分布式光纤传感器人机交互软件设计

发布时间：2020-03-23 04:50

【摘要】：由于光纤传感技术具有抗电磁干扰、防腐蚀和长距离传输等诸多优点,在国防、军事、工业、交通、医药、教育、家庭等领域都有着广泛的应用。实验室基于布里渊散射光时域反射原理研发了光纤传感系统,该系统能够同时测量温度和应变等物理信息,但在将光纤传感技术应用在各个领域进行数据采集监控传输时,需要相应的软件系统来实现交互控制。本文以Python(x,y)为主要开发平台,设计研发了一个分布式光纤传感器人机交互软件平台来服务于实验室的分布式光纤传感系统。本文设计的人机交互软件主要用来实现对光纤传感系统采集参数的设置及数据采集,对采集到的原始数据进行处理和计算后获取光纤上的温度和应变信息,并将采集和处理后得到的结果(原始数据、温度变化、应变变化)通过交互界面进行显示。本文设计了功能菜单模块来实现对采集参数的设置和数据采集的控制,数据处理模块来实现对采集到的数据的计算处理,数据库模块来实现对采集到的数据的存储和查询,图像处理模块来实现对界面显示的图像的保存、放大、缩小、设置坐标轴范围和三维图像观察角度等图形处理操作,网管模块来实现对系统中的参数信息的设置和查询。基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射计(BOTDR)技术既可以检测温度也能实现应变传感,但因为受光纤固有衰减的影响限制了传感距离。为克服这一缺点,基于受激布里渊散射的布里渊时域分析技术(BOTDA)通过引入反向传输的连续探测光,可与正向传输的脉冲进行受激布里渊作用,从而可增强布里渊散射效率,实现长距离传输。为了提升传感距离可以采用提升入射光功率的方法,但是由于光纤的非线性效应其功率上限一般不超过5 dBm,采用FSK调制技术可以提高探测光功率,尽可能地提高布里渊阈值,但FSK信号和阈值的关系还未有人研究。所以,本文推导出了基于n-FSK调制的自发布里渊散射阈值估算模型,并深入研究n-FSK调制信号的周期、n值、扫频范围和自发布里渊散射阈值的关系。根据阈值估算公式可计算出不同n-FSK调制信号下的布里渊阈值,本文计算了当调制信号分别为2-FSK、10-FSK和40-FSK时,自发布里渊散射阈值可分别达到10 dBm,17 dBm和20 dBm。最后论文通过实验验证了当调制信号为2-FSK时,实际阂值与用阂值估算模型计算出的阈值在实验误差范围内是一致的,从而验证了阂值估算模型的正确性。这一研究为后续采用FSK调制技术的布里渊光时域分析系统中确定探测光功率和设计n-FSK调制信号的周期、n值和扫频范围提供了一种依据。
【图文】：

逦北京邮电大学工学硕士学位论文的光纤传感技术可以在同一时间传输信号和感知信号，与传统的点式光纤传相比，实现真正意义上的分布式测量。分布式光纤传感可以对光纤上成千上测量点的温度和应变信息进行测量，这是其它传感技术无法比拟的优势。目布式光纤传感技术主要分为以下三种：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术［基于布里渊散射的布里渊时域分析传感技术［４，５］和基于拉曼散射的分布式光感技术［６］。其中，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的传感点数己经一百万「１，在长距离传感方面更具优势。逡逑（１）基于瑞利散射的分布式光纤传感技术逡逑探测脉冲逡逑

为拉曼频移。逡逑基于拉曼散射原理的拉曼光纤传感技术（Ｒａｍａｎ邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｔｉｍｅ邋Ｄｏｍａｉｎ逡逑Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ，邋ＲＯＴＤＲｆｌ的结构图如图１－２所示，根据反斯托克斯光和斯托克斯逡逑光比值可获得光纤中各个位置上的温度。逡逑探测脉冲逡逑＿＿，邋ＪＬ逦定向耦合器逦传感光纤逡逑激光器邋￣逦（＾ｉ）邋＿＿逦逦逦逡逑逦逦逦逦丨丨邋■邋？一逡逑／逡逑ｉ逡逑波分复用器逡逑斯托克斯光逦＾反斯托克斯光逡逑信号处理逡逑图１－２Ｒ０ＴＤＲ结构图。逡逑（３）基于布里渊散射的分布式光纤传感技术逡逑探测脉冲逡逑＿＿ＪＸ邋定向耦合器逦传感光纤逡逑激光器邋￣逦（ｒ＾）逦１逦逡逑／逡逑ｉ逡逑滤波器逡逑斯托克斯光／逡逑反斯托克斯光逡逑信号处理逡逑图１－３Ｂ０ＴＤＲ结构图。逡逑布里渊散射是入射到光纤中的光波与光纤中介质中的声波相互作用，，光纤中逡逑的光学声子和光学光子发生非弹性碰撞而产生的。我们定义发生布里渊散射时的逡逑散射光频率与入射光的频率差值为布里渊频移。利用布里渊散射性质的布里渊散逡逑射分布式光纤传感（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｔｉｍｅ邋ｄｏｍａｉｎ邋ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ，ＢＯＴＤＲ）技术［１０］逡逑的结构图如图１－３所示。基于布里渊散射的光纤传感技术是在传统的光时域反射逡逑３逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TP311.52

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本文编号：2596213