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《中国科学技术大学》 2017年
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分布式光纤温度传感系统性能优化及火源定位方法研究

孙苗  
【摘要】:分布式光纤温度传感(DistributedTemperature Sensor,DTS)是一种对沿光纤方向温度场分布进行实时连续测量的技术,被广泛应用于仓储、油气管道等大型基础工程设施的安全健康监测中。DTS系统主要基于拉曼散射的温度效应进行温度测量,结合光时域反射(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR)技术对光纤各点的位置实现定位,从而得到光纤沿线的各点的温度信息。火灾预警技术,作为安全健康监控技术的重要组成部分,为火灾的早期发现提供了有力的保障,能够有效避免火灾的灾难性后果。论文针对DTS系统的性能优化方法和基于DTS系统的火源定位方法进行了深入研究,主要包括以下几个方面的内容:首先,叙述了 DTS系统中拉曼散射原理和实现温度定位的OTDR技术原理,并分析比较了 DTS系统的三种温度解调方法。其次,搭建了 DTS实验系统,分析了系统的性能指标;针对空间分辨率影响测温误差的问题,提出线性拟合法将系统的空间分辨率从5m提高到1m,有效地减小了温度测量误差。使用环形结构的DTS系统消除了斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光的衰减系数不同的影响,针对波分复用器隔离度不足引起的拉曼散射光中含有部分瑞利噪声的问题,通过预先标定的方法扣除瑞利噪声来解调温度,有效地提高了系统的测温准确度。最后,基于封闭空间内的温度场分布特点,结合传感光纤容易布线,可长距离温度实时测量的优点,提出了双光纤平行结构和垂直结构的火源定位方法。针对双光纤平行结构火源位置坐标误差较大的问题,提出采用滑动平均的方法在一定程度上减小了火源位置坐标的误差;为实现火源定位的可视化,提出了分区域计数法,结合三次样条插值,有效地减少了火源定位需要的时间。双光纤垂直结构火源定位方法比较简单,容易操作。提出了温度曲线滑动平均法和峰值半宽度法修正了由不平坦隔热顶板引起的火源定位偏差,实现了快速准确的火源定位。
【关键词】:分布式光纤温度传感系统 空间分辨率 测温准确度 火源定位 位置校准
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP212
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-11
  • 第1章 绪论11-19
  • 1.1 课题的研究背景及意义11-14
  • 1.2 DTS系统国内外研究现状14-15
  • 1.3 火源定位方法的研究现状15-17
  • 1.4 论文的主要研究内容17-19
  • 第2章 基于拉曼散射的DTS技术19-35
  • 2.1 光纤的基本特性19-22
  • 2.1.1 光在光纤中的传输19-20
  • 2.1.2 光纤的损耗20-22
  • 2.1.3 光纤的色散22
  • 2.2 光纤散射理论22-27
  • 2.2.1 瑞利散射效应23-24
  • 2.2.2 拉曼散射效应24-26
  • 2.2.3 布里渊散射效应26-27
  • 2.3 OTDR技术27-29
  • 2.3.1 OTDR原理及组成27-29
  • 2.3.2 OTDR系统主要性能指标29
  • 2.4 DTS系统解调原理29-33
  • 2.4.1 利川反斯托克斯光单路解调方法30-31
  • 2.4.2 利用反斯托克斯光和瑞利散射光双路解调方法31-32
  • 2.4.3 利用反斯托克斯光和斯托克斯光双路解调方法32-33
  • 2.5 本章小结33-35
  • 第3章 DTS系统空间分辨率提高方法35-47
  • 3.1 DTS系统的设计方案35-37
  • 3.1.1 系统结构35
  • 3.1.2 系统器件参数35-37
  • 3.2 DTS系统的指标37-40
  • 3.2.1 空间分辨率37-38
  • 3.2.2 空间定位精度38-39
  • 3.2.3 测温准确度39
  • 3.2.4 温度分辨率39-40
  • 3.2.5 时间分辨率40
  • 3.2.6 传感距离40
  • 3.3 系统空间分辨率提高方法40-45
  • 3.3.1 提高空间分辨率的必要性40-41
  • 3.3.2 方法介绍41-44
  • 3.3.3 实验验证44-45
  • 3.4 本章小结45-47
  • 第4章 DTS系统测温准确度提高方法47-57
  • 4.1 DTS系统的测温准确度47-48
  • 4.2 环形结构提高测温准确度的方法48-55
  • 4.2.1 基本原理48-50
  • 4.2.2 系统设计50-51
  • 4.2.3 实验结果51-55
  • 4.3 本章小结55-57
  • 第5章 双光纤平行结构火源定位方法研究57-77
  • 5.1 火源温度场分析57-59
  • 5.2 双光纤平行结构火源定位原理59-60
  • 5.3 实验装置60-61
  • 5.4 位置坐标结果和分析61-68
  • 5.5 空间定位结果和分析68-75
  • 5.5.1 位置坐标直接画图法68-70
  • 5.5.2 分区域计数法70-72
  • 5.5.3 插值法减少火源定位时间72-75
  • 5.6 本章小结75-77
  • 第6章 双光纤垂直结构火源定位方法研究77-93
  • 6.1 双光纤垂直结构火源定位原理77-78
  • 6.2 实验装置78-79
  • 6.3 火源位置坐标结果与分析79-83
  • 6.4 火源定位校准方法83-91
  • 6.4.1 温度曲线滑动平均滤波法83-87
  • 6.4.2 峰值半宽度法87-91
  • 6.5 本章小结91-93
  • 第7章 结论和展望93-95
  • 7.1 论文主要结论93-94
  • 7.2 论文主要创新点94
  • 7.3 下一步的研究计划94-95
  • 参考文献95-105
  • 致谢105-107
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果107

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