 九一痧 式 2 1 0 对应的条纹对比度为 y 堑巫砸巫 乜 k 1 1 k 2 口 1 k 1 七2 可见 两路输出的干涉条纹对比度的表达式是不同的 因此 当耦合器的 分束比等于理想情况的O 5 时 两路输出的条纹对比度是相同的 但当分束比不 再是0 5 时 输出条纹对比度则不同 但是 复杂条件下还可能会出现以下两种 情况 忽略损耗的影响 1 一个耦合器的分束比等于O 5 另一个不等于 每个输出的条纹对比度 相同 2 如果两个耦合器的分束比相同但都不等于0 5 输出端产生联合条纹对 比度 为了方便分析 我们假设 C t 一口 一口 A k l k 2 1 k 1 1 一k 2 B 2 4 k l k 2 1 一k 1 1 一k 2 C k l 1 k 2 1 k 尼2 驴 谚一九 则l 和l7 的表达式可以简化为 J l o a 似 B c o s A 掣 一I o a C B c o s A 妒 令k l k 2 O 5 做进一步地简化 得到 1 2 北京邮电人学硕十学位论文 L 号 q 1 C O S 式 2 1 4 气2 1 C O S 妒 式 2 1 5 在这种情况下 两路输出的条纹对比度都等于1 现在 把相位差 分解为一个慢变的相移信号九和幅度为噍频率为 的正 弦信号的和 即 九 识s i nc o t 代入上两式得 华 1 c s 丸 凭s i n 础 式 2 1 6 竽 1 一c s 丸 嗔s i n 耐 式 2 1 7 在光输出端 光电转换器将两路光强信号转换成电信号 光电流的表达式可 以由下式给出 i e l o a c o s d 织s i n6 0 t 式 2 1 8 其中 是光检测器的响应度 式 2 1 8 可以以贝赛尔方程的形式展开 得到新的表达式如下 1 4 i g 0 口 c o s 丸 J 钇 2 薹 唆 c s 2 z n 厅 s i n 九 2 薹J z 纯 s i n 2 以 1 甜 式 2 1 9 其中 J 钇 是n 阶自变量为晚的贝赛尔函数 在慢变的相移信号九存在下 从输出信号中提取d 驴比较困难 分析低阶 n 1 2 3 的贝赛尔函数可以发现 函数关于织近似成周期性振荡 但总的幅度 随着织的增加而降低 考虑小的自变量 噍 1 J 1 以及 唬 晚 2 并只考虑与时问变化相关的部分 式 2 1 9 可以近似为 d i e l o a s i n 丸晚s i n t o t 式 2 2 0 实际上 上式可由对式 2 1 8 直接求微分并利用小角度近似得到 可见 d 矽 的值和s i n 九有关 s i n a 0 时也即当九 嬲时 信号消失 s i n a 1 时 也即九 a m 1 加 2 信号最大 此时的奶也被称为是J 下交点 1 3 北京邮电人学硕七学位论文 至此 包含着相位变化的强度已经被检测得到 但是整个过程的探讨是在一 个理想的情况下进行的 没有考虑偏振的影响 同时认为d 妒是个小信号 d 1 当后者不再满足时 从检测的强度信号中提取相位变化将变得更为复杂 以上内容详细讨论了马赫 泽德干涉型光纤传感器对相位变化的检测过程 当扰动信号发生时 应力 震动或其他外力变化将导致光信号相位的变化 通过 上面的分析 马赫 泽德干涉结构可以将相位变化反映到光强的变化上 扰动信 号即可被光检测器捕捉 实现传感 通过对这种相位引起的光强信号变化的分析 可以实现对扰动的报警 在迄今为止的实际应用中 并未深入到相位解调的层次 因为实际应用的目的仅仅是为了在检测器端检测并提取出扰动信号 但是对相位 变化的准确提取和研究 对于提高传感器定位精度有着很大的意义 2 3 2 定位原理 本论文研究的分布式干涉型光纤传感系统正是这种利用单模光纤作为干涉 臂的马赫 德干涉仪结构束检测信号的变化 其光路结构如图2 8 所示 图2 8 干涉型光纤传感系统结构 图中左侧部分为系统的光发射接收模块 主要包括激光器 P I N 和耦合器 右侧部分为系统的传感监测部分 主要包括传感光纤F i b e r l F i b e r 2 和引导光纤 F i b e r 3 其中F i b e r l 和F i b e r 2 长度相等 在实际的系统中 F i b e r l F i b e r 2 和F i b e r 3 是放在同一根光缆中 这三根光 纤的长度相等 光的发射接收模块处于同一块板卡上 激光器L D 发出的光经耦合器1 分为c d 两束 C 束光经耦合器2 分为两束 光分别在F i b e r l F i b e r 2 中传输 然后经耦合器4 干涉后由F i b e r 3 传送到P I N 2 处进行光电转换 d 束光经过耦合器3 和F i b e r 3 传输 由耦合器4 分为两束光并 在耦合器2 处干涉 最终在P I N l 进行光电转换 1 4 北京邮电人学硕 学位论文 当传感光纤F i b e r l F i b e r 2 受到外力作用时时 光纤会发生形变 对信道中 的信号起到相位调制作用 1 4 a b 两束光除了传输的方向不同 其它的条件都 相同 理想状况下P I N l 和P I N 2 接收到的信号的差别只是一个时延差 信号可 表示为 f S l 5 0 ls O 一s 一 其中 为两路信号的时延差 如图2 8 所示 假设F i b e r l F i b e r 2 和F i b e r 3 的长度为L 外力作用的位置 距耦合器2 为X 由于耦合器2 距P I N l 的距离与耦合器3 距P I N 2 的距离相等 则信号到达P I N 2 和P I N l 的距离差为2 木 L X 设时延差为 f 信号在光纤中的 传输速度为v o 则 A f 2 L X 0 由上式可得 X 墨二丝 监 由式 2 2 3 式可知 只要求出时延差 就可以得到外力发生的位置 实现 系统的定位监测功能 2 4 系统结构及各功能模块介绍 分布式光纤振动传感系统结构主要包括三部分 即管理中心 监控节点和监 控设备 如图2 9 所示 1 5 北京邮电人学硕士学位论文 图2 9 分布式光纤振动传感系统结构图 管理中心通过与多台监控节点相连 可实现对于监控区域的分区监控 管理 中心对各监控节点统一进行操作 维护和管理 管理中心与监控节点之间的通信 通过S O C K E T 实现 同时管理中心可以查询各监控节点的监控软件事件记录数 据表 监控节点直接控制着监控设备 采集卡 算法模块和数据库系统 监控设 北京邮电人学硕 学位论文 其中 用户界面模块 主要完成系统的配置 状态显示功能 可对监控设备 采集卡 算法模块和 数据库系统进行相应的配置 并显示各模块的状态信息 显示报警 撤销报警状 态等 同时也可对数据库进行查询和读写操作 当模板表发生变化时 用户界面 将该表内容传递给数据处理模块 由相应的算法进行处理 数据采集模块