分布式光纤温度传感系统的理论与实验研究

分布式光纤传感技术于20世纪70年代末被提出。近几十年来，研究了不同机理的分布式温度测量系统，并在多个领域得以逐步应用。目前这项技术已成为光纤传感器技术中最具前途的技术之一。分布式光纤温度测量系统能在整条光纤的长度上，以距离的连续函数形式传感出被测温度随光纤长度方向的变化。 分布式光纤温度传感器中的光纤既是传输介质又是传感介质，它还具有抗电磁干扰、防燃、尺寸小、对被测温度场的影响小等其它传感器无法比拟的优点。分布式光纤温度传感器所探测到的含有温度信息的喇曼后向散射光十分微弱，甚至完全淹没在噪声中。对反斯托克斯和斯托克斯后向散射光的消除噪声的水平直接关系到整个系统的测温精度，因此必须采用微弱信号检测技术。本文对分布式光纤温度传感器进行了较全面的理论分析与实验研究，主要工作如下： （1）对光纤自发喇曼散射进行定量分析，研究自发喇曼散射与光纤所处环境温度的关系，进一步确定实际应用中反斯托克斯光与温度的关系；通过分析从自发喇曼散射到受激喇曼散射的转化过程，确定维持自发喇曼散射的条件，对分布式光纤温度传感系统的设计具有重要的指导性意义。 （2）从系统信噪比、温度灵敏度和工作稳定性等几个方面综合考虑系统工作的中心波长。从喇曼散射信号光功率﹑热噪声﹑暗电流和环境温度等多种因素出发，求出了最佳雪崩增益的表达式，为分析APD的工作状态提供了依据。 （3）采用叠加平均和小波变换联合实现散射信号的消噪处理，提高了分布式光纤温度传感系统的响应速度。 （4）设计一种高精度恒温控制系统，将系统的关键部件和定标光纤置于同一个恒温槽中，提高系统工作的稳定性和可靠性。 （5）设计了一种性能优越的激光脉冲驱动电路，对激光脉冲的形状、宽度进行有效的控制，为提高分布式光纤温度传感系统的性能提供了保障。 （6）针对分布式光纤温度传感系统信号的特点，对系统的各部分PCB的设计进行分析和研究。 （7）采用神经网络对分布式光纤温度信号进行处理，提高分布式光纤温度传感系统的空间分辨率和温度分辨率。对网络的结构进行了设计，并提出了一种改进的神经网络学习算法，加快了神经网络学习时的收敛速度。