免费论文：分布式光纤拉曼温度传感器总体方案设计与关键问题研究

地铁、隧道、电力传输线以及石油传输管道等的温度监控及火灾预警，直接关系到人民生命和国家财产安全。这些领域的火灾预警及温度监控需要多点，连续，实时测量，普通单点测温装置无法有效满足上述需求。分布式光纤拉曼温度传感技术，是目前最具潜力的温度传感器技术。它仅以一条光纤作为传感器，就能在一定时间内对多个测温点进行实时监控，可以有效满足上述领域的火灾预警和温度监控的需求。基于上述应用背景，本文面向短距离分布式测温需求，进行了系统的总体方案设计并围绕提高信号信噪比和系统稳定性两个关键问题展开研究。本文首先基于光纤中的自发拉曼散射理论，建立了分布式光纤拉曼温度传感器系统的理论模型，分析了自发拉曼光的光功率与光源波长，光脉冲宽度，光纤种类的关系。为了获得较大的背向散射反斯托克斯光光功率，对模型进行了数值仿真。结合受激拉曼散射阈值，光纤模式色散等因素的考虑，得到了光源波长和光纤种类的优化方案。接着本文详细分析了三种温度解调方法，推导了解调公式并计算了温度灵敏度的大小。综合考虑对光电检测电路设计和数据处理算法的影响，得到了可行的温度解调方案。除了温度解调，系统标定也从前端标定和整体标定两种方案进行了分析，以提高系统稳定性和消除光纤损耗的光谱效应带来的误差。此外，本文还研究了数据处理算法并建立了光电检测电路的噪声模型，分析了它们对信噪比的影响，确定实际实施的方案。本文基于NI 5781R采集系统，编写了FPGA程序和上位机程序。在程序中实现了数据采集和处理，光源脉冲控制，数据的管理和人机交互界面等功能，程序采用模块化编写，便于修改和扩展。研究了大功率脉冲光源的测试方法，测试了对系统性能有影响的关键参数。基于以上研究成果，搭建了一套4km的测温系统，分别采用前端标定和整体标定算法进行了多次测温实验。获得的系统测温精度和温度分辨率分别为4℃和0.85℃，空间分辨率为7.5m，达到了预期的设计指标。最后还实验分析了影响系统稳定性的因素，包括APD雪崩增益的波动、光源光功率的波动和APD光电响应系数的非线性等。

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