分布式光纤拉曼温度传感系统关键技术的研究
发布时间：2021-04-09 00:04
分布式光纤拉曼温度传感系统是现今应用十分广泛的一种测温系统,比如在铁路交通、油气管道、森林火灾等场合中预警;此系统还能够在传感长度长、高温高压、强腐蚀性、强电磁干扰的环境中正常工作,比如核电厂、高压等环境中。分布式光纤拉曼温度传感系统的两个理论支柱就是光纤中的背向拉曼散射对温度信号的敏感关系以及基于光时域反射原理的光纤中的定位技术,使得我们可以获得连续而又稳定的温度信号。然而,在实际的工程实践中,自发的拉曼散射光其光功率比入射光光功率低45dBm至60dBm,这严重的影响到整个系统的实时检测功能和测量时间。这使得我们必须要找到良好的信号处理方法。本文从这个角度分析分布式光纤拉曼温度传感系统在工程实践中存在的噪声,分析产生噪声的原因,比如系统本身硬件上可能存在的噪声及系统的光噪声,同时基于这些原因选择可以降低系统噪声的方法。并探求以深度学习的方法来进行去噪处理,提升系统的信噪比,使得系统的性能更加优越。本文工作有以下几部分:（1）本文介绍了分布式光纤拉曼温度传感系统的国内外发展现状。接着又介绍了光纤中的拉曼散射、瑞利散射、布里渊散射的原理以及光时域反射原理;并对比分析了基于反斯托克斯光的...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤散射频谱
第二章分布式光纤拉曼温度传感系统的理论基础11变，为拉曼散射，频率下降的散射光为斯托克斯光，频率上升的散射光为反斯托克斯光[36-37]。上式可见斯托克斯光与反斯托克斯光光强差异不大，然而实际上反斯托克斯光较斯托克斯光弱几个数量级，经典理论无法解释。2.拉曼散射量子理论量子理论角度中，光散射为光子与介质分子碰撞时产生，碰撞过程中光子与分子不断生成与湮灭，产生能量和方向皆与入射光相异的散射光子，分子的能量与动量也不断改变，整个过程能量与动量始终守恒。若入射光子能量与动量未改变，散射光子频率与入射光子一致，发生瑞利散射；若散射光频率改变，且介质分子能量动量都改变，发生拉曼散射，产生了能级跃迁现象[38]。图2-2拉曼散射能级跃迁模型（a）Stokes（b）Anti-Stokes如上图所示，1E、2E为分子振动两能级，入射光子与1E能级作用时，分子从1E能级跃迁到sE能级，再从sE能级跃迁到2E能级，并释放sh能量光子，即为斯托克斯光子；入射光子与2E能级作用时，分子从2E能级跃迁到aE能级，再从aE能级跃迁到1E能级，并释放ah能量的光子，也就是Anti-Stokes光子。Anti-Stokes光与Stokes光频率为：hEEa120，hEEs120（2-16）生成斯托克斯光时，分子原本位于1E能级；生成反斯托克斯光时，分子原本位于2E能级。因高能级粒子分布随能量递增指数减少，故斯托克斯光比之反斯托克斯光强度大几个数量级。2.2光时域反射原理在分布式光纤传感系统中，通常使用光时域反射技术（OTDR）定位光纤中点的位置。OTDR技术是利用了光在光纤中传输时引起的背向瑞利散射现象及菲涅尔反射原理进行定位的。OTDR技术通常以背向的瑞利散射光强度对光纤中的各
电子科技大学硕士学位论文12项参数进行判断，由于瑞利散射光的强度是随着时间的更迭而发生改变的，所以不同时间时的瑞利散射光强度可以显示出光纤中不同位置的参数信息。当激光器以某一固定的频率发出脉冲信号时，它同时给出一个同步的电脉冲的信号控制触发数据采集卡开始采集数据信息，数据采集卡以某一固定的采样率采集到的数据会以采集的时间对应起光纤中的位置。若光纤中某个位置点出现故障或是衰减的变化时，我们采集得到的背向瑞利散射光的强度也会发生变化，以此我们可以实现对光纤中发生故障或衰减的位置进行定位的目的。图2-3OTDR原理图如上图所示，激光器发射脉冲信号，脉冲入射光纤中，设散射点位于光纤l处，假定脉冲入射光纤初始位置起计时，所用时间为t，则有：2vtl（2-17）式中，v为光纤中光传播速度。整段光纤上不同点位置的散射光在不同时间可被数据采集卡采集，以此可以得到整段光纤上各个点位置的信息。2.3系统的温度解调原理分布式光纤拉曼温度传感系统对温度信号的解调方法有基于Anti-Stokes光的单光路解调方法、基于Anti-Stokes光与瑞利光的双光路解调方法以及基于Anti-Stokes光与Stokes光的双光路解调方法。我们设斯托克斯光与反斯托克斯光的的波长分别为s与a，且有s0、-a0。0为入射光的波长。其中Stokes光与Anti-Stokes光功率分别为：LkThSKPPssbss040expexp11（2-18）LkThkThSKPPaabaas040expexp1exp（2-19）式中，asP与sP为Anti-Stokes光与Stokes光频率，0P为脉冲频率；L为光纤位置；0、
本文编号：3126521
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤散射频谱
第二章分布式光纤拉曼温度传感系统的理论基础11变，为拉曼散射，频率下降的散射光为斯托克斯光，频率上升的散射光为反斯托克斯光[36-37]。上式可见斯托克斯光与反斯托克斯光光强差异不大，然而实际上反斯托克斯光较斯托克斯光弱几个数量级，经典理论无法解释。2.拉曼散射量子理论量子理论角度中，光散射为光子与介质分子碰撞时产生，碰撞过程中光子与分子不断生成与湮灭，产生能量和方向皆与入射光相异的散射光子，分子的能量与动量也不断改变，整个过程能量与动量始终守恒。若入射光子能量与动量未改变，散射光子频率与入射光子一致，发生瑞利散射；若散射光频率改变，且介质分子能量动量都改变，发生拉曼散射，产生了能级跃迁现象[38]。图2-2拉曼散射能级跃迁模型（a）Stokes（b）Anti-Stokes如上图所示，1E、2E为分子振动两能级，入射光子与1E能级作用时，分子从1E能级跃迁到sE能级，再从sE能级跃迁到2E能级，并释放sh能量光子，即为斯托克斯光子；入射光子与2E能级作用时，分子从2E能级跃迁到aE能级，再从aE能级跃迁到1E能级，并释放ah能量的光子，也就是Anti-Stokes光子。Anti-Stokes光与Stokes光频率为：hEEa120，hEEs120（2-16）生成斯托克斯光时，分子原本位于1E能级；生成反斯托克斯光时，分子原本位于2E能级。因高能级粒子分布随能量递增指数减少，故斯托克斯光比之反斯托克斯光强度大几个数量级。2.2光时域反射原理在分布式光纤传感系统中，通常使用光时域反射技术（OTDR）定位光纤中点的位置。OTDR技术是利用了光在光纤中传输时引起的背向瑞利散射现象及菲涅尔反射原理进行定位的。OTDR技术通常以背向的瑞利散射光强度对光纤中的各
电子科技大学硕士学位论文12项参数进行判断，由于瑞利散射光的强度是随着时间的更迭而发生改变的，所以不同时间时的瑞利散射光强度可以显示出光纤中不同位置的参数信息。当激光器以某一固定的频率发出脉冲信号时，它同时给出一个同步的电脉冲的信号控制触发数据采集卡开始采集数据信息，数据采集卡以某一固定的采样率采集到的数据会以采集的时间对应起光纤中的位置。若光纤中某个位置点出现故障或是衰减的变化时，我们采集得到的背向瑞利散射光的强度也会发生变化，以此我们可以实现对光纤中发生故障或衰减的位置进行定位的目的。图2-3OTDR原理图如上图所示，激光器发射脉冲信号，脉冲入射光纤中，设散射点位于光纤l处，假定脉冲入射光纤初始位置起计时，所用时间为t，则有：2vtl（2-17）式中，v为光纤中光传播速度。整段光纤上不同点位置的散射光在不同时间可被数据采集卡采集，以此可以得到整段光纤上各个点位置的信息。2.3系统的温度解调原理分布式光纤拉曼温度传感系统对温度信号的解调方法有基于Anti-Stokes光的单光路解调方法、基于Anti-Stokes光与瑞利光的双光路解调方法以及基于Anti-Stokes光与Stokes光的双光路解调方法。我们设斯托克斯光与反斯托克斯光的的波长分别为s与a，且有s0、-a0。0为入射光的波长。其中Stokes光与Anti-Stokes光功率分别为：LkThSKPPssbss040expexp11（2-18）LkThkThSKPPaabaas040expexp1exp（2-19）式中，asP与sP为Anti-Stokes光与Stokes光频率，0P为脉冲频率；L为光纤位置；0、
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