A Nonlinear Mirror Structure to Improve the Performance of the Distributed Fiber Temperature Sensor Based on Raman Backscattering

A novel nonlinear mirror structure which can increase the optical signal-to-noise ratio of a distributed fiber Raman temperature sensor is proposed, and 6 dB improvement of the optical signal-to-noise ratio is obtained. With the assistance of the nonlinear mirror, we demonstrate that the spatial resolution of the sensor is improved from 3 m to 1 m, and the temperature accuracy is improved from ±0.6℃ to ±0.2℃. The theoretical analysis and the experimental data are in good agreement.

基于自发Raman散射分布式光纤测温系统设计

光纤传感器是一种新发展起来的传感技术。文章介绍了基于自发Raman散射的分布式光纤测温系统的应用及其结构设计,并着重分析了在脉冲光作用下系统的测温原理,同时设计了一个新型的基于薄膜滤光片的用于Raman散射的波分复用(WDM)组件。

分布光纤Raman光子温度传感器(DOFRPTS)系统的信号和噪声分析

在DOFRPTS系统中，自发反斯托克斯Raman散射光子是温度信息的载体．Rayligh散射光子是压力、应力信息的载体，在2公里长光纤上，实时采样1000个点．可同时测量空间温度场的分布和空间力场的分布．系统中分别采用Rayleigh散射OTDR技术和Raman散射OTDR技术．对所测点进行定位．本文对DOFRPTS系统中的信号、噪声进行了分析，测温精度由系统的信噪比来确定，本系统的测温精度达±1℃．

Raman散射线型光纤感温火灾探测器的优化设计

分析了分布式光纤温度传感技术在火灾探测报警领域的应用特性和系统优化设计方案,介绍了光时域反射技术以及光纤中的Raman散射测温原理。设计开发了AT810线型光纤感温火灾探测器基于专用算法处理芯片ASIC和PowerPC处理器的实时数据采集处理系统,采用嵌入式硬件系统和基于嵌入式linux的软件平台优化系统硬件和软件性能,并对感温光缆进行优化设计,提高了系统的稳定性及可靠性。

单光路拉曼分布式光纤测温系统

针对常规拉曼分布式光纤测温系统中,拉曼Stokes和anti-Stokes散射光的走离效应导致位置校正困难,测温严重失真的问题,提出了基于单光路的拉曼分布式测温系统方案,建立散射光功率校正模型和温度标定算法,实现对被测光纤沿线温度的精确测量。根据拉曼散射光温度敏感原理,推导基于单路Stokes光及单路anti-Stokes光的温度解调公式。考虑到单光路温度解调严重受限于脉冲激光器和光电探测器稳定性的问题,设计温度标定单元并建立了信号光功率校正算法。搭建实验平台,对比分析传统双路、单路Stokes光及单路anti-Stokes光方案的测温性能。最后,讨论并总结基于单光路拉曼分布式光纤测温系统的优选方案。实验结果表明:在约12 km的光纤线路上,基于拉曼anti-Stokes光的方案的测温偏差为-0.3~2.2℃,均方根误差为1.0℃,空间分辨率为6 m,与传统方案相比性能更优。基于信号功率校正的单光路拉曼anti-Stokes光的分布式光纤测温系统灵敏度高,能完全规避传统双光路系统的走离校正问题,具备很高的实用价值。

融合拉曼散射的BOTDR温度应变解耦传感系统研究

采用单模光纤获取布里渊频移并利用多模光纤进行拉曼测温补偿,是工程应用中常用的温度应变双参量传感方法。但其存在传感光缆结构复杂、应用成本高的缺点。基于双路光开关分时复用,搭建了面向单芯单模光纤的拉曼散射和布里渊频移融合探测系统,实现了温度与应变解耦测量。分析了双参量传感测量原理,构建了拉曼散射辅助的BOTDR实验系统,并采用小波降噪算法进行数据处理。实验证明,该系统在3 m空间分辨率下,测量距离可达9 km,温度测量结果波动范围为±1.5℃,温度波动均方根误差(RMSE)为0.808℃,应变解调结果波动范围为±117με,应变波动均方根误差(RMSE)为72.04με。研究表明,融合拉曼散射的BOTDR温度应变解耦传感系统可有效解决单模光纤传感过程中交叉敏感问题,为后续的工程化应用提供了理论基础和解决方案。

基于拉曼光谱散射的新型分布式光纤温度传感器及应用

介绍了分布式光纤拉曼温度传感器(DTS)的基本原理、发展趋势和工程应用研究状况,研究了分布式光纤拉曼温度传感器的关键技术,全面提升了DTS的性能。将拉曼放大技术应用于DTS系统,用拉曼增益部分抵偿光纤的传输损耗,使系统的传感长度达到50km;对脉冲激光器进行211位循环编码,在接收时采用相关运算解调,显著提高系统的信噪比,使测温不确定度达到1℃;采用双波长自校正技术提高了系统的空间分辨率,达到2m;在DTS系统中嵌入光开关,使测温通道成倍扩展,有效延伸了传感光纤的总长度,组成光纤传感网络。

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.

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℃.

30km分布光纤温度传感器的空间分辨率研究

分布光纤温度传感器是一种比较新型的传感器系统,它可以实时测量空间温度场的分布。空间分辨率是分布光纤温度传感器的一个重要参数。在30km分布光纤温度传感器系统的研制过程中,对系统的空间分辨率进行了优化设计。入射激光脉冲的宽度决定了系统空间分辨率的上限。光电接收系统和电系统的带宽也会影响系统的空间分辨率。电系统的带宽必须和激光脉冲的宽度相匹配。系统的空间分辨率既可以直接测量,也可以通过测量光纤末端菲涅尔反射的半宽度来间接测量。经过优化设计,在30km的系统中,空间分辨率达到了3m。

卡尔曼滤波在分布式拉曼光纤温度传感系统去噪中的应用

提出一种基于卡尔曼滤波的统计学方法,对光纤温度传感系统的状态进行实时估计并去除系统的噪声,提高光纤传感系统的准确度。光纤温度传感系统属于线性动态系统,被测温度是服从高斯-马尔科夫随机过程的离散时间状态变量,状态噪声是加性高斯白噪声。基于贝叶斯最大后验概率推论(MAP)和最小均方误差(MMSE)准则,新的测量值通过量测更新方程修正后验状态估计值。这种迭代的算法最终可以得到状态的最优估计值。该模型和算法应用在分布式拉曼光纤温度传感系统(DOFS)FGC-LR中,对其性能进行研究。用局部方差和信噪比评估该算法去噪的能力。常温点处温度的局部方差减小了83.56%,高温点处减小了84.09%。两探测点处的温度信噪比分别提高了18.45%和16.80%。算法在提高光纤传感系统的准确度,实现实时测量上取得了很好的效果。

采用单工循环编码解码的分布式光纤喇曼温度传感器

针对连续脉冲编码解码技术在分布式光纤喇曼温度传感器应用中出现被测光纤非线性峰值阀值光功率变低、编码过程较复杂等问题,提出了一种将光脉冲码均匀分布在整条被测光纤的单工循环编码解码技术和应用方案,并在27km单模系统中与传统单脉冲技术系统做了对比实验.结果表明:相比连续编码解码技术,单工循环编码解码技术不仅保持了编码解码技术相对于传统单脉冲技术的信噪比改善能力,而且有效地提高了光纤的非线性峰值阀值光功率.在编码时只需循环发送一组码,就可使系统的信噪比和测量距离获得极大的提高.采用211位循环编码解码技术的多模系统经16万次重复测量后,可在25km处获得±1.5℃的温度不确定度,空间分辨率为3m.

分布光纤喇曼光子传感器系统的一种解调方法

本文提出一种新的解调方法，在ＤＯＦＲＰＳ（分布光纤喇曼光子传感器）系统中采用Ｒａｙｌｅｉｇｈ散射ＯＴＤＲ（光学时域反射）曲线解调Ｒａｍａｎ散射ＯＴＤＲ曲线，提高了系统的测温灵敏度、测温精度，扩展了系统的功能，在２ｋｍ光纤上可实时测量１０００个点的温度、应力和压力；在系统中设置了光纤取样环，确定系统的修正系数，通过计算机进行实时修正，提高了测量稳定性，实验结果与理论分析一致，系统的测温精度达±１℃．

喇曼型分布式光纤温度传感器温度分辨率的理论分析

本文对喇曼型分布式光纤温度传感器的温度分辨率提出一个理论分析方法，得出理论计算式，并具体分析了单模光纤传感系统和实际分布式光纤温度传感器。

基于分布式测温的危化品立库火灾定位系统

立体仓库是目前危化品仓储的一大发展趋势,在对危化品仓库管理时,由于内部火灾载荷偏高、存储货物所具有的易燃易爆特性,需要对各货位进行火灾温度监管及高温点定位。基于拉曼散射的分布式测温技术进行了研究。采集温度数据的多模光纤被布于50个立体货位上,并于每个监控货位左右两侧设置长度2m的测温环,测温结构端选用中心波长为1550nm的高速脉冲光源,采集多模光纤后向反射的斯托克斯光及反斯托克斯光二者的光功率,实现对光纤上各测温段的温度数据采集。在测温环监测区域出现高温点时,对测温环的采集数据采用高斯拟合算法和误差补偿算法,保证高温监测点测温结果的准确度;设备连接PC机实现数据的汇总分析及显示,当检测值出现高温段时对高温货位位置予以显示及预警。实验结果表明,采用误差补偿算法前后,测量误差由10℃左右下降至5℃内,能在30 s内实现对高温情况的报警及问题货位定位,满足火灾定位的要求。

基于喇曼散射测温系统温度标定问题的研究

主要研究了基于后向喇曼散射分布式光纤测温系统的温度标定问题 .在讨论了系统稳定性和系统测温精度的基础上 ,提出了关于系统温度标定的一个结论 .接着 ,对参考光纤不同状态和不同缠绕半径下的附加损耗进行了实验 .在科学分析的前提下 ,给出了系统温度标定的实现方案 .实际系统的设计过程证明 :结论是正确、合理的 ,对此类系统设计具有一定的指导意义 .

光纤背向激光自发喇曼散射的温度效应研究

从理论和实验上研究了光纤背向激光自发喇曼散射的温度效应.光纤背向激光自发反斯托克斯喇曼散射、斯托克斯喇曼散射光的相对强度正比于光纤分子上、下能级粒子数的布居,依赖于温度.由于实际系统中,作为分光用的干涉滤光片不可能完全隔离背向瑞利散射光,因此,实际系统温度曲线比理论曲线低,本文给出了理论修正公式,提出了附加修正项,它与隔离度和波长有关.

1.55μm喇曼温度传感器的强循环解调方法

针对1.55μm喇曼滤波器的隔离度不高的情况,提出了抑制背景噪声、热漂噪声积累、瑞利背向散射光窜扰反斯托克斯背向散射光的喇曼温度传感器的强循环解调方法。提高了系统的灵敏度、温度测量精度和稳定性;取消了恒温槽,降低了系统成本。实验表明,该解调方法使温度测量精度达到±0.05℃。

分布式光纤传感数据采集系统设计

基于拉曼散射温度效应和光时域反射技术,设计了100 MHz高速数据采集系统SDLaser_DAQ600,实现对空间环境温度场测量。在数据采集系统中利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA),采用实时累加平均算法对原始光纤传感信号进行累加平均,支持10 km光纤实时采样,空间分辨率达到1 m。实验结果表明,65 536次数据累加平均可以得到平滑的斯托克斯和反斯托克斯曲线,使光纤传感信号的信噪比提高到90 d B以上,能够为分布式温度测量提供良好的数据支持。