基于拉曼光纤传感器温度解调技术研究.doc
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1、摘 要分布式光纤传感是利用光纤的空间连续特性进行测量的技术, 它的优点为:电绝缘、耐高压、耐腐蚀、在易燃易爆的环境下安全可靠, 在许多工程领域特别是在温度测量领域,具有无可比拟的性价比,有着重大的应用价值。 因此得到了广泛地应用。在本论文中概述了散射原理并对拉曼散射的基本原理做了简要的叙述。光纤温度传感器信号处理的研究十分重要,因为所探测到的含有温度信息的拉曼散射光十分微弱,消除拉曼后向散射光噪声的信号处理水平直接关系到整个系统的性能指标,所以得采用微弱信号检测技术。分析了传统的检测方法及其在信号检测中存在的不足,并进行了仿真分析。在光纤的传输过程中,损耗是一个主要问题,文中重点研究了光纤传输
2、损耗,并用matlab对传输过程中的损耗进行了仿真模拟分析。本文在温度对光谱产生的作用方面也做了阐述,分析了拉曼分布式光纤温度传感器性能指标。关键词: 分布式光纤传感 拉曼散射 损耗 信号检测Title Based on the Raman fiber optic sensor demodulation technology research temperature AbstractThe distributed optical fiber sensing is using fibre of a one-dimensional space continuous characteristics
3、of measurement technology, it has electric insulation, resistance to high pressure, corrosion resistance, in inflammable and explosive environment safe and reliable, in many engineering field have important application value. Especially in temperature measurement field, distributed optical fiber tem
4、perature sensor also has the incomparable cost performance, so it has been widely used. The optical fiber scattering mainly includes Rayleigh scattering, brillouin scattering and Raman scattering. In this thesis summarizes the scattering theory and the basic principle of Raman scattering gives brief
5、 narration. Distributed optical fiber temperature sensor signal processing research is important because detects the temperature of the Raman contains information to the scattering rather weak, and even completely submerged in the noise. To eliminate the Raman scattering noise to the signal processi
6、ng level directly related to the performance index of the whole system, must use weak signal detection technology. Analysis of the traditional test methods and signal detection in the deficiencies, and simulation analysis. In optical fiber transmission process, the loss is a major problem, this pape
7、r focus on the optical fiber transmission loss, with matlab transmission loss of on the simulation analysis.Keywords The distributed optical fiber sensing Raman scattering loss Signal detection目录AbstractII1引言11.1选题背景和意义11.2本文的主要内容12 光纤中的散射光分类及拉曼散射的原理22.1光纤散射分类简介22.2 拉曼散射的原理33 拉曼分布式温度传感器信号特点及传统信号处理方法
8、53.1 信号特点分析简介53.2 传统信号检测处理方法分析仿真53.3 联合检测法的仿真分析114 拉曼光谱的传输特性154.1 拉曼光谱的基本特征154.2 损耗的机理154.3拉曼散射光传输的条件164.4光纤拉曼增益系数的测量174.5拉曼光谱的数据处理184.6基于MATLAB的模拟仿真18结 论23致 谢24参 考 文 献25251引言1.1选题背景和意义光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而另辟新径迅速发展起来的一种崭新的传感技术。光纤中的散射光包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。其中拉曼散射光的强度很小,需要把瑞利和布里渊散射滤除以后才能提取出拉曼散射
9、光进而进行分析。拉曼散射广泛应用与各个领域,实际的应用有力的推动了对分布式光纤温度传感器的研究和发展。分布式光纤传感器在实现了检测和诊断技术后,广泛的应用于各个系统之中。这个新的学术思想将使材料工程科学产生了巨大的变化,特别是在现代化的航空航天工程领域有着特殊的意义和广阔前景。本文通过对拉曼光谱的基本特征的分析及研究,实现光信号的稳定性和信号解调的可靠性,提高传感系统的可靠性。同时分析了传统的检测方法及其在信号检测中存在的不足,以及通过损耗的介绍和分析并模拟仿真,为找到减少损耗的方法提供依据,并阐述了基于拉曼散射的测温原理。1.2本文的主要内容(1)光纤中散射光的分类及原理。首先介绍了光纤中的
10、各种散射光,并利用图形来说明各类散射光的散射原理,位置分布和散射强度。 (2)拉曼分布式光纤温度传感器信号特点及传统信号检测方法 从拉曼散射分布式光纤传感器的原理出发,分析传感器所得信号特点,讨论了传统信号去噪检测方法优缺点及其用于分布式温度传感器信号检测去噪中存在的不足,并且进行了仿真分析。(3)拉曼光谱的传输特性。首先介绍了拉曼光谱的基本特点和性质;然后重点介绍了光纤传输的损耗机理;最后介绍了拉曼光谱的数据处理并用matlab进行仿真。(4)为全文总结,简要概括了本文的主要工作及研究的主要结论2 光纤中的散射光分类及拉曼散射的原理在本章中,主要分析光纤散射和散射的原理。光纤中的散射包括瑞利
11、散射、布里渊散射、拉曼散射;并用了一个光纤散射光谱图对这三种散射的强度,波长做了明确的说明。在散射原理中重点讲述了拉曼的散射原理,拉曼散射的理论模型。2.1光纤散射分类简介光波在光纤中传播时,由于光纤的非结晶材料在微观空间的不均匀结构,有一小部分光会发生散射。光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。光强随传播距离的减弱仍符合指数衰减规律,只是比单一吸收时衰减得更快罢了,则其关系为(2-1-1)式中,为光的原始强度;I为光束通过厚度为l的试件后,由于散射,在光前进方向上的剩余强度;、分别称为吸收系数和散射系数,是衰减系数的两个组成部分。散射分为弹性散射和非弹性散射:散射前后,光的波长(或光子能量)
12、不发生变化的散射称为弹性散射。从经典力学的观点,这个过程被看成光子和散射中心的弹性碰撞。散射结果只是把光子碰到不同的方向上去,并没有改变光子的能量。弹性散射的规律除了波长(或频率)不变之外,散射光的强度与波长的关系可因散射中心尺度的大小而具有不同的规律。弹性散射中典型的就是瑞利散射。假如以Is表示散射光强度,表示入射光的波长,一般有关系。 当时,4。换言之,当散射中心的线度远小于入射光的波长时,散射强度与波长的4次方成反比。这一关系称为瑞利散射定律。图2.1 瑞利散射强度与波长的关系当光束通过介质时,从侧向接收到的散射光主要是波长(或频率)不发生变化的瑞利散射光,属于弹性散射。除此之外,那些频
13、率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果,称为“非弹性散射”。弹性散射和非弹性散射的光谱如图2.2所示。图中与入射光频率相同的谱线为瑞利散射线,其近旁两侧的两条谱线为布里渊散射线,与瑞利线的频差一般在-100cm量级。距离瑞利线较远些的谱线是拉曼(Raman)散射线,它们与端利线的频差可因散射介质能级结构的不同而在100104cm之间变化。拉曼散射和布里渊散射都可以分别产生斯托克斯线和反斯托克斯线。图2.2 弹性散射和非弹性散射的光谱2.2 拉曼散射的原理当光照射的物质上时,会发生非弹性散射,散射光中除有与激光波长相同的弹性成分(瑞利散射)外,还有比激发光波长长和短的成分,后一现
14、象统称为拉曼效应。由分子振动、固体的光学声子等元素激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射,一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱。拉曼散射强度是十分微弱的,大约为瑞利散射的千分之一。当光脉冲沿光纤传输时,在光纤的每一点都会产生拉曼散射,该散射是各向同性的,其中一部分将沿光纤返回。根据电磁场理论可知,由于光纤纤芯介质材料密度的微观变化和成分起伏的影响,入射光子与介质分子相互作用,除产生与入射光同频的瑞利散射外,由于介质的非线性效应,入射光子与分子还发生非弹性碰撞。在非弹性过程中光子与分子之间发生能量交换,光子不仅仅改变了运动的方向,同时光子的部分能量传递给分子,或者分子
15、振动和转动的能量传递给光子,从而改变光子的频率。这一过程为拉曼散射。3 拉曼分布式温度传感器信号特点及传统信号处理方法从拉曼散射分布式光纤传感器的原理出发,分析传感器所得信号特点,讨论了传统信号去噪检测方法用于分布式温度传感器信号检测去噪中存在的不足,并且进行了仿真分析。3.1 信号特点分析简介为了使分布式光纤测温系统达到有效的温度分辨率,必须消除信号中的噪声。由拉曼散射产生的携带温度信息的反斯托克斯光信号相当微弱,它是影响系统温度分辨率的主要因素。对微弱的检测信号进行有效的处理,成为分布式温度测量系统的一个重要部分,直接影响精度的温度测量系统。提取有用信号,必须在有效地抑制噪声的条件下放大微
16、弱信号的幅值才行。所以,信号处理主要是以消除噪声的干扰,提高信噪比为主。为了有效的提取有用信号,必须根据光纤传感系统的特点,分析噪声的来源和性质,了解产生的原因和规律以及传播途径,有针对性的采取采用相应的解决方案来抑制噪声。处理前的携带温度信息的信号,其特点如下:(1)信号的信噪比很低。 (2)一般情况下,有用的温度信息,频率较低相比之下,噪声的频率却范围很宽,分布在整个频率范围内。 (3)信号呈喇叭状。3.2 传统信号检测处理方法分析仿真 因为存在大量的噪声,原本十分微弱的探测信号不可避免地淹没在其中,信号检测和处理系统陷入诸多困难之中,分布式光纤温度传感器的性能指标与有效信号的采集与处理及
17、噪声的抑制水平息息相关。因此,我们需要根据分布式光纤温度传感器系统被检测信号的特点,选择合适的信号处理方法。时域累积平均检测法是分布式光纤传感器信号检测处理中最常用和基本的方法。根据理论分析和实验可得,多次重复测量对于降低噪音,突出信号起到了很大的改善效果,且随着次数的增加,改善效果与重复次数成非线性变化,这种取样方法可以使我们取样出平均处理中的某一时间间隔的信号幅值,此种方法被定义为“取样积分”。时域信号累积平均检测的基本做法如下:(1) 在信号出现的时间范围内,将时间均分为若干(n)小段;(2)对每一个时间段,测量被噪声污染过的信号值,使信号多次重复,做n次测量:(3)将同一编号段的多次测
18、量值,求和或求平均;(4)将各段求和或求平均值,依时序输出波形曲线。设输入信号: (3-1)式中为有效信号,周期为,为独立的均值为零的高斯白噪声。如果以为起点,每隔秒取样一次,那么第次的样品累积值应该是: (3-2)式中的为取样号。如果经过次的重复后,则第个样品的累积值为: (3-3)则经过次累积的周期信号为: (3-4)经过次的累积噪声为:其中设噪声的功率为,为其有效值,则 (3-5)则混合信号为: (3-6)经过n次的累积后的信噪比为: (3-7)因此,经过n次的累积后的信噪比增益为: (3-8)经过n次的累积平均,输出为: + (3-9)对于白噪声形式的观察噪声,由于不同时刻噪声值不相关
19、,则有: (3-10)故输出为: = (3-11)仿真算法流程:图3.1 线性累加算法的流程图输入信号加入大量的高斯白噪声取样N次线性累加平均处理输出信号仿真程序:clear all;N=150; %信号的取样点数为150n=1:N;f=0.2;T=5;A1=2;s=A1*cos(2*pi*f*n); subplot(2,2,1)plot(s)title(纯信号)x=awgn(s,-30); %在信号中加入高斯白噪声,信噪比为-30.subplot(2,2,2)plot(x)title(信号+噪声)M=500; %进行500次累积平均y=x;for i=1:M-1 z=x; for j=1:N
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