分布式光纤传感系统介绍

分布式光纤传感系统的关键技术’2
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光纤传感技术及传感器封装技术
通过光纤传感光路的设计，实现光信号的稳定性 和信号解调的可靠性，并设计合理的封装结构保 证光纤传感不受环境变化的影响，提高传感系统 的可靠性，要解决以下问题：
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选择合理搭配的光学器件，降低光学损耗和色散。
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设计合理的光路结构，实现合理的光学解调方案，并 保证光学系统工作的可靠性。
• 分组计划
按工作任务分成四个小组 – 激光光源驱动电路设计组：光源设计 – 光纤传感链路及传感器封装设计组：光路设计 – 光电转换与信号采集电路设计组，含A/D转换 与数据存储：信号采集 – 数字信号处理与信号解调组：信号处理 – 系统主机结构设计：信号采集组负责
分布式光纤传感系统的研究计划’2
• 任务计划（光源设计组与信号采集组）
– 完成设计指标分析 – 完成电路设计原理分析与成本核算 – 完成电路原理图设计与分析 – 完成电路PCB和系统机械结构的设计与分析 – 完成PCBA和系统机械件的加工 – 完成PCBA的调试 – 参与系统调试与系统优化
分布式光纤传感系统的研究计划’3
• 任务计划’2（光路设计组）
分布式光纤传感系统的关键技术’5
― A/D转换的精度； ― A/D转换的参考电源的稳定性； ― 采集数据的存储与传输速率。
1、每完成一次完整的测试，要对5千个点做2 个（stokes和 anti-stokes）采样，每个点要采样20万次，因此，一次测试 完成后的数据量为： N＝2 ×5 ×103 ×2 × 105=2G(字节）＝16G（比特） 2、数据传输要求在20s的时间内完成数据传输和处理，则 要求的数据传输 为： V=N/20=16G/20=800 (Mbps)
– 信号解调采用积分平均方法。即对同一点的信 号进行积分平均，消除噪声还原信号。
分布式光纤传感系统的传感原理
• 分布式光纤传感系统的分布式概念
PLD A 光纤折射为n，光在真空中的传播速度为C L B
从发出光脉冲到接收到返回光信号的时间差 为∆t时，则到检测点的距离L为：
c L t 2n
分布式光纤传感原理
分布式光纤传感系统的研究计划’5
• 时间计划（光源设计）
– 完成设计指标分析： – 完成电路设计原理分析与成本核算： – 完成电路原理图设计与分析： – 完成电路PCB设计与分析： – 完成PCBA加工： – 完成PCBA的调试： – 参与系统调试与系统优化：
分布式光纤传感系统的研究计划’6
• 时间计划’2（信号采集组）
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分布式光纤传感系统的关键技术
• 激光光源的驱动技术
通过电路设计，为激光二极管提供稳定的驱动电流和 工作状态，并通过温度控制解决以下两方面的问题： ― 激光光源光功率的稳定性; ― 激光光源光谱的稳定性; ― 激光光源的调整频率控制： 目标检测距离为5km, 光脉冲完成一去一回的时间为： Δt=2L/(C/n)=2×5×103/(3×108/1.5)=5×10-5(s) 因此，为确保不发生脉冲重叠，激光脉冲的频率不能 大于： f ≤ 1/(5×10-5 )=20kHz
分布式光纤传感布式光纤传感系统简介
分布式光纤传感系统的系统结构与用途 分布式光纤传感系统的传感原理 分布式光纤传感系统的关键技术
分布式光纤传感系统的系统结构
• 分布式光纤传感系统的系统结构
分布式光纤传感系统的用途
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进行分布式测试监测，对粮仓及油库进行温度扫描， 全面了解其温度分布情况，实现更准确的监测。 通过应力应变测量可实现对粮仓及油库容量进行监测。 可对粮仓及油库的健康情况进行监测。 可用于各种结构体的分布式温度及应变的监测，如桥 梁、大坝、隧道等。
– 完成设计指标分析: – 完成电路设计原理分析与成本核算: – 完成电路原理图设计与分析: – 完成电路PCB设计与分析: – 完成PCBA加工: – 完成PCBA的调试: – 参与系统调试与系统优化:
分布式光纤传感系统的研究计划’7
• 时间计划’3（光路设计组）
– 完成设计指标分析: – 完成光路设计原理分析与成本核算: – 完成光路原理图设计与分析: – 完成光路器件选取与分析: – 完成光器件的采购与光路搭建: – 完成光路的调试: – 参与系统调试与系统优化:
– 完成设计指标分析 – 完成光路设计原理分析与成本核算 – 完成光路原理图设计与分析 – 完成光路器件选取与分析 – 完成光器件的采购与光路搭建 – 完成光路的调试 – 参与系统调试与系统优化
分布式光纤传感系统的研究计划’4
• 任务计划’3（信号处理组）
– 完成设计指标分析 – 完成信号解调原理分析与成本核算 – 完成解调原理的算法设计与分析 – 完成下位机信号采集的代码编写 – 完成上位信号处理的代码编写 – 完成上位机与下位机的通讯设计 – 完成监测系统的联合调试 – 参与系统调试与系统优化
分布式光纤传感系统的研究计划’8
• 时间计划’4（信号处理组）
– 完成设计指标分析: – 完成信号解调原理分析与成本核算: – 完成解调原理的算法设计与分析: – 完成下位机信号采集的代码： – 完成上位机信号处理的代码编写: – 完成上位机与下位机的通讯设计: – 完成监测系统的联合调试: – 参与系统调试与系统优化:
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信号电路的带宽设计，保证信号采集的稳定性和可 靠性。
分布式光纤传感系统的关键技术’4
• 高速A/D转换及数据处理技术
采用了平均叠加方法进行信号解调（采样速度要求＞ 100M），同时要求转换精度高，转换稳定性好，须解 决好以下问题：
― A/D转换的速率要求：
要求的空间分辨率为1m，则AD的采样时间间隔为： Δts=2ΔLs/(C/n)=2 × 1/(3 ×108/1.5)=10-8(s) 因此双路同时进行采样的频率fs不小于： fs>1/Δts=1/10-8=100MHz
分布式光纤传感系统的应用
分布式光纤传感系统的应用
分布式光纤传感系统的传感原理
• 光纤分布式传感的光学原理
利用光纤光学的非线性光学效应——喇曼效应和布里 渊效应检测技术，对环境的温度和压变应力进行监测。
• 喇曼效应简图
分布式光纤传感系统工作原理
• 光纤分布式传感系统的拉曼测温原理
—整形后的光脉冲经耦合器进入光纤中； – 光纤中的光脉冲在外界因素作用下被调制（产 生stokes和anti-stokes调制光） – 用stokes和anti-stokes调制光的比值对温度变化 进行监测。
• 分布式光纤传感的技术环节
激光光源驱动技术 ― 光纤传感技术及传感器封装技术 ― 光电信号转换及采集电路技术 ― 高速A/D转换及数据处理技术 ― 数字信号解调技术
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• 分布式传感系统的主要技术指标
空间分辨率（1m)，精度（4m) ― 温度测量分辨率（0.1℃），精度(2℃) ― 20s之内完成测试：5km光纤，每个点检测20万次,总的 脉冲发送时间为： t=2×5×103/(3×108/1.5)×2×105=10s
设计合理的封装结构，保证传感系统在外界环境变化 时，传感系统工作的稳定性。
分布式光纤传感系统的关键技术’3
• 光电信号转换及采集电路技术
通过电路设计，实现APD工作的稳定，并在保证带宽 的前提下，最大可能地降低漂移和噪声，直接影响温 度监测的精度。要解决的具体问题是： ― APD能工作在恒定的温度环境中，保持稳定的光电 转换效率，这是保证监测结果可靠性的重要环节； ― APD的响应速率控制； ― 采样电路的低漂移和低噪声要求；
分布式光纤传感系统的关键技术’5
• 数字信号解调技术
采用数字信号解调技术实现传感系统的物理还原，并 对传感系统进行定标，提供稳定监测系统可靠性和可 移植性的技术保证。要解决以下问题： ― 信号解调方案的合理性和可靠性要求 ― 信号解调的速度要求 ― 系统信号的处理与系统部件更换不相关的要求
分布式光纤传感系统的研究计划