分布式光纖溫度測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　2011屆畢業(yè)生</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　題 目: 分布式光纖溫度測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)</p><p>　　實現(xiàn) </p><p>　　院系名稱

2、： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級： </p><p>　　學(xué)生姓名： 學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 教師職稱：

3、 </p><p>　　2012 年 5月15日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖的相關(guān)物理特性對被測量場的空間和時間行為進行實時監(jiān)測的技術(shù)。光纖傳感器作為一種測量新技術(shù)，利用光波導(dǎo)原理，具有損耗低、頻帶寬、線徑細、重量輕、可撓性好、抗電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕

4、、原料豐富、制造過程能耗少、節(jié)約大量有色金屬等突出優(yōu)點，近年來逐漸擴大應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。在光電子技術(shù)、計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展帶動下，分布式光纖傳感技術(shù)迅速發(fā)展，從理論研究走向產(chǎn)品化，解決了很多使用傳統(tǒng)傳感器難以解決的問題，也是傳感領(lǐng)域研究的一個熱點。分布式光纖溫度傳感器的光纖即是傳輸介質(zhì)，又是傳感介質(zhì)，可實現(xiàn)沿光纖連續(xù)分布的溫度場的分布式測量，測試用光纖的跨距可達幾十千米，空間分辨率高，誤差小，與單點或多點準分布測量相比具有較高

5、的性能價格比，以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、航空航天、交通運輸和日常生活等各個領(lǐng)域。</p><p>　　本論文對基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感及其數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行了系統(tǒng)而深入的研究，通過對長距離皮帶傳輸線工作特性進行分析及試驗，設(shè)計分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)并應(yīng)用于長距離皮帶傳輸線的實際溫度檢測和火災(zāi)報警中。</p><p>　　由于測量的反斯托克斯信號和斯托克斯信號非常微弱，完

6、全淹沒在噪聲中。需要采用微弱信號處理技術(shù)。而且數(shù)據(jù)處理技術(shù)的性能對測量指標(biāo)有重要的影響，在整個分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中具有重要地位，是系統(tǒng)設(shè)計中的重要一環(huán)。通過對各種新的信號處理技術(shù)進行研究，提出了一種基于高精度AD/轉(zhuǎn)換器完成的信號處理方案。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 分布式光纖 溫度傳感 光時域反射 拉曼散射 微弱信號處理</p><p><b>　　目次</b&g

7、t;</p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1研究意義2</b></p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

8、3</p><p>　　1.3 論文內(nèi)容4</p><p>　　第2章 分布式光纖溫度測量系統(tǒng)5</p><p>　　2.1分布式光纖傳感器系統(tǒng)介紹5</p><p>　　2.2分布式光纖溫度測量9</p><p>　　2.3系統(tǒng)組成及技術(shù)指標(biāo)10</p><p>　　2.4 分布式光

9、纖傳感器器件分析11</p><p>　　第3章分布式光纖溫度傳感數(shù)據(jù)處理技術(shù)14</p><p>　　3.1分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號分析14</p><p>　　3.2 常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析15</p><p>　　3.3信號處理分析17</p><p>　　第4章 基于分布式光纖溫度測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)的

10、小波分解的檢測方法27</p><p>　　4.1 小波去噪原理27</p><p>　　4.2 小波去噪步驟29</p><p>　　4.3閾值的選取與量化29</p><p>　　4.4 小波消噪的MATLAB實現(xiàn)31</p><p>　　4.5 小波去噪的MATLAB 仿真對比試驗33</p&g

11、t;<p>　　4.6結(jié)果分析35</p><p><b>　　結(jié) 論37</b></p><p><b>　　致 謝38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b>

12、</p><p>　　光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)發(fā)展而另辟新徑迅速發(fā)展起來的一種嶄新的傳感技術(shù)。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖用作遠距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。入們很快發(fā)現(xiàn)，通信質(zhì)量易受干擾的一個原因是光纖對外界環(huán)境因素十分敏感，如溫度、壓力、電場、磁場等環(huán)境條件的變化將引起光波參量，如強度、相位、頻率、偏振態(tài)等的變化。這一現(xiàn)象啟發(fā)人們提出了光纖傳感的概念。如果能測出光波參量的變化，就可以知道

13、導(dǎo)致這些光波參量變化的溫度、壓力、電場、磁場等物理量的大小。另一方面，光纖本身有許多固有優(yōu)點：如工作頻帶寬、動態(tài)范圍大、適合于遙測遙控、長距離低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、成本低、防水、防火、防爆、耐腐蝕、抗電磁干擾、抗輻射性能好、對被測環(huán)境影響小等等。這促使人們在各個領(lǐng)域?qū)饫w傳感器進行深入研究，使光纖傳感技術(shù)獲得了飛速發(fā)展——在航天、航海、石油化工、電力工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)療器械、科學(xué)研究等技術(shù)領(lǐng)域都取得了可喜的研究成果。</p

14、><p>　　概括地說，光纖傳感器就是利用光纖將待測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M行調(diào)制，并對被調(diào)制過的光波信號進行解調(diào)檢測，從而獲得待測量值的一種裝置。按照光纖在傳感器中所起的作用，光纖傳感器一般可分為兩大類：功能型——利用光纖本身的特征把光纖直接作為敏感元件，既感知信息又傳輸信息(有時又稱為傳感型光纖傳感器或叫做全光纖傳感器)；非功能——利用其他敏感元件感知待測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠處或難以接近

15、場所的光信號(有時也稱為傳光型傳感器或叫做混合型傳感器)。對功能型光纖傳感器來說，核心問題是光纖本身起敏感元件的作用。一種情況是：光纖與被測量對象相互作用時，光纖自身的結(jié)構(gòu)參量(尺寸和形狀)發(fā)生變化，光纖的傳光特性發(fā)生相關(guān)變化，光纖中的光波參量受到相應(yīng)控制，即在光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ艿搅吮粶y對象的調(diào)制，空載波變?yōu)檎{(diào)制波，攜帶了被測對象的信息；另一種情況是：光纖與被測對象作用時，光纖自身的結(jié)構(gòu)參量并不發(fā)生變化，而光纖中傳輸?shù)墓獠ㄗ陨戆l(fā)生了某種

16、變化，攜帶了待測信息。對非功能型光纖傳感器來說，關(guān)鍵部件是光轉(zhuǎn)換敏感元件。一種情況是：光轉(zhuǎn)換元件與待測對象相互作用時，光轉(zhuǎn)換元件自身的性能發(fā)生了變化，由光</p><p>　　分布式光纖溫度傳感技術(shù)，就是利用光纖測量沿光纖走向幾十公里連續(xù)空間的溫度場分布情況。點式溫度傳感器，只能測試一小部分區(qū)域內(nèi)的溫度狀態(tài)，而某些特定場合(例如空間飛行器、大型結(jié)構(gòu)件等)，迫切需要對溫度場的空間分布狀態(tài)進行準確測量和實時監(jiān)控，此時

17、雖然可以用多個點式溫度傳感器的陣列進行測試，但其測試過程復(fù)雜，且不經(jīng)濟、不準確、不可靠。分布式光纖溫度測量系統(tǒng)為強電磁場、高壓大電流、易燃易爆、復(fù)雜幾何空間等惡劣環(huán)境的溫度場測量與控制，提供了可行的新手段。分布式光纖溫度傳感器利用光纖作為溫度信息的傳感和傳輸介質(zhì)，光纖設(shè)在整個溫度場中，可以測量光纖沿線的溫度分布情況，隨著光纖的增長，測量點數(shù)的增加，單位信息的獲取成本大大降低，這是分布式光纖溫度傳感器相對于其它溫度傳感器的顯著優(yōu)點。<

18、;/p><p><b>　　1.1研究意義</b></p><p>　　分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖的相關(guān)物理特性對被測量場的空間和時間行為進行實時監(jiān)測的技術(shù)。該項技術(shù)對水庫大壩、橋梁、飛機、輸油氣管線、大型倉儲設(shè)備、大型變壓器和輸電線路等應(yīng)力場和溫度場分布的有效監(jiān)測有著重要的應(yīng)用價值。</p><p>　　在科研和工程技術(shù)中有許多場合需要確定溫度

19、和應(yīng)力的分布。例如長距離輸油管道、通信電纜或電力電纜等管道的沿線溫度場分布，大型電力變壓器內(nèi)部的溫度場分布，橋梁、大壩、倉庫、大型建筑隧道、高壓容器、航天器機身等的溫度分布，電子冶金化工等許多行業(yè)的生產(chǎn)中也都需要對多個溫度點同時進行監(jiān)控，如測量存儲易燃易爆或其它物質(zhì)的大型存儲罐的溫度分布，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型設(shè)備以及回轉(zhuǎn)設(shè)備的溫度分布等。傳統(tǒng)的電溫度傳感器不能工作在強電磁環(huán)境中，也不宜在易燃易爆環(huán)境或腐蝕性環(huán)境中工作。對于采用點式溫度傳感器實

20、現(xiàn)溫度的分布測量還存在難于安裝、難于布線、難于維護的問題。分布式光纖溫度傳感器可實現(xiàn)沿光纖連續(xù)分布的溫度場的分布式測量，測試用光纖的跨距可達幾十千米，空間分辨率高，誤差小，與單點或多點準分布測量相比具有較高的性能價格比。</p><p>　　分布式光纖溫度傳感器具有很多優(yōu)點:</p><p>　　(l)光纖是本質(zhì)絕緣的，適合易燃易爆環(huán)境;</p><p>　　(2)

21、光纖中傳輸?shù)氖枪庑盘枺箯婋姶鸥蓴_;</p><p>　　(3)光纖纖細柔軟易于安裝;</p><p>　　(4)可實現(xiàn)溫度的分布式測量;</p><p>　　分布式光纖溫度傳感技術(shù)以其對沿光纖分布的溫度場可連續(xù)實時測量的特點而成為光纖傳感技術(shù)中較為引人矚目的一項新技術(shù)。用一根長達數(shù)千米的光纖可以連續(xù)地測量沿其分布的溫度場的實時信息具有重要的理論價值和實際意義。分布

22、式光纖溫度傳感技術(shù)不僅具有一般光纖傳感技術(shù)的傳感和遙測傳輸方式的特點，而且由于光纖的空間連續(xù)，可以在沿光纖分布的路徑上同時得到被測量的分布，解決許多特殊場合下其它傳感器難以勝任的測量難題。</p><p>　　因此，只要在一些需要多點測量溫度、應(yīng)力的場合都可以見到他們的應(yīng)用。而且發(fā)展勢頭迅猛，應(yīng)用前景廣闊。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析</p><p&g

23、t;　　基于分布式光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢，其理論和應(yīng)用研究一直是國內(nèi)外研究的熱點，也取得了一些卓有成效的成果。主要研究包括以下幾方面:</p><p>　　拓展測量長度?，F(xiàn)己經(jīng)出現(xiàn)測量3Omk的產(chǎn)品，但在通信應(yīng)用中，一般傳輸距離都可以超過。50km，所以研制長距離的分布式光纖傳感系統(tǒng)在理論上是可行的，在實際也有需求，如長距離輸油氣管道的監(jiān)測等。</p><p>　　進一步提高測量系統(tǒng)的空間分辨

24、率和測量參數(shù)分辨率。現(xiàn)有系統(tǒng)己經(jīng)達到空間為ml，溫度為0.5℃，需要進一步提高測量精度。</p><p>　　采用新的光電器件和技術(shù)，提高系統(tǒng)性能。為提高測量精度，對光電器件有很高的要求，</p><p>　　而且測量信號非常微弱，需要進行大量的計算和信號處理，完成測量時間比較長，也為產(chǎn)</p><p>　　品化帶來了一定的難度。</p><p&

25、gt;　　國內(nèi)外在理論和應(yīng)用研究已經(jīng)進行了積極的探索。依據(jù)信號性質(zhì)，該類傳感技術(shù)可分為4類:①利用后向瑞利散射的傳感技術(shù);②利用喇曼效應(yīng)的傳感技術(shù);③利用布里淵效應(yīng)的傳感技術(shù);④利用前向傳輸模禍合的傳感技術(shù)。</p><p>　　溫度場的分布測量是科研和工程技術(shù)中溫度測量的重要內(nèi)容。典型的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式，測量出光纖上各點的溫度值。分布式光纖溫度傳感器是基于光纖內(nèi)

26、部光散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試技術(shù)，將較高功率窄光脈沖送入光纖，然后隨時間變化將返回的散射光強探測下來。而背向散射光強隨光纖環(huán)境因素變化而發(fā)生變化，從而可以確定沿光纖溫度、應(yīng)力等物理參數(shù)，也可以確定光纖缺陷、斷裂及光纖長度等指標(biāo)。從光纖返回的散射光有3種成分:</p><p>　?。?）瑞利散射(Rayleigh scatter)</p><p>　?。?）布里淵散射(Bri1

27、louin scatter)</p><p>　?。?）拉曼散射(Raman scatter)</p><p>　　瑞利散射由于是光與物質(zhì)發(fā)生的彈性散射，因而其波長不發(fā)生變化，對溫度不敏感。而布里淵散射和喇曼散射是光與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射時所攜帶出的信息，將使入射光波長發(fā)生變化。光纖的散射光譜譜線是在激發(fā)線兩側(cè)對稱出現(xiàn)的，其中布里淵散射對溫度和應(yīng)，拉曼散射光中的斯托克斯光對溫度不敏感，反斯

28、托克斯光的強度則隨溫度變化。</p><p><b>　　1.3 論文內(nèi)容</b></p><p>　?。?）分布式光纖溫度測量系統(tǒng)分析 對基于拉曼散射和瑞利散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)介紹，分析分布式光纖溫度測量，和系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，以及分布式光纖傳感器的器件分析。</p><p>　?。?）分布式光纖溫度傳感器信號特點及幾種傳統(tǒng)信號處理方法

29、 從分布式光纖傳感器的數(shù)據(jù)處理原理出發(fā)，分析傳感器所得信號特點，討論了傳統(tǒng)信號去噪檢測方法用于分布式溫度傳感器信號檢測去噪中存在的不足，并且進行了仿真分析。</p><p>　?。?）基于分布式光纖溫度測量數(shù)據(jù)處理的小波分解的檢測方法；提出小波去噪的原理，和去噪方法，可以有效的抑制系統(tǒng)的噪聲，提高信噪比。并用MATLAB仿真實現(xiàn)。</p><p>　　第2章 分布式光纖溫度測量系統(tǒng)&l

30、t;/p><p>　　近幾十年來，為解決溫度場的測量問題，研制出了分布式光纖溫度傳感器，它相對于以電信號為基礎(chǔ)的溫度傳感器和點式光纖溫度傳感器而言，無論是從測量技術(shù)的難度、測量溫度的內(nèi)容及指標(biāo)，還是從測量的場合和范圍都提高到了一個新的階段。分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式，測量出光纖上各點的溫度值。分布式光纖溫度傳感器的工作機理是基于光纖內(nèi)部光散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試

31、技術(shù)，將高功率窄光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強隨時間的變化探測下來。分布式光纖溫度傳感器基于背向散射或前向散射機理，其中背向散射具有溫度測量的實際意義。由于實際應(yīng)用場合不同，要求的技術(shù)指標(biāo)也不一樣，如有些需要空間分辨率要高，如在傳輸帶托軸的溫度檢測中，測量直徑只有10cm:有些需要測溫精度高，如水庫大壩的滲漏檢測;有些需要長距離的傳感長度，如輸油管線的泄漏檢測;而有些需要快速的溫度測量反映時間，如故障診斷和火災(zāi)報警等。所以，系統(tǒng)設(shè)

32、計要充分考慮應(yīng)用要求，選擇合適的器件和工作參數(shù)</p><p>　　2.1分布式光纖傳感器系統(tǒng)介紹</p><p>　?。?）基于瑞利散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)</p><p>　　瑞利散射是造成光纖傳輸衰減的主要因素，是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的，散射光與入射光頻率相同。由于制造等的原因，光纖的密度和組成會沿光纖發(fā)生變化，從而導(dǎo)致瑞利散射。其光強與

33、波長的4次方成反比()，因而長波長會迅速減小。當(dāng)一部分散射光反射回發(fā)射端即產(chǎn)生瑞利背向散射。雖然其背向散射效應(yīng)相對較強，但在常規(guī)材料的光纖中隨溫度的變化不明顯，所以在實際溫度傳感測量中應(yīng)用不多。第一個分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)是Harotg和Pyane在1982年基于瑞利后向散射原理完成的，采用溫度敏感的液芯光纖，由于可靠性不高而限制了它的應(yīng)用。光時域反射(OTRD，Optcial time一dmoain reflectometry) 技

34、術(shù)可以探測光纖斷點的位置，主要在通信領(lǐng)域應(yīng)用，也作為分布式光纖傳感系統(tǒng)的一部分功能使用，即在測量系統(tǒng)中，不但要測量溫度場的分布，還要確定一旦光纖在中間某處斷裂，能立刻實時顯示。</p><p>　　光時域反射技術(shù)是分布式光纖傳感器的基礎(chǔ)。當(dāng)光通過光纖所穿過的測量物理場時，光能量將以3種方式分配:</p><p>　　1.一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播；</p><p

35、>　　2.一部分能量在傳輸過程中被吸收損耗或是散射至光纖外；</p><p>　　3.一部分能量被禍合至接受通道，被光電探測器探測。</p><p>　　光時域反射技術(shù)就是通過測量背向散射光來確定測量物理場的信息。</p><p>　　光通過光纖時，光子和光纖中因自發(fā)熱運動而產(chǎn)生的聲子會產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生自發(fā)布里淵散射。散射光的頻率相對入射光的頻率發(fā)生變化，

36、這一變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關(guān)，可等效為一個以一定速度(頻率)移動的密度光柵。與布里淵散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性主要受溫度和應(yīng)變的影響，因此，外界溫度和應(yīng)變的變化會影響頻率的偏移。通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實現(xiàn)分布式溫度、應(yīng)變測量。由于瑞利散射光較強〔布里淵散射大約比瑞利散射弱20dB)，而布里淵散射光頻率靠近瑞利散射光，并且應(yīng)力引起的布里淵頻移一般都很小，使得直接測量極為困難，限制了基于布里淵。但是可以通

37、過受激布里淵散射加強，并使用高靈敏度的相干接收器進行檢測，使布里淵散射技術(shù)在實際系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。</p><p>　　當(dāng)光背向散射時，布里淵頻率偏移最大為:</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　其中刀是折射系數(shù)，Va是聲速，是光的波長。當(dāng)使用石英光纖時，n=1.46，Va=5945m/s,如果=1.32，則Va=

38、13.2GHz。布里淵頻率偏移隨應(yīng)力和溫度變化線性增長:</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　其中是拉伸應(yīng)變，t溫度而tr是參考溫度。應(yīng)變和溫度的比例系數(shù)Cs=4.6，Ct=9.4x10-5K。Horiguehi和Culverhouse等人建議采用以上特性測量分布式光纖的應(yīng)變和溫度。</p><p>　?。?）基

39、于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)</p><p>　　在任何分子介質(zhì)中，自發(fā)拉曼散射將一小部分(一般約為10-6)入射功率轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束中，頻率下移量由介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應(yīng)。從量子力學(xué)的觀點來看，入射光波的一個光子被另一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成其兩個振動態(tài)之間的躍遷。入射光作為泵浦產(chǎn)生斯托克斯(stkoes)波的頻移光。當(dāng)頻率為Vo的激光進入光纖時，在其背向會產(chǎn)生拉曼散

40、射，即頻率不同于入射光的散射光。由于其分子量很少，所以拉曼與瑞利散射相比相當(dāng)弱，大約低30dB。拉曼散射光子的頻率既可向低處移動(斯托克斯頻移)，產(chǎn)生的斯托克斯散射光比入射光波長長:；也可以向高處移動(反斯托克斯頻移)，產(chǎn)生的反斯托克斯散射光比入射光波長短: ;其中為入射光波長，為拉曼頻移。因此拉曼散射在頻譜上，是由位于瑞利散射兩旁的、對應(yīng)的斯托克斯和反斯托克斯譜線組成。在頻譜上，拉曼散射光子分為斯托克斯和反斯托克斯光子。</p&

41、gt;<p>　　斯托克斯散射光子頻率為:</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　反斯托克斯散射光子頻率為:</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　式中為光纖分子的振動頻率，聲子的振動頻率。</p><p&

42、gt;　　分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)能在整個連續(xù)的光纖長度上以距離的連續(xù)函數(shù)形式測量出沿光纖長度變化各點的溫度。分布式光纖溫度傳感器重要的是要解決對攜帶溫度信息的光信號的識別和位置的確定。基于背向散射光的溫度效應(yīng)，溫度解調(diào)可以采用多種方法。根據(jù)所需信號通道的個數(shù)，可以分為單通道方式和多通道方式。</p><p><b>　　一、單通道方式</b></p><p>　　這

43、種設(shè)計應(yīng)用只檢測包含溫度信號的斯托克斯或反斯托克斯散射光。由于斯托克斯散射光對溫度不敏感，實際上主要是檢測反斯托克斯散射光。實現(xiàn)原理如圖2-1所示。</p><p>　　激光器發(fā)激光脈沖，經(jīng)藕合器進入傳感光纖，帶有溫度信息的背向散射光再經(jīng)藕合器到波分復(fù)用器，分離反托克斯信號，對其放大、運算和處理，得到各測量點溫度信息。</p><p>　　圖2-1單通道溫度測量系統(tǒng)</p>

44、<p><b>　　二.雙通道方式</b></p><p>　　由于單通道測量系統(tǒng)易受到環(huán)境干擾，給測量帶來誤差。實際測量中常采用雙通道方式消除干擾。一般采用敏感的反斯托克斯散射光作為信號通道，對溫度不敏感的瑞利散射光或斯托克斯散射光作為參考通道，通過分別測量它們的光強度并相比較來解調(diào)溫度信息。系統(tǒng)原理如圖2-2所示。</p><p>　　雙通道測溫系統(tǒng)工作

45、過程與單通道系統(tǒng)類似，但背向散射光經(jīng)波分復(fù)用器后被分離為兩路信號，一路為反斯托克斯散射光，送往信號通道進行放大、處理;另一路為斯托克斯散射光或瑞利散射光，送往參考通道進行放大、處理，最后通過兩路信號的比較得到被測量溫度信息。</p><p>　　用瑞利光解調(diào)反斯托克斯光的方法比用斯托克斯光解調(diào)反斯托克斯光的相對溫度靈敏度高。實際應(yīng)用中，瑞利光和反斯托克斯光兩者強度差別太大，會給數(shù)據(jù)處理帶來一定的影響。但是其好處是

46、可以省去一個濾光片和一個ADP，經(jīng)濟上具有競爭優(yōu)勢。</p><p>　　基于背向拉曼散射的分布式光纖溫度測量系統(tǒng)的分析方法有兩種:一種是時域分析，即光時域背向拉曼散射分布式光纖傳感器(ROTDR);一種是頻域分析，即光頻域背向拉曼散射分布式光纖傳感器(ROFDR)。其中ROTDR是現(xiàn)在實用普遍采用的方法，而ROFRD在1998年由Mostafa Ahangrani Farahani和Torsten Gogolz

47、a提出，由于可以降低噪聲、獲得高的信噪比、測試時間短，和ROTRD相比有明顯的優(yōu)勢，目前也是很多人研究的熱點。但由于其存在光源的相干性，它將調(diào)制接收到的頻譜，從而使要觀察的散射信號的空間變化產(chǎn)生畸變，應(yīng)用因此受到限制。</p><p>　　圖2-2雙通道溫度測量系統(tǒng)</p><p>　　現(xiàn)在分布式光纖測量溫度的理論已經(jīng)比較成熟，已經(jīng)進入實用化階段。但國內(nèi)各項技術(shù)指標(biāo)與國外還有差距。當(dāng)前，光

48、纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為原理性研究與應(yīng)用開發(fā)兩大方向。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對光纖傳感系統(tǒng)的實用開發(fā)成為整個領(lǐng)域發(fā)展的熱點和關(guān)鍵，但光纖傳感技術(shù)的原理性研究仍然相當(dāng)重要。</p><p>　　2.2分布式光纖溫度測量</p><p>　　在礦山、港口和碼頭中，皮帶傳輸線是基本的運輸工具，煤炭、礦石等的運輸基本上由其完成。具有工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣，灰塵大，路線長，野外溫度變化大等特點，使得維修、

49、保養(yǎng)困難，很難預(yù)測故障的發(fā)生點。在皮帶傳輸過程中，如果支撐皮帶傳輸?shù)耐休伆l(fā)生故障時，其不隨皮帶傳輸轉(zhuǎn)動，會導(dǎo)致托輥外表面與傳輸皮帶發(fā)生摩擦產(chǎn)生極高的熱量，進而引起火災(zāi)，造成重大損失。因此需要對皮帶傳輸線實施可靠的火災(zāi)在線監(jiān)測，以確保礦山、港口、碼頭的正常運營，保障國家財產(chǎn)和生命安全。同時如果能夠在皮帶長廊作業(yè)工程中，通過實時在線監(jiān)測每一個托輥的軸溫，來判斷每個托輥的好壞，將具有更加重要的意義，可以在火災(zāi)發(fā)生前早早的預(yù)知和預(yù)報，及時處理，

50、人為避免火災(zāi)的出現(xiàn)。此外，通過這種實時監(jiān)測，可以充分的挖掘每個托輥的使用周期極限，減少維修成本。由于一般傳輸線都很長，托輥數(shù)量眾多，所以傳統(tǒng)的檢測設(shè)備是很難完成對如此長距離、測量點眾多的檢測任務(wù)的。</p><p>　　為保證設(shè)備正常安全工作，需要對設(shè)備運行的工況進行監(jiān)測。由于皮帶傳輸線近1000米，托輥非常多，而且是轉(zhuǎn)動的，在加上相應(yīng)的驅(qū)動電機、翻斗車等設(shè)備，檢測點有數(shù)千個。對如此長距離的大量測試點進行溫度檢測

51、來實現(xiàn)對故障的預(yù)警，傳統(tǒng)的點式溫度傳感器無論從成本、安裝和實現(xiàn)都是很困難的。</p><p>　　本課題利用分布式光纖溫度測量系統(tǒng)監(jiān)測碼頭的傳輸帶的火災(zāi)情況，同時也將擴展到皮帶傳輸線托輥和主轉(zhuǎn)軸軸溫測量和驅(qū)動裝置的關(guān)鍵部位的溫度測量。分布式光纖溫度測量系統(tǒng)的測量部分是光纖，完全無源，自身不會引起危險和爆炸，而且一根測試光纖可以測量數(shù)公里溫度點，節(jié)省了大量點式測量的傳輸電纜，這對監(jiān)測運輸易燃易爆的物質(zhì)的傳輸線非常有

52、意義。由于一根光纖即作為傳感器又作為傳輸介質(zhì)，現(xiàn)場的安裝維護非常方便。</p><p>　　2.3系統(tǒng)組成及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　分布式光纖溫度傳感器可以在整個光纖長度上以距離的連續(xù)函數(shù)形式傳感出被測參數(shù)(溫度)隨光纖長度的變化。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)由主機、傳感光纖、溫度處理和顯示報警軟件等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3分布式

53、光纖測溫系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　由于拉曼散射信號非常微弱，而且隨傳感光纖長度的增加，信號衰耗會加大。為保證測量空間分標(biāo)率等指標(biāo)要求，光源部分要產(chǎn)生脈寬很窄的大功率光脈沖輸入到傳感光纖中。光發(fā)射部分主要由激光器設(shè)計及大電流窄脈沖的驅(qū)動電路設(shè)計等問題。</p><p>　　2.4 分布式光纖傳感器器件分析</p><p><b>　?。?）激光器&l

54、t;/b></p><p>　　激光器的發(fā)展促進了光纖傳感技術(shù)在工程方向的應(yīng)用。激光(Laser)的含義是光的受激發(fā)射放大。激光器既可以工作在連續(xù)狀態(tài)下，又可以工作在具有短暫輸出特性的脈沖模式狀態(tài)下。根據(jù)工作方式的不同，激光器的輸出功率也不同，小至微瓦級，大至兆瓦級。激光的窄脈沖特性(如可發(fā)出小于十億分之一秒持續(xù)期的脈沖)，尤其適用于光纖飛行時間測量系統(tǒng)或光纖連接間隙測量系統(tǒng)。在光纖傳感器的應(yīng)用中，選擇激光

55、器時主要考慮以下因素:價格、物理尺寸、激光的工作溫度和激光材料的壽命等。半導(dǎo)體激光器由于其體積小、價格低、高效率而獲得廣泛應(yīng)用。</p><p>　　根據(jù)泵浦光持續(xù)時間(激光脈沖寬度)決定了一個空間分辨率指標(biāo)(其它如光探測器響應(yīng)時間和A心轉(zhuǎn)換時間也影響空間分辨率)。所以，要縮小空間分辨率，就要使發(fā)射的激光脈沖要窄，如在普通多模光纖中，v=2.0x10-8m/s，要達到1米的空間分辨率，則脈沖寬度應(yīng)滿足。但為獲得長

56、的測量距離，就要發(fā)射大的激光功率。所以，要根據(jù)系統(tǒng)測量長度和空間分辨率指標(biāo)要求來確定激光發(fā)射的脈沖寬度和功率大小。</p><p>　　實際上，當(dāng)光在光纖中傳輸時，由于色散現(xiàn)象，脈沖寬度會展寬，從而降低系統(tǒng)的空間分辨率。當(dāng)測試距離較長時，展寬現(xiàn)象會比較明顯，這時應(yīng)減少輸入光脈沖寬度，以保證在測量范圍內(nèi)的空間分辨率指標(biāo)。一般測量系統(tǒng)指標(biāo)也以量程最遠端為準，這時近端指標(biāo)會好一些。</p><p&g

57、t;　　（2）光探測器和接受器</p><p>　　在大多數(shù)光纖傳感系統(tǒng)中，光信號的某些參數(shù)(如溫度)由被測量調(diào)制，然后再恢復(fù)出來。盡管傳感機理是光學(xué)式的，但必須把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栆员闾幚?、記錄和顯示。把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠@一過程由光探測器來完成?；镜墓馓綔y器只能產(chǎn)生低量級的電信號，為實現(xiàn)進一步處理，必須對該電信號進行放大。一個光電探測器及其相應(yīng)的放大電路統(tǒng)稱為接收器。</p><p>

58、;　　光纖系統(tǒng)的類型不同，它所采用的光探測器也不相同。最基本的要求是光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，理想情況下這種變換呈線性關(guān)系。此外需要滿量程范圍內(nèi)具有足夠的靈敏度,在特殊應(yīng)用中應(yīng)具有一個合適波長帶寬以覆蓋所要求的調(diào)制范圍。</p><p>　　要完成光纖傳感的光電變換，根據(jù)應(yīng)用技術(shù)的不同主要采用兩類光探測器:熱電探測器和光電探測器。在熱電探測器中，光輻射引起探測器溫度上升，從而使與溫度有關(guān)的電物理量發(fā)生變化，反映的是入

59、射光的能量或功率與輸出電量的函數(shù)關(guān)系。因為溫度升高是一種積累的過程，與入射光子能量大小有關(guān)。所以探測器對光譜的響應(yīng)沒有選擇性，即從可見光到紅外波段均可響應(yīng)。在光電探測器中，光吸收過程直接由某種光量子作用產(chǎn)生，光子探測器的輸出由光量子的吸收率決定，而不是由光量子的能量來決定。為了產(chǎn)生這種光子吸收作用，光子能量需要具有某一最小值。因為單個光子能量，所以光子探測器對波長響應(yīng)有閡值特性。閩值波長是光子探測器吸收光子的最大工作波長，超過這個波長的

60、光對其不起作用。</p><p>　　沒有好的光電探測器，光纖傳感器不會有好的特性。探測器和接收器限制了整個系統(tǒng)的分辨率。一個光電探測器及其相應(yīng)的放大電路統(tǒng)稱為接收器，其完成從光信號到標(biāo)準電信號的轉(zhuǎn)換過程，使測量信號可以在數(shù)據(jù)處理部分進行加工、處理。</p><p>　　在高靈敏度應(yīng)用時，雪崩光電二極管(APD)提供了一個低噪聲增益結(jié)構(gòu)，它所具有的高性能及適中的價格，使其在光纖傳感領(lǐng)域中應(yīng)

61、用前景廣闊。普通的硅光電二極管和PIN光電二極管是沒有內(nèi)增益的光伏探測器，而在分布式光纖測量系統(tǒng)中，是對微弱的拉曼散射光信號進行探測，采用具有內(nèi)增益的光探測器將有助于對微弱光信號的探測。雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測器。它是利用光生載流子在高電場區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益的，具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點。在外加反向偏壓比較低時與普通光電二極管一樣，當(dāng)外加反偏壓達到一定值、使結(jié)區(qū)電場足夠高時，光生載流子在漂移過結(jié)的過程中與束縛電子

62、(價電子)發(fā)生碰撞電離，從而產(chǎn)生附加載流子。而附加載流子進一步在高電場中獲取能量，動能增加足以再次發(fā)生碰撞電離。如此循環(huán)，致使載流子數(shù)得到雪崩式增加，從而使輸出光電流得到M倍增益。</p><p>　　雪崩光電二極管的電流增益用倍增因子M表示，通常定義為倍增的光電流I1與不發(fā)生倍增(雪崩)效應(yīng)時的光電流I0之比。倍增因子與NP結(jié)上所加的反向偏壓V和PN結(jié)的材料有關(guān)，可以表示為:</p><p&

63、gt;<b>　　（2-5） </b></p><p>　　式中，VB為擊穿電壓;V為外加反向偏壓:n為l-3，取決于半導(dǎo)體材料、摻雜分布以及輻射波長。所以，當(dāng)外加電壓V增加到接近VB時，M將趨近于無窮大，此時PN結(jié)將發(fā)生擊穿。應(yīng)用中，最佳工作電壓不宜超過冷，否則會不穩(wěn)定進入擊穿;也不宜太小，會無雪崩倍增效應(yīng)。而且，雪崩光電二極管的擊穿電壓VB與器件的工作溫度有關(guān)。當(dāng)溫度升高時，擊穿電壓會

64、增大。因此，為得到同樣的增益系數(shù)，不同的工作溫度就要加不同的反向偏壓。雪崩光電二極管的反向工作偏壓通常略低于PN結(jié)的擊穿電壓。無光照時，PN結(jié)不會發(fā)生雪崩效應(yīng);只有當(dāng)外界有光照時，激發(fā)出的光生載流子才能引起雪崩效應(yīng)。若反向偏壓超過器件的擊穿電壓，器件將無法工作，甚至擊穿燒毀。</p><p>　　使用雪崩光電二極管的要點就是要根據(jù)實際使用情況，選取最佳偏置電壓，使管子工作在最佳倍增因子狀態(tài)。所謂最佳倍增因子就是系

65、統(tǒng)得到最大信噪比時所對應(yīng)的倍增因子。</p><p>　　第3章分布式光纖溫度傳感數(shù)據(jù)處理技術(shù)</p><p>　　分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的同步控制單元控制脈沖驅(qū)動電路產(chǎn)生一電流脈沖，該脈沖驅(qū)動半導(dǎo)體激光二極管產(chǎn)生光脈沖注入到激光器尾纖中，從激光器尾纖輸出的光脈沖經(jīng)過光路禍合器再進入傳感光纖。光在光纖中發(fā)生散射后其攜帶有溫度信息的拉曼后向散射光返回到定向禍合器，定向禍合器不但可以將發(fā)射的光

66、直接禍合進光纖，而且可以將散射回的不同于發(fā)射波長的拉曼散射光禍合至分光器。分光器由兩個不同中心波長的光濾波器組成，過濾的兩路斯托克斯和反斯托克斯光通過濾光片后進入光電檢測器，在ADP的作用下轉(zhuǎn)換為電信號，再通過放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換等處理后，送入數(shù)據(jù)處理單元(計算機)進行數(shù)據(jù)處理并以圖、表等形式直觀的顯示溫度場的詳細信息。通過將測量控制等單元放在一個工控機箱內(nèi)，由計算機軟件完成系統(tǒng)功能，實現(xiàn)了一個虛擬儀器設(shè)計應(yīng)用。</p>

67、<p>　　整個系統(tǒng)包括主機(光發(fā)射部分、光接受部分)、傳感光纖、數(shù)據(jù)處理部分和上位機管理等模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括光、機、電子和計算機軟硬件等多方面的知識。一個性能優(yōu)良的系統(tǒng)，也就是要求在設(shè)計目標(biāo)確定后，綜合考慮各個模快，實現(xiàn)各部分工作最佳。在長距離皮帶傳輸線工況檢測中，為滿足對托軸及減速機等的溫度檢測，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，需要系統(tǒng)滿足設(shè)計指標(biāo)，同時對系統(tǒng)的各個組成部分進行優(yōu)化設(shè)計，在測試量程內(nèi)達到更高的空間分辨率、溫度分辨

68、率和短的響應(yīng)時間。</p><p>　　3.1分布式光纖傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號分析</p><p>　　分布式光纖傳感系統(tǒng)可以在一根光纖上同時監(jiān)測多點的溫度(或應(yīng)力等其它物理量)，并可以利用光時域反射技術(shù)對溫度場進行空間定位。現(xiàn)在先進的實用系統(tǒng)主要是基于OTRD拉曼后向散射或布里淵后向散射的分布式光纖溫度傳感器技術(shù)。理論思想在上世紀80年代初提出，在80年代未己經(jīng)出現(xiàn)實用系統(tǒng)。自發(fā)拉曼散射系統(tǒng)

69、的主要缺點是其散射光信號很弱，約為入射光的，信噪比很小，測量的信息幾乎完全淹沒在噪聲中，而如此弱的信號使得信號的測量和處理變得很困難，限制了系統(tǒng)的性能指標(biāo)。所以，對微弱的檢測信號進行有效的處理，成為分布式光纖傳感系統(tǒng)的一個重要部分。如果測量光纖為幾十公里，空間定位精度為l米，為實時反映各點的溫度，需要迅速對大量的測量數(shù)據(jù)進行處理。特別是在高精度分布式測量中，數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)處理技術(shù)也是影響系統(tǒng)實用性的關(guān)鍵。</p><

70、;p>　　從測量信號特點來看，檢測信號非常微弱，這意味著不但信號的幅值很小，而主要是指噪聲完全淹沒了信號。只有在有效地抑制噪聲的條件下放大微弱信號的幅值，才能提取出有用信號。因此，信號處理重要的是消除噪聲的干擾，提高信噪比。為了有效的從噪聲中提取出有用信號，就要根據(jù)分布式光纖傳感系統(tǒng)的特點，研究噪聲的來源和性質(zhì)，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律以及噪聲的傳播途徑，有針對性地采取有效措施抑制噪聲，采用相應(yīng)的解決方案。</p>

71、<p>　　從實際應(yīng)用的角度來看，要求數(shù)據(jù)處理的速度要快。由于是分布式測量，幾乎是在同一時間測量大量的點(一般超過幾千個)，不但測量系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量大，對大量的數(shù)據(jù)處理也需要一定的時間，而實時監(jiān)測對時間又有比較高的要求。提高數(shù)據(jù)處理能力在分布式光纖傳感系統(tǒng)中是一個很重要的方面。在具體實現(xiàn)上，早期數(shù)據(jù)采集處理由瞬態(tài)記錄儀和微型計算機完成，但由于計算量大，對微型計算機的實時計算有很高的要求，不容易控制。現(xiàn)在基于電子技術(shù)和DSP技術(shù)

72、等的發(fā)展，主要采用高速數(shù)據(jù)采集卡或嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，即采用上下位機結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的采集和處理在底層完成，數(shù)據(jù)處理速度快;測量數(shù)據(jù)的顯示、報警等，以滿足數(shù)據(jù)量大、實時性強的要求。</p><p>　　同時，對測量數(shù)據(jù)的處理也出現(xiàn)了一些新的方法，如小波分解、去卷積等信號處理方法，也對數(shù)據(jù)處理的性能提高提出了一些有益的探索。</p><p>　　3.2 常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析</p>&l

73、t;p>　　數(shù)字電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使用數(shù)字信號處理技術(shù)來完成分布式光纖溫度傳感測量中的微弱信號處理已經(jīng)成為一種必然的選擇。對微弱信號處理的關(guān)鍵是提高系統(tǒng)的信噪比，設(shè)計方案也主要解決這個問題。對測量的微弱信號(反斯托克斯和斯托克斯)處理如圖所示。</p><p>　　其中，信號處理模塊主要信號處理包括放大、A心轉(zhuǎn)換和去噪聲等功能。對APD輸出信號(信號淹沒在噪聲中)通過處理得到高的信噪比，獲得測

74、量的反斯托克斯和斯托克斯信號并保存。雖然APD具有較大的增益，但其輸出還是非常微弱，需要對信號進一步放大。放大器由低噪、寬頻帶放大器實現(xiàn)，要考慮其噪聲的影響。這部分電路屬于模擬電路，設(shè)計中要提高抗干擾能力，需要加屏蔽。</p><p>　　為進行數(shù)字化處理，需要A心轉(zhuǎn)換器。而且，A心轉(zhuǎn)換器的性能對系統(tǒng)性能具有重要影響。</p><p>　　由于信號完全淹沒在噪聲中，所以要通過去除噪聲，提高

75、信噪比，才能獲得有用信號。而這些去噪算法的實現(xiàn)，可以采用硬件電路、DSP或微機軟件編程實現(xiàn)。</p><p>　　大規(guī)?？删幊唐骷透咚贁?shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，使得可以采用設(shè)計硬件電路來處理測量的微弱信號，提高信噪比，獲得反斯托克斯和斯托克斯光強信號。特別是目前普遍采用累加算法來提高系統(tǒng)的信噪比，這樣，由累加器和存儲器即可以完成相應(yīng)的功能。</p><p>　　從噪聲中提取微弱信號的方法屬于信

76、號處理中的綜合技術(shù)和前沿領(lǐng)域，也是研究的熱點。相關(guān)研究成果一經(jīng)問世，使迅速應(yīng)用于各個應(yīng)用領(lǐng)域。在分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中，由于其數(shù)據(jù)處理的特點，也出現(xiàn)了很多新的應(yīng)用研究。</p><p><b>　　3.3信號處理分析</b></p><p>　　基于拉曼散射的分布式光纖溫度測量系統(tǒng)測量的溫度信號非常微弱，通過相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器(APD)將其轉(zhuǎn)換為微電流或低電壓，再經(jīng)

77、放大器放大其幅度以期指示被測量的大小。</p><p>　　但是，由于被測量的信號微弱，傳感器的本底噪聲、放大電路及測量儀器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲往往比有用信號的幅度大得多，放大被測信號的過程同時也放大了噪聲，而且必然還會附加一些額外的噪聲，例如放大器的內(nèi)部固有噪聲和各種外部干擾的影響，因此只靠放大是不能把微弱信號檢測出來的。只有在有效地抑制噪聲的條件下增大微弱信號的幅度，才能提取出有用信號。為了達到這樣的

78、目的，必須利用微弱信號檢測的理論、方法和設(shè)備才能達到要求的目標(biāo)。</p><p>　　對于淹沒在噪聲中的正弦信號的幅度和相位，可以利用鎖定放大器進行檢測。但是如果需要恢復(fù)淹沒在噪聲中的脈沖波形，則鎖定放大器是無能為力的。脈沖波形或脈動波形的快速上升沿和快速下降沿包含豐富的高次諧波分量，鎖定放大器輸出級的低通濾波器會濾除這些高頻分量，導(dǎo)致脈沖波形的畸變。對于這類信號的測量，必須使用其他的有效方法，如取樣積分與數(shù)字式

79、平均。</p><p>　　為了恢復(fù)淹沒于噪聲中的快速變化的微弱信號，必須把每個信號周期分成若干個時間間隔，間隔的大小取決于恢復(fù)信號所要求的精度。然后對這些時間間隔的信號進行取樣，并將各周期中處于相同位置(對于信號周期起點具有相同的延時)的取樣進行積分或平均。積分過程常用模擬電路實現(xiàn)，稱之為取樣積分;平均過程常通過計算機以數(shù)字處理的方式實現(xiàn)，稱之為數(shù)字式平均。對微弱信號檢測處理，除濾波、放大和調(diào)制解調(diào)等方法外，主

80、要是通過取樣平均、數(shù)字式平均、相關(guān)檢測和自適應(yīng)噪聲抵消等方法，提高信號的信噪比，獲得滿意的結(jié)果。也可以采用小波變換等現(xiàn)代信號處理方法，改善信號的處理能力。而且隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)在微弱信號檢測中起著越來越重要的作用。</p><p><b>　?。?）取樣積分</b></p><p>　　取樣積分包括取樣和積分兩個連續(xù)的過程，其工作原理

81、如下圖所示。</p><p>　　周期為T的被測信號疊加了干擾噪聲，可測信號經(jīng)過放大輸入到取樣開關(guān)。是與被測信號同頻的參考信號，也可以是被測信號本身。觸發(fā)電路根據(jù)參考信號波形的情況(例如幅度或上升速率)形成觸發(fā)脈沖信號，觸發(fā)脈沖信號再經(jīng)過延時后，生成一定寬度幾的取樣脈沖，控制取樣開關(guān)K的開閉，完成對輸入信號的取樣。</p><p>　　取樣積分的工作方式可分為單點式和多點式兩大類。單點式取

82、樣在每個信號周期內(nèi)只取樣和積分一次，電路相對簡單一些，但是對被測信號的利用率低，需要經(jīng)過很多信號周期才能得到測量結(jié)果;而多點式取樣在每個信號周期內(nèi)對信號取樣多次，并利用多個積分器對各點取樣分別進行積分。因此，多點式電路相對復(fù)雜一些，但對被測信號的利用率高,經(jīng)過不太多的信號周期就可以得到測量結(jié)果。門積分器是取樣積分器的核心，它的特性對于系統(tǒng)的整體特性具有決定性的作用。由于取樣脈沖寬度幾可以做的很窄，對信噪比改善和測量分辨率比較好，適用于頻

83、率較高的信號處理。但是工作于模擬方式，由于電容漏電和放大器飄移問題，會引起測量誤差。因此，基于數(shù)字電子技術(shù)的多點數(shù)字式平均方法獲得越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　?。?）分布式光纖測量中的數(shù)字式平均技術(shù)</p><p>　　隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字處理方法得到越來越廣泛的應(yīng)用。與單點取樣積分器系統(tǒng)相比，多點數(shù)字式平均方法在一個信號周期內(nèi)取樣多次，信號利用率高，利用

84、數(shù)字式累加代替模擬電路積分，并利用數(shù)字式存儲器存儲處理結(jié)果，沒有漏電和漂移問題。這些特點使得數(shù)字式多點平均得到廣泛應(yīng)用，計算機的普及也為這種推廣應(yīng)用提供了有利條件。所以，現(xiàn)在的分布式光纖測量系統(tǒng)的應(yīng)用基本上已由多點數(shù)字式平均方法代替了早期的模擬取樣積分方法。</p><p>　　在基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，測量的斯托克斯和反斯托克斯信號非常微弱，完全淹沒在噪聲中。由于測量的溫度信息變化比較緩慢，所以測量

85、時按某一頻率(根據(jù)光纖長度確定，如測量距離為2公里，激光脈沖頻率為1kHz)發(fā)射大功率的窄的激光脈沖，每一個激光脈沖在光纖傳輸過程中都會背向散射攜帶有溫度信息的反斯托克斯信號(和斯托克斯信號，對溫度不敏感)，隨時間變化光探測器(APD)測量這些光信號，在每個脈沖傳輸時間(當(dāng)頻率為1kHz時，周期為1ms)連續(xù)取樣，即實現(xiàn)了沿傳感光纖的分布式測量。同時，在一段時間內(nèi)(如幾十秒)重復(fù)采樣并存儲處理這些測量信號，即通過對多次重復(fù)測量的信號進行

86、數(shù)字式平均，就可以改善其信噪比。</p><p>　　數(shù)字式平均的工作過程為:由采樣保持器對被測信號進行取樣，再由A/D轉(zhuǎn)換器將被測信號取樣值變換為數(shù)字量，并將其存儲在寄存器或存儲器中;累加平均的運算過程由硬件電路、微處理單元(MPU)或數(shù)字信號處理器(DSP)完成，運算結(jié)果存儲在寄存器或存儲器中，并可由D/A轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的模擬量。</p><p>　　設(shè)傳感光纖總長度為L，當(dāng)頻率為f(

87、周期為T)，寬度為的激光脈沖</p><p>　　發(fā)射入傳感光纖中，則光探測器連續(xù)測量返回的拉曼散射信號。為計算機處理，由高速數(shù)據(jù)采集處理電路對APD輸出的電信號進行采集，如果采樣頻率為fs，則可以確定采樣分辨率(也可以認為是空間測量點的分辨率):這時的采樣周期(時間)Ts=1/fs；當(dāng)激光脈沖以v(光纖中的光速)穿過長度為L的傳感光纖并返回到探測器時，所需要的時間為t=2L/v，則整條傳感光纖將有:m=t/Ts

88、=t*fs個采樣點，即這時的空間采樣分辨率為:</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　由于光在光纖中傳播的光速不變，所以，采樣頻率關(guān)越高，則測量的空間分辨率越小。采樣頻率也就決定了采樣點的空間測量分辨率。這也是測量系統(tǒng)所能區(qū)分的空間計算分辨率。</p><p>　　在光纖分布式測量中，通過對每一個點(由確定)進行多

89、次測量并平均計算，提高信噪比，得到測量的反斯托克斯和斯托克斯數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）分布式光纖測量中數(shù)字式平均的信噪比改善</p><p><b>　　設(shè)被測量信號為:</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，s(t)為有用信號，n(t)為干擾噪聲

90、。則第i次測量第j個測量點的測量信號為可以表示為: （3-3）</p><p>　　式中，是第i個取樣周期中開始取樣的時刻。因為s(t)是確定性信號，而且溫度變化緩慢，所以對于不同的采樣周期i，第j個測量點的取樣值基本相同，可以用來表示；而噪聲n(t)是隨機信號，其數(shù)值既取決于i，又取決于j，所以式可簡記為:</p><p><b>　　（3-4）<

91、;/b></p><p>　　當(dāng)測量n次后，則數(shù)字式累加平均的計算過程可以表示為:</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　對傳感光纖所有點的累加結(jié)果可以寫為向量形式:</p><p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　式中

92、，省略了測量計算次數(shù)n。</p><p>　　設(shè)噪聲為高斯分布零均值白噪聲，的有效值(均方根值)為。對于單次取樣(無累加計算，) ，其有用信號數(shù)值為，則平均處理之前的信噪比為:</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p>　　進行n次累加計算，根據(jù)式(4一5)和(4一6)，則有:</p><p>&l

93、t;b>　　（3-8）</b></p><p>　　由于為確定性信號，n次累加后幅度會增加n倍。而噪聲的幅度變化是隨機的，累加的過程不是簡單的幅度相加，而要從其統(tǒng)計量的角度來考慮。則取樣累加后噪聲的均方值為: </p><p><b>　　（3-9）</b></p><p>　　式中右邊的第1項表示噪聲的各次取樣值平方和的數(shù)學(xué)

94、期望值，第2項表示噪聲在不同</p><p>　　時刻的取樣值兩兩相乘之和的數(shù)學(xué)期望值。</p><p>　　只要信號周期T足夠大，則不同時刻的噪聲取樣值與互不相關(guān)，其乘積的數(shù)學(xué)期望值為零，式右邊第2項為零，則有: </p><p><b>　　（3-10）</b></p><p>　　所以，累加后噪聲信號的有效值為:

95、</p><p><b>　　（3-11）</b></p><p>　　累加后信號的有效值為: （3-12）</p><p>　　則n次累加后輸出信號的信噪比為: </p><p><b>　?。?-13）</b></p><p&g

96、t;　　根據(jù)上式，可得信噪比改善為: </p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　式中說明，當(dāng)污染噪聲為白噪聲時，n次不同的時刻取樣值得累積平均可以使信噪比改善倍，即法則。</p><p>　?。?）數(shù)字式平均算法</p><p>　　采用數(shù)字式平均算法可以有效的改善系統(tǒng)的信噪比，是測量微弱信

97、號的一個有效方法。</p><p>　　在技術(shù)實現(xiàn)上可以采用硬件電路的設(shè)計方法，也可以用計算機軟件來完成。硬件電路具有計算速度快但實現(xiàn)電路復(fù)雜等特點，由于數(shù)據(jù)量大，需要的存儲器容量也要比較大。計算機軟件省略了復(fù)雜的硬件電路，設(shè)計、修改方便，但具體計算需要一定的時間，影響測量系統(tǒng)的反應(yīng)速度。用DSP也是一個有效的途徑。無論采用何種方式，根據(jù)信號特點選擇合適的數(shù)字式平均算法對提高計算效率、獲得更好的信噪比都是很重要的

98、。</p><p><b>　　基本原理：</b></p><p>　　1、 隨機噪聲的統(tǒng)計特性</p><p>　　對于隨機噪聲，因為其取值不可預(yù)測，更不能用一個確定的解析函數(shù)來定義，所以只能用概率和統(tǒng)計的方法來描述。統(tǒng)計方法側(cè)重的是樣本總體的性質(zhì)，而不是個體元素的性質(zhì)。就隨機噪聲而言，樣本可由其波形大量的連續(xù)取值組成?，F(xiàn)在常用的概率和統(tǒng)計描

99、述量主要有概率密度函數(shù)以及數(shù)學(xué)期望、方差、均方值、相關(guān)函數(shù)等特性值。</p><p>　　隨機噪聲是一種前后獨立的平穩(wěn)隨機過程，在任何時刻它的幅度、波形及相位都是隨機的。但是每一種噪聲還是服從于一定的統(tǒng)計分布規(guī)律，因此噪聲又是可統(tǒng)計的。例如，只要產(chǎn)生噪聲過程的條件不變，噪聲功率或給定時間區(qū)域內(nèi)的幅度平均值是零。大多數(shù)噪聲瞬時幅度的概率分布是正態(tài)的，既符合高斯分布規(guī)律：</p><p>&l

100、t;b>　　(3-15)</b></p><p>　　式中為隨機變量的概率密度；為噪聲電壓平均值，一般為零；為噪聲電壓均方值，其中在低噪聲設(shè)計和檢測中，噪聲電壓均方根值是衡量系統(tǒng)噪聲大小的基本量。</p><p>　　2、數(shù)字式平均的原理</p><p>　　在微弱信號檢測領(lǐng)域中，常常遇到有限時段的信號重復(fù)出現(xiàn)許多次，相鄰出現(xiàn)的信號之間的時間間隔可

101、能是固定值，也可能是變化值。這樣的信號稱之為重復(fù)信號。當(dāng)各次重復(fù)信號之間的時間間隔為固定值時，該信號就是周期信號。如果這樣的信號被噪聲污染，通過對多次重復(fù)的信號進行數(shù)字式平均，可以有效地改善信號的信噪比。</p><p>　　多點信號平均改善信噪比的原理：對于時域某一取樣點的值，得到信號與噪聲的和。若信號值為噪聲值為，其信噪比為。如果對這一取樣值經(jīng)K次取樣，并加以累積平均（假設(shè)是線性的），則信號的值將增加K倍，即

102、，但噪聲是隨機的，其平均后的輸出值，所以其輸出的信噪比為</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　信噪比改善SNIR為 </p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　上式就是平均效果的法則。</p><p>　　數(shù)字式

103、平均法在實際應(yīng)用中常用的算法有：線性累加平均算法、歸一化平均算法和指數(shù)式平均算法。下面簡要介紹其基本原理和信噪改善比。</p><p>　　3、 線性累加平均算法</p><p>　　線性累加方式時，對第個存儲單元，次掃描后平均為</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　式中表示在第i個地址

104、，m次掃描的累加數(shù)值。是被測信號的周期。是第k次掃描第i點取樣值。</p><p>　　從上式中可以看出，在線性累加算法中信號線性地從穩(wěn)定的基線開始隨著掃描次數(shù)的增加而增長。在運行期間，所有累加的數(shù)字都分別存貯在大量的存貯器中。線性累加平均對于白噪聲的信噪改善比為。由于所有取樣點的取樣疊加次數(shù)是相等的，所以整段取樣波形的信噪改善比也是相等的。這一算法對噪聲具有最好的平均效果。當(dāng)信號很小時，而又需要一個高的信噪改善

105、比時，可選擇這一算法。但是線性累加平均算法的缺點是計算量較大，需要作N次累加和一次除法才能得到一個平均結(jié)果，所以獲得結(jié)果的頻次較低。</p><p>　　4、 歸一化平均算法</p><p>　　歸一化平均算法的計算方法是把每一個掃描后存貯數(shù)據(jù)歸一化：</p><p><b>　　(3-19)</b></p><p>

106、　　式中：為k次掃描后的平均值；為k-1次掃描后的平均值；是第k次輸入取樣值。</p><p>　　在每次掃描取樣后，存貯單元中的數(shù)據(jù)和新的取樣值進行比較，且計算值與存貯的數(shù)值相加得到信的平均值。由于在每個掃描周期器件或掃描后用K除有實際困難，在實際應(yīng)用中算法常用以下近似式計算，即：</p><p><b>　　(3-20)</b></p><p&

107、gt;　　式中J是一個自動選擇的正整數(shù)，使得最接近于K。歸一化平均算法總的信噪改善比可近似為（m為重復(fù)次數(shù)）。但是總體而言，它要比線性平均的信噪比改善比低一點。其優(yōu)點是能提供一個穩(wěn)定的恒幅顯示，甚至在第一次掃描后也是如此，且隨著平均疊加的次數(shù)增加，信噪改善比將顯著的提高。</p><p>　　5、 指數(shù)平均算法</p><p>　　與模擬積分平均一樣，數(shù)字指數(shù)平均也可設(shè)置一個等效的積分時