基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的研究

发布时间：2016-06-24 22:09

第 1 章 绪论

1.1 课题背景和意义
温度一直是与人类生活息息相关的重要信息，从原始人类的钻木取火，到现代人类社会的日常生活，都离不开温度，而温度的测量技术愈发凸显它的重要性。随着现代社会的高速发展，温度信息对现代工业生产、公共区域安全、人们日常生活等具有越来越重要的作用，我们对温度测量技术的要求也越来越高[1]。尤其是电力设备运行场所的火灾预防，因为电力设备在运行过程中长期处于高压高电流状态下容易引起设备温度上升而引起火灾，如果能在温度异常上升期间及时发现并采取相应措施就能避免不必要的人力以及财产损失。因此我们需要采用有效的实时温度测量方法进行相应的温度监测，来避免不必要的火灾发生。至今为止，温度测量方式已经多种多样，尤其是传统的一些温度测量方法已经发展的非常成熟，有接触式和非接触式两种类型，比较常见的膨胀式的有水银温度计、有机液体温度计等，压力式的有液体压力温度计和压力温度计等[2]，电阻式的有铂电阻和热敏电阻温度计等，热电动势式的有热电偶温度计等，它们以结构简单、测量方便精度高以及成本低等优点大量应用于社会各个方面，但这些测温方式一般不能实现温度的分布式测量，不能在高温强电磁等场所长期稳定运行，因此，在现代社会中，这些传统的测温方法受到了很大的限制。光纤传感技术是随着光纤通信技术的不断进步而发展起来的，传感光纤的材质一般是玻璃或者塑料，光信号在传感光纤中传播时会与光纤材质碰撞发生全反射，依靠此原理来实现信息的传播，由于光在光纤中的全反射基本没有损耗产生，因此，可以利用其原理实现长距离低损耗的信号传输[3]。光纤不仅可以作为传输信号的媒介，还可以作为传感介质测量各种物理信号。光信号在传感光纤中传播时，一些表示光的特征量在外界因素的影响下会发生一些变化，通过光电探测器件实现信号的光电转换进而实现信息解调。其中光纤温度传感器的应用比较广泛，分为点式和分布式。顾名思义，点式光纤温度传感器实现单点温度测量，例如，热色效应光纤温度传感器、吸收型光纤温度传感器等[4]。分布式可实现待测区域的多点分布式温度测量。它们的结构简单，利用光纤作为传感媒介，利用光纤的特质可将其按任意形状铺设在待测区，测量距离长范围广，同时具有电绝缘性好，抗电磁辐射，耐腐蚀，灵敏度高等优点[5].
..........

1.2 分布式光纤温度传感器的研究现状
1970 年左右，光纤技术在多种场合得到了广泛的利用，尤其是在通信技术方面得到了迅猛的发展，并逐渐成为不可取代的一项技术。在此期间，分布式光纤温度传感技术相应发展起来。1981 年，南安普顿大学首次提出分布式光纤温度传感系统[8]，此后在1983年J.P.Dakin博士提出一种基于后向拉曼散射的分布式光纤温度传感系统的模型，首次利用分布式光纤测温系统进行测温实验是由英国科学家在 1985 年进行的[9]，将氩离子激光器作为光源，但由于激光器的不稳定性实验效果一般，同年，Harton 和Dakin 等人用半导体激光器代替了氩离子激光器作为光源，成功研制首台分布式光纤温度测量系统[10]。分布式光纤测温系统首次推向市场在上世纪80年代末90年代初，是由英国的York公司推出的，测量距离为 2 千米。在同一时期，其它一些国家也展开了对此项技术的研究并有了一定的研究成果，比如 1990 年日本腾仓公司推出了 DFS-1000 光纤温度传感系统[11]，1996 年日本东京大学研制的分布式光纤测温系统成功应用于核工业冷却回路的温度监测中[12]。德国也在同时期进行了一定的研究并取得了空间分辨率为 0.5 米的产品。直至近十年，在美国科学家及一些公司的带领研究下，分布式光纤测温系统有了较快的发展，首先由美国安捷伦公司推出的 DTS 测温系统成功申请专利，测量距离最大可达 30 千米，温度分辨率能达到 0.1 摄氏度，空间分辨率达到 1 米，并且可实现多通道测量，该公司利用单片机作为信号采集及处理系统，避免了普通 DTS 双接收机通道的大测量误差缺点，同时期，SensorTran 公司也针对分布式光纤测温系统进行了相关的研究，这家公司研究的产品主要应用在国防军事等领域[13].
...........

第 2 章 分布式光纤测温系统的理论基础

分布式光纤测温方式由测温原理可分为三种类型，分为基于瑞利散射、拉曼散射以及布利渊散射的分布式光纤测温系统[31]。本章节主要针对这三种测温方法进行了原理研究及比较，得到了它们各自的优缺点，最后根据性能的比较得出最优温度解调方案，除此之外，本章对光纤中的待测点进行了定位研究，从而保证了系统定位精度。

2.1 光纤中的散射
(1)假设光纤介质分子分布比较均匀，且外界没有温度变化情况，则光信号在发生碰撞时，它的一些光特性不会发生任何改变，仍然沿着原有方向向前传播[33]。上式表示的是散射光和入射光的性质完全相同，这是一种理想情况，在实际中几乎不可能发生。(2)然而光纤中的介质分子不是均匀分布的，光信号与介质分子发生碰撞，，势必会产生散射现象，导致散射光的特性与入射光相比会发生相应的一些变化，如果这种不均匀性与时间没有关系，那么散射光频率也不会发生任何变化，仅仅波矢量会发生变化[34]，将这种仅仅由于介质分子不均匀分布产生的散射叫做弹性散射。(3)当然，介质分子的不均匀分布也可以随时间变化而变化，在这种情况下，光信号发生散射现象时，它们的能量也会发生改变。此时，散射光的光功率发生了改变，也就是光的频率发生了改变，将这种散射现象叫做非弹性散射[36]。
..........

2.2 方案比较
式(2.3)中，rK 代表的是光纤介质中的瑞利散射系数，和温度成正比关系；t 代表光信号初始端从开始注入进光纤介质中Z点后，后向散射光沿原路返回到入射端所经过的时间，t可以转换为光纤中的位置距离；v是光在传感光纤中的传播速度；0I 代表的是入射光脉冲的光功率；S 代表光纤介质中的后向散射因子系数；瑞利散射在传输过程中的损耗系数[38]。外界温度的改变会影响传感光纤的孔径发生细微变化，在这过程中，瑞利散射系数随之改变，根据上述描述的瑞利散射公式可以得出，瑞利散射光的光功率相应发生变化。在普通的2SiO 传感光纤中，光纤光缆的数值孔径以及瑞利散射的散射系数与温度变化的改变很小。而随温度变化的瑞利散射系数，如果液心光纤在温度过高或过低时，其性能会受到较大影响，因此基于这种散射的温度传感系统的温度测量范围很小[39]。除此之外，瑞利散射的散射光功率受光纤的材质影响比较大。同时光纤材质中会含有杂质，这些因素都会增加光纤的散射面，从而产生损耗，导致获得的信号不精确，带来一些错误的信息。
.........

第 3 章 系统总体设计及技术指标.......14
3.1 系统总体设计....14
3.2 光时域反射(OTDR)技术.........14
3.3 系统解调方案的研究........15
3.4 系统结构....17
3.5 系统参数及技术指标........17
3.5.1 温度分辨率的确定性分析....... 17
3.5.2 空间分辨率的确定性分析....... 18
3.5.3 系统响应时间的确定性分析........... 20
3.6 本章小结....20
第 4 章 分布式光纤测温各子系统设计.......21
4.1 系统工作波长的选定........21
4.2 光源子系统设计........24
4.2.1 脉冲发生器设计....... 25
4.2.2 光源的选择....... 25
4.2.3 激光器的驱动电路的设计....... 26
4.3 光传输与分光系统的设计........2
94.4 光电探测电路设计....31
4.5 本章小结....36
第 5 章 实验结果及分析.......37
5.1 系统实验方案的设计........37
5.2 本章小结....41

第 5 章 实验结果及分析

本课题针对分布式光纤测温原理进行了一定的研究。设计了基于拉曼散射的分布式光纤测温系统，此测温系统能够测量沿一条将近 1.8 千米的传感光纤上的任一点的温度，同时也能实现沿传感光纤的分布式温度测量。

5.1 系统实验方案的设计

由于 APD 需要直流高压偏置电路提供 100-200V 直流电压，因此，有必要对本系统设计的高压偏置电路输出的电压稳定性进行验证。其输出电压信号如图 5.1 所示。通过示波器得到的电压波形可以轻易得出一段波动很小的直流电压，因此其满足本测温系统中的直流偏置电压的要求。图中的曲线为采集到的电压信号随距离变化的曲线，横坐标代表测量距离，也可以转换为采集信号的时间长度，纵坐标代表经过取整换算后采集电压信号的大小，电压值 1V 对应数值 3276。温度测量的定标区应该在距光纤起始端面的 100 米后，测量的初始距离应该从这里算起。从图中可以看出，在传感光纤末端电压信号存在波动且幅度比较明显，曲线幅度变化的最高处代表温度变化点。由于实验器材的限制，在实验过程中，只使用了长度为 1.8 千米的传感光纤，从理论分析来看，传感光纤的距离还有很大的增加空间。将测得水温为 0 摄氏度的数据作为定温温度，然后分别测量 60 摄氏度和 90 摄氏度的水箱。

..........

结论

基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术具有许多独特的优点，包括温度分辨率高、测温距离长、抗强电磁干扰以及适应于各种复杂环境。目前这项技术已成为国内外许多国家的研究热点，具有广阔的应用前景。与此同时，这种测温系统在许多技术层面还有待提高，尤其在各器件的性能优化上，还有许多实际问题需要解决。随着科技的进步，各器件的价格也会更加廉价，从而可以实现性价比更高的分布式光纤传感系统，最终实现社会中各个场合的广泛应用，对温度监测以及火灾预防起到至关重要的作用。本论文主要研究成果如下：（1）利用课题设计的分布式光纤测温系统成功搭建测温平台并测得了准确的温度数据。测温系统达到了良好的性能指标：测温范围达 1.8 千米，空间分辨率为 2.5 米。（2）通过对试验数据的处理，得到了沿光纤分布的温度信息，为实现模拟待测区域的温度场提供了准确的温度信息。（3）通过比对测量温度与真实温度，验证了课题提出的温度解调方案的可行性。通过对分布式光纤温度传感技术的详细研究，本课题基本完成了系统设计，实现了沿传感光纤上待测点的分布式测量。但温度信息的解调还需要完善。尤其在温度测量的距离方面还有待增加，并且本套系统的空间分辨率偏低，导致了待测区域热流分布图的分辨率较低。随着科技的进步，一些相对廉价器件的性能也会越来越好，从而可以取代目前各子系统中昂贵的器件，可以节约成本，使分布式光纤测温系统更广泛的利用到社会各个场合。同时各器件的创新也会越来越多，势必会出现一些性能更加优秀的器件，从而可以使分布式光纤测温系统的各项技术指标更加精确，总而言之，分布式光纤测温技术的发展远远没到尽头，应该向着更加优秀的方向发展。
.........
参考文献(略)

本文编号：61093