光纤分布式测温系统中基于迭代法的高准确度温度解调算法

提出了一种利用喇曼散射原理的光纤分布式测温系统中基于迭代的高准确度温度解调算法.针对于常规的反斯托克斯-斯托克斯双光路比值的温度解调算法,该迭代算法进一步校正了光纤中双光路衰减系数差对温度敏感带来的温度测量误差,尤其适用于中距离且温度场复杂的测温环境,实现了高准确度的温度测量.通过理论分析确定了该迭代法的迭代格式,测量了相应的光纤参量,并在传感样机上编写相应的代码通过实验予以验证,在0~90℃温度范围,5 km测量长度输出的测温曲线符合预期的测温效果.     

基于动态多段温度标定的分布式光纤Raman测温系统

温度标定是分布式光纤喇曼测温系统重要组成部分.本文设计了一种基于半导体制冷模块的多温度参考标定装置,采用了新颖的动态多段光纤温度标定方法,并通过实验验证了该标定方案的可行性与准确性.结果表明,随着外界环境温度的变化,传感光纤所处任一处的温度都能够精确解调,其温度解调结果更加准确,测量误差小于1℃.系统性能更加稳定,更能...     

基于多模光纤的分布式喇曼测温系统

基于喇曼散射和光时域反射原理,分析后向散射光中反斯托克斯光和斯托克斯光光强比值,研制了基于多模光纤的分布式喇曼温度传感系统.采用对低、高温段温度分别进行拟合的动态温度标定方案,将测温精度提升至±1℃.分别对系统温度分辨率、测温精度、空间分辨率以及重复性进行了实验,结果表明:系统温度分辨率为1℃,空间分辨率为1m,系统稳定性良好,能够适应复杂环境变化.     

基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的温度修正

结合基于喇曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理及温度解调过程,研究和分析了温度测量产生误差的主要原因.采用拟合修正的方法来解决斯托克斯光和反斯托克斯光传输损耗差异以及光纤弯曲、应力等附加损耗对系统的影响;采集光纤起始端同一位置3个不同温度的信号值求解非线性方程组,实现了对探测器暗电流引起的测量误差的修正.实验结果表明:经过修正的传感器在900m位置的温度测量误差平均值从8.0℃降到0.37℃,整条光纤的温度测量误差平均值≤±0.6℃.     

分布式光纤喇曼测温系统光接收机的动态范围及测温数据的修正

本文分析了分布式光纤喇曼测温系统光接收机的动态范围,由此可以直接计算分布式光纤喇曼测温系统的有效传感长度,并提出了测温数据的修正公式,可以改善光接收机的动态范围,提高测温光纤的有效传感长度.     

一种提高分布式光纤测温系统空间分辨率的线性修正算法

由于分布式光纤喇曼测温系统带宽不足,导致系统的空间分辨率低;当光纤的感温区域长度接近空间分辨率的时候,系统温度响应幅值不够,导致测温不准.为解决此问题,本文提出了一种线性修正算法;在分析温度与喇曼比值关系及系统的频率响应特性的基础上,建立了该算法的数学模型,搭建了基于单模光纤的10 km分布式测温系统,并利用该算法进行了相关测温实验.实验结果与理论分析一致,该算法能有效修正3~6 m光纤的温度响应幅值,使系统测温准确度达1℃,测量时间为40 s.本算法在不增加效系统成本的同时,克服了系统带宽不足,优化了空间分辨率、温度分辨率及测量时间.     

一种提高分布式光纤测温系统空间分辨率的线性修正算法

由于分布式光纤喇曼测温系统带宽不足,导致系统的空间分辨率低;当光纤的感温区域长度接近空间分辨率的时候,系统温度响应幅值不够,导致测温不准.为解决此问题,本文提出了一种线性修正算法;在分析温度与喇曼比值关系及系统的频率响应特性的基础上,建立了该算法的数学模型,搭建了基于单模光纤的10km分布式测温系统,并利用该算法进行了相关测温实验.实验结果与理论分析一致,该算法能有效修正3～6m光纤的温度响应幅值,使系统测温准确度达1℃,测量时间为40s.本算法在不增加效系统成本的同时,克服了系统带宽不足,优化了空间分辨率、温度分辨率及测量时间.     

分布式光纤喇曼温度传感器的循环解调法

为了抑制温漂噪声积累,瑞利背向散射光窜扰反斯托克斯背向散射光,考虑了最近测量瑞利背散射光曲线解调反斯托克斯背向散射光温度曲线方法,即循环解调方法;该方法提高了系统的测温精度、稳定性,降低了系统的成本.实验结果与理论分析一致,系统的测温精度达±0.05℃.     

采用智能温度补偿电路的分布式光纤喇曼温度传感器

采用一种智能温度补偿电路对雪崩光电二极管的反偏电压进行温度补偿,抵消环境温度对雪崩光电二极管的影响,从而大大降低了系统的温度漂移.采用该温度补偿电路的系统可在0℃到60℃的环境温度范围内将温漂引起的测量偏差控制在±0.1℃之内.和传统的恒温装置相比,采用该温度补偿电路可有效地降低系统的功耗和成本.相对采用热敏电阻的温度...     

采用智能温度补偿电路的分布式光纤喇曼温度传感器

采用一种智能温度补偿电路对雪崩光电二极管的反偏电压进行温度补偿,抵消环境温度对雪崩光电二极管的影响,从而大大降低了系统的温度漂移.采用该温度补偿电路的系统可在0℃到60℃的环境温度范围内将温漂引起的测量偏差控制在±0.1℃之内.和传统的恒温装置相比,采用该温度补偿电路可有效地降低系统的功耗和成本.相对采用热敏电阻的温度补偿电路,该温度补偿电路的温度补偿线性更好,补偿系数设置更灵活.     

分布式光纤布里渊散射温度传感实验系统

提出一种基于布里渊光时域反射计法的分布式光纤布里渊散射温度传感系统.光源采用窄谱半导体激光器.声光调制器将光源调制成窄脉冲,并由高增益光纤放大器放大,产生高功率光脉冲信号,提高了自发布里渊散射信号的强度.采用双通马赫-曾德干涉仪将布里渊散射从瑞利散射中分离出来,在一段4.25 km长的光纤上进行分布式温度传感的实验研究.双通马赫-曾德干涉仪对瑞利散射进行了很好的抑制,得到了比较纯净的随温度变化的布里渊散射信号.     

基于光纤光栅的物体表面附近温度场测量

提出一种利用光纤布喇格光栅温度传感器测量物体表面法向局域内温度场分布的新方法.将多个毛细管封装的波分复用光纤光栅温度传感器串接,沿待测位置法线方向平行于表面等间距放置,对法向局域内的温度进行准分布式监测,封装后的传感器响应时间为2.74s.利用ANSYS软件对空气的热稳态层流进行分析,获得温度场分布的等值线图.实验得到温度随高度变化的一阶变化率为-24.262,二阶变化率为10.117 2,而ANSYS仿真结果给出的分别为-22.842和8.613,两者基本相符,验证了此测量方法的可靠性.该技术为了解温度场的局域分布提供了技术支撑,为航空器选材和构型的确定提供新的测试方案.     

实用化拉曼光谱水下温度遥测系统研究

海水水下温度测量对研究海洋环境和气候监测及自然灾害的早期预报等十分重要。利用蓝绿激光在海水中良好的透射性,拉曼光谱技术可应用于大面积海水水下温度的快速遥感监测。但目前能够实现现场连续水温监测功能的实用化拉曼光谱水温遥测系统还尚未见报道。研制了实用化低成本的拉曼光谱水下温度遥测系统,开发了光谱实时采集和数据处理软件。数据处理中结合了面阵CCD的空间累加与时间积分及本底扣除算法,有效增强了拉曼光谱的信噪比和光谱系统的探测灵敏度。为了提高实际测温精度,以短波段拉曼谱的面积(S_HB)与长波段拉曼谱的面积(S_NHB)之比作为光谱信标与水温建立关系,研究了测温精度与光谱积分范围和拟合阶次的关系。实验测量了五百多组不同水温的拉曼光谱,分别选用比值S_HB/S_NHB和S_NHB/S_HB与水温进行线性拟合和二阶多项式拟合。研究结果显示,分界波长对面积比值变化范围影响很大,而拟合阶次对面积比与温度的拟合关系的准确度影响很大,两者最终都影响水温测量误差。为了更客观地反应不同面积比法、分界波长和拟合阶次对水温测量误差的影响,分析了温度测量误差与不同分界波长的关系。结果显示,温度测量误差受分界波长影响较小,受面积比法和拟合阶次影响较大;相同情况下2阶多项式拟合结果优于相应的线性拟合结果;而采用比值S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合时测温精度较高,且拟合参数易于调整。进一步研究了不同面积比方法和分界波长对系统抗干扰性能的影响。研究结果显示,比值S_HB/S_NHB法抗干扰能力随分界波长减小而减小,而比值S_NHB/S_HB法抗干扰能力随分界波长减小而增大。上述研究结果提高了温度反演算法参数设置的合理性和拉曼散射系统测温精度及系统抗干扰能力。综合考虑上述研究结果,数据处理中设定649.3 nm作为分界波长计算拉曼光谱面积比S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合。最后通过实验检验了拉曼光谱水下温度遥测系统的连续实时测温能力和测温精度。结果显示,拉曼光谱系统测温值与高精度同步温度传感器测量温度一致,最大测温误差为±0.5 ℃,测温误差的标准差约0.21 ℃。     

Distributed Temperature Measurement Based on Single-Channel Anti-Stokes Light

In relation to conventional distributed temperature measurements based on Raman scattering, this thesis proposes a new practical solution only requiring single-channel anti-Stokes light. With this solution, relative temperatures are measured, and the temperature differentiating rate of the measuring system is improved to ±1°C by temperature compensations. As a result, the cost and complexity of the system are significantly reduced.     

基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究

对布里渊散射分布式光纤传感器(DOFS)检测原理进行了分析, 针对布里渊散射光信号的特点, 应用光相干和外差技术来检测布里渊散射光信号. 具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光, 和布里渊散射光进行相干检测, 根据布里渊频移特性取出布里渊散射光信号, 从而得到分布式传感信号. 分别实现了25 km光纤的分布式温度和应变传感, 达到3℃的温度分辨率、100 με的应变分辨率和10 m的空间分辨率.