基于拉曼散射的分布式光纤测温及数据处理技术研究

发布时间：2017-08-14 09:38

  本文关键词：基于拉曼散射的分布式光纤测温及数据处理技术研究

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【摘要】：光纤应用从光纤通信到光纤传感,遍布医疗、运输、通信、服务、军事、娱乐、能源、教育等各种领域,为信息世界的发展提供了一个有效的媒介。利用分布式光纤传感技术对空间场的温度进行监测,能够快速、准确、安全地完成测量任务。分布式光纤温度传感器主要是利用光后向拉曼散射信号携带温度信息,并通过反斯托克斯光和斯托克斯光进行解调的原理,在大型仓库、油气资源的运输、煤炭发电厂等领域发挥着重大的作用。本文首先对分布式DTS系统国内外研究现状、未来前景以及测温系统的优点进行了大体分析,制定了光纤基于后向拉曼散射的温度解调方案,对拉曼散射原理进行了详细的介绍,继而对分布式光纤测温的原理做了具体阐述。其次,本文给出了分布式光纤测温系统总体设计,并对各模块中硬件功能进行了详细说明,根据实际要求分析出各部分的系统设计参数。本文详细分析系统各个模块硬件的原理及设计思路,同时对分布式光纤的硬件模块进行了设计,包括高频窄脉冲激光器的设计、光信号探测系统的设计、低噪声放大电路的设计和信号采集与数据处理模块的设计。并且论文采用MATLAB对光谱信号进行特性分析,对拉曼噪声信号进行滤波处理;设计了不同累加次数的滤波方法对比实验,结合模拟滤波器和数字滤波器,综合利用巴特沃斯滤波器对携带温度信息的信号进行滤波去噪处理;提出RLS算法,并结合IIR自适应滤波器在FPGA中的工作流程进行噪声信号处理;借助LABVIEW对数据采集卡的功能特性进行仿真验证;设计了FPGA对系统整个累加滤波流程实验分析。论文最后根据模块组装系统,并介绍了系统和计算机数据通道连接的客户端软件部分,基于此进行了光纤温度的测量实验,验证了论文理论分析的正确性。
【关键词】：光纤 温度解调 数据处理 自适应滤波器
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212;TH811
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 概论9-13
• 1.1 前言9
• 1.2 光纤测温技术的研究现状及应用前景9-12
• 1.2.1 国外研究现状9-10
• 1.2.2 国内研究现状10-11
• 1.2.3 未来研究展望11-12
• 1.3 本文的主要研究内容和结构安排12-13
• 第二章 拉曼散射测温原理分析13-21
• 2.1 拉曼散射理论概论13
• 2.2 拉曼散射的理论13-15
• 2.2.1 拉曼散射的经典分子模型研究13-14
• 2.2.2 拉曼散射的量子力学模型分析14-15
• 2.3 分布式拉曼散射测温理论15-19
• 2.3.1 OTDR原理介绍15-16
• 2.3.2 拉曼散射的OTDR原理16-18
• 2.3.3 基于拉曼散射测温系统的温度解调方法18-19
• 2.4 拉曼散射测温的温度定标19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第三章 分布式光纤测温系统的性能指标分析与研究21-25
• 3.1 光纤测温的性能分析21-23
• 3.1.1 测温指标的分析21
• 3.1.2 系统的空间分辨率21-22
• 3.1.3 系统的温度分辨率22-23
• 3.1.4 系统时间分辨率23
• 3.2 光纤测温系统设计思路23-24
• 3.3 本章小结24-25
• 第四章 光纤测温系统硬件结构设计25-44
• 4.1 系统光路发射模块设计25-36
• 4.1.1 激光器设计原理25
• 4.1.2 光中心波长的选择25-27
• 4.1.3 脉宽与功率指标27-28
• 4.1.4 激光器重复频率的确定28
• 4.1.5 激光器及驱动电路的设计28-34
• 4.1.6 光放大器原理34-36
• 4.2 光开关的介绍36-38
• 4.3 光滤波器件38-39
• 4.4 光电探测模块39-40
• 4.4.1 光电二极管39
• 4.4.2 模块结构39-40
• 4.5 数据采集处理模块40-43
• 4.5.1 数据采样模块40-41
• 4.5.2 数据处理模块41-43
• 4.6 本章小结43-44
• 第五章 分布式光纤测温系统的信号处理方法分析44-58
• 5.1 信号的去噪处理及稳定性分析44-45
• 5.1.1 拉曼信号的噪声特点44
• 5.1.2 系统稳定性分析44-45
• 5.2 系统的信号处理方法介绍45-49
• 5.2.1 数据处理技术简介45
• 5.2.2 数字累加平均对信噪比的改善45-49
• 5.3 微弱信号的处理方法49-57
• 5.3.1 巴特沃斯滤波器50-52
• 5.3.2 常规RLS算法自适应滤波器52-54
• 5.3.3 IIR滤波器在FPGA中的实现方式54-55
• 5.3.4 RLS算法的仿真55-57
• 5.4 本章小结57-58
• 第六章 光纤测温系统的总体实现58-72
• 6.1 激光器模块的测试58-59
• 6.2 数据采集通道的测试59-61
• 6.2.1 A/D变换的处理方法59
• 6.2.2 基于LABVIEW的双通道数据采集验证59-61
• 6.3 基于FPGA的数据累加滤波模块设计61-64
• 6.3.1 驱动信号的分析62
• 6.3.2 FPGA滤波流程分析及仿真62-64
• 6.4 光纤测温系统的测试64-71
• 6.4.1 测温系统客户端软件的设计65-68
• 6.4.2 数据库的配置68-69
• 6.4.3 系统的界面设置69
• 6.4.4 实验对比测试69-71
• 6.5 本章小结71-72
• 第七章 总结与展望72-73
• 参考文献73-76
• 附录一：插图清单76-79
• 附录二：插表清单79-80
• 致谢80

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本文编号：672003