分布式光纤拉曼温度传感系统及其应用研究

【摘要】分布式光纤拉曼温度传感（DTS）系统基于光在光纤中的拉曼散射效应测温，是近20多年发展起来的用于测量空间温度场的高新技术。它能实现几千米范围内的温度的实时、连续测量，并且具有可靠地温度分辨率和温度测量精度。由于系统固有的优点，如体积小、成本低、抗电磁辐射、抗腐蚀、反应快、能实现真正的实时在线监测等，在很多场合有着广泛的应用。本文对分布式光纤拉曼温度传感系统的传感原理、系统设计中的关键技术问题及其工程应用中的重要环节做了较为全面的理论分析和实验研究，其中着重介绍了用于数据处理的小波去噪方法和系统温度解调的算法，对从事相关工作的人员具有一定的参考价值和指导意义。具体来说，论文主要包括以下章节：第1章绪论。光纤传感技术概述，国内外研究现状及发展趋势。简要说明了论文的选题依据及研究意义。第2章光纤拉曼散射的温度传感原理。对光纤拉曼温度传感系统的两个理论基础，即光时域反射技术原理和光纤拉曼散射原理进行了理论分析和数学计算。从能级跃迁的角度解释了光纤中拉曼散射光产生的过程，并根据相关的量子学理论推导出了拉曼散射光强的定量描述，得出了以反斯托克斯光和斯托克斯光强度之比作为温度传感信号的结论。第3章分布式光纤拉曼温度传感系统的设计。详细介绍了系统的设计过程，包括组成系统的光源、WDM定向耦合器、APD光电探测器等主要模块的设计原则，给出了系统结构框图和部分电路的电路图。对系统的主要性能指标如温度分辨率、空间分辨率等进行了分析计算，并给出了相应的测量方案。第4章小波去噪用于光纤拉曼温度传感系统。为了进一步改善系统的信噪比以获得更佳的温度分辨率，在数据累加平均算法的基础上，又在数据处理过程中引入了小波去噪算法。先介绍了数据处理中常用的小波变换理论，然后详细讨论了小波变换阈值去噪法的过程以及阈值函数的选取原则等关键问题。结果表明，该方法有效的去除了信号中的噪声，进而可以提高系统的温度分辨率以及温度测量精度。第5章DTS系统的应用研究及稳定性分析。在DTS系统的实际应用中，分析了系统存在测量误差的原因，给出了一种考虑到光纤传输损耗的温度定标方法。分析了影响系统稳定性的主要因素以及系统应用中需要注意的问题，并且给出了改善方案。最终成功的将DTS系统用于地下蒸汽管道的泄漏监测。第6章总结。总结了论文的主要工作，获得的结论，并且提出了几个系统继续研究的方向。总的来说，在实验室提供的条件下，设计、组建了一套分布式光纤拉曼温度传感系统，并且成功应用于实际的工程测量，取得了较好的效果。
【作者】刘磊；
【导师】崔洪亮；
【作者基本信息】吉林大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】光纤光学；拉曼散射；小波去噪；温度传感；

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