分布式拉曼测温仪噪声抑制研究及人机交互界面设计

发布时间：2020-07-01 18:21

【摘要】：分布式光纤拉曼温度传感技术与其他电学传感技术及准分布式传感技术相比具有可测量光纤沿线上任意一点温度信息的优点,目前已被广泛应用于煤气管道、电力电缆、隧道、大坝等领域的实时温度监测。但由于拉曼散射信号强度微弱,存在无法同时实现长距离和高测温精度的问题。基于此本论文提出两种噪声抑制的方法:首先通过分析基于雪崩光电二极管(APD)光接收机的噪声基底波动对测温结果的影响,提出动态噪声差分算法准确获取实际的拉曼散射强度,将传感距离从3 km提升至11.5 km;其次鉴于拉曼测温仪采用散射光强度解调温度的特点,且小波变换模极大值去噪具有适合提取强度信号突变点信息且节省测量时间的优点,将此去噪法应用于分布式拉曼测温仪中,测温波动减小了4.75℃。同时基于两种噪声抑制算法,通过对数据采集模块、数据存储模块、自动定位及参考位置查询模块、数据处理模块、报警模块和显示模块的综合设计,开发了所研制的拉曼测温仪的人机交互界面。本文的主要研究内容如下:1)通过分析传统拉曼测温系统的实验装置和解调方法,为了解决拉曼双路解调系统存在的两路不同中心波长光色散的问题和系统要求雪崩光电二极管及放大器严格对称的问题,拟采用拉曼反斯托克斯光自解调的方式,并研究自解调的解调原理及定位原理。2)研究基于雪崩光电二极管的光接收机的噪声特性及其对拉曼测温结果的影响。由于光接收机的基底噪声存在6.26 mV的波动,且该波动将传感距离限制在3 km。基于此提出动态噪声差分算法,在保证测温精度为0.83℃的前提下,将传感距离从3 km有效提高到11.5 km。3)实验分析对比拉曼自解调和拉曼斯托克斯光解调反斯托克斯光两种解调方法的测温结果。由于拉曼斯托克斯光解调反斯托克斯光的方法存在色散的问题,采用拉曼自解调方法将测温准确度提高了14.78℃。4)研究小波变换模极大值法的去噪原理和实现方法,并从实验中分析小波变换模极大值法的去噪能力。由于小波变换模极大值适合提取强度信号突变点信息的特性,在光纤末端,采用小波变换模极大值法去噪后的系统测温结果波动的峰峰值由5.98℃降为1.23℃。5)搭建基于拉曼散射的分布式光纤温度传感实验系统。将动态噪声差分算法、小波模极大值去噪法及自解调方法应用于该系统中。在11.5 km的传感距离上获得了1.58℃的测温精度、1.66℃的测温波动和2.1 m的空间分辨率。6)设计基于拉曼散射的分布式光纤测温仪的人机交互界面。该界面可实现采集卡控制、数据存储及调用、参考位置自动寻找、小波变换模极大值去噪、动态噪声基底提取及实际散射强度计算、温度解调、温度显示等功能。并用拉曼测温仪进行室外测量,验证了测温仪具有良好的稳定性和实时性。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH811

【参考文献】