毕业设计开题报告及文献综述胡泽茂.doc

本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名：胡泽茂 专业班级：光信科0803指导教师：易迎彦 工作单位：理学院物理系设计（论文）题目：分布式光纤温度传感系统的设计设计（论文）主要内容：综述分布式光纤温度传感器的发展现状。研究布里渊散射的基本原理及产生机理，并分析相关参数对其影响。设计基于布里渊散射的分布式温度传感系统，给出系统温度分辨率、空间分辨率、响应时间等的定量分析结果。要求完成的主要任务：1、查阅不少于15篇的相关文献资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告。2、研究光纤中的受激布里渊散射效应的物理机理和传感机理，在此基础上设计基于受激布里渊散射的BOTDA分布式光纤传感系统，对传感信号进行性能仿真分析。3、完成不少于5000字的英文文献翻译。4、完成至少12000字的毕业论文的撰写工作。必读参考资料：1 许谦. 基于受激布里渊散射的分布式光纤传感系统的性能仿真分析D. 北京：北京邮电大学，2011.2 杨兴红. BOTDR系统中的SBS效应及其传感应用的理论研究D.北京：华北电力大学.，2009指导教师签名： 系主任签名： 院长签名（章） 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）毕业设计的目的是研究分布式光纤温度传感器系统，该系统是一种实时的、在线的、多点光纤温度测量系统，是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的高新技术。主要是布里渊散射的基本原理及产生机理，并分析相关参数对其影响。设计基于布里渊散射的分布式温度传感系统，给出系统温度分辨率、空间分辨率、响应时间等的定量分析结果。还要调查其目前的应用领域，及其在国内外的发展现状。20世纪70年代初以来，随着第一代低损耗光纤的研制成功，光纤技术在通信、传感和光学信息处理等方面得到了广泛的应用和迅速的发展。光纤传感技术是上个世纪80年代发展起来的光纤应用技术，是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。分布光纤温度传感器系统已于1994年7月由国家技术监督局主持专家鉴定会正式通过技术鉴定。鉴定结论为：“该系统是国内首次正式鉴定的光机电计算机一体化的分布式光纤温度传感器系统实验样机，综合技术指标优于国内文献报导的同类系统，并相当于国外当前技术水平。”随着不同系统工程自动化程度和复杂性的增加，对传感器的精度、可靠性、响应灵敏度及经济实用性的要求越来越高。光纤传感技术正式适应这种要求，随着光线和光纤通信技术的迅速发展的趋动而产生的。目前，国内外关于光纤传感器的研究主要集中在单点式光纤传感器、准分布式光纤传感器和分布式光纤传感器三个方面。分布式光纤传感技术具备提取大范围测量场的分布信息的能力，能够解决测量领域的众多难题，因此，具有巨大的应用潜力，是目前国内外研究的热点。传统的温度传感方法弊端众多，如电传感器无法应用到水下或者其他恶劣环境，封装非常复杂，无法实现实时监测、点测量而不能分布式测量，使得监测不全面等等，因此亟需能够适应恶劣环境、实时地分布式温度检测技术。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术即能够满足这种需求，其优越性除了得益于光纤本身的特性外还可以实现分布式温度应变测量。2、基本内容和技术方案本次毕业设计（论文）主要的内容是阅读有关布里渊散射的光纤传感技术的内容，学习布里渊散射的光纤传感原理，从理论上分析光纤布里渊频移敏感机理，从而得到系统的传感原理。根据理论分析的结果，设计于布里渊散射的分布式温度传感系统，给出系统温度分辨率、空间分辨率、响应时间等的定量分析结果。分布式光纤传感器具备提取大范围测量场的分布信息的能力，能够解决目前测量领域的众多难题。其中分布式光纤温度传感器可用于如大型电力变压器、高压电力网、高层建筑等大的或长的设备的温度分布测量和监控。随着基于布里渊散射的分布式光纤传感技术研究的不断深入，实时性、稳定性、可靠性好以及高精度的分布式传感系统将得到更大的发展。系统由主机、光纤传感器、温度处理和图形显示软件组成。主机主要有激光组件、光纤波分复用器、光电接收、放大组件、信号处理系统等组成。光纤温度传感器是由线性分布光纤温度传感器和分布光纤点式绕组温度传感器组成。温度处理和图形显示软件是预装在计算机内的，显示器能显示系统主菜单，根据使用要求选择工作菜单，确定采样速率、触发电平、采样次数、工作模式、显示类型和绘图类型等。3、进度安排第13周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的材料，确定方案，完成开题报告；第47周：完成英文文献翻译，进一步完善研究目标；进行并完成相关设计； 第814周：根据设计结果进行数据分析、计算，撰写论文；第15周：准备参加论文答辩。4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日本科生毕业设计（论文）文献综述一、前言分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，它能够连续测量光纤沿线所在处的温度，测量距离在几公里的范围，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。 分布式光纤温度传感系统作为传统缆式温感探测器的替代品，具有精度高、数据传输及读取速度快、自适应性能好等优点1。分布式光纤温度传感系统便是这样一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术产品，它不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可达米的量级，测温精度可达1度的水平，非常适用于大范围多点测温的应用场合2。因此这种光纤传感器在高压电力电缆、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用，因为在这些场合如果采用传统分散式的传感器逐点监测，不仅安装困难，而且整个系统会结构庞大，使用不便，电力设施的强电磁干扰也会影响测量的可靠性。表1为分布式光纤传感系统和传统传感器的性能比较。表1 分布式光纤传感系统和传统传感器的性能比较比较内容分布式光纤传感系统传统传感器传感器分布特性检测点连续，可以全面检测被监视对象的各点的情况。检测范围大。检测点间断，只有检测探头接触的点，才能被检测。检测范围小。探头光纤，不怕干扰，不怕高压，没有击穿、烧毁等担心。电子传感器，有电路通道，极易受电磁干扰，对与高压设备的绝缘要求特别高。检修维护很难。检测信号输出光信号，不受电力设备的电磁干扰。弱电信号，极易受到电磁干扰。信号通道光纤，探头与信号通道一体，不怕干扰，不怕高压，系统简单安全。电路，对与高压设备的绝缘要求特别高。检修维护很难信号处理技术检测：光电技术；传输：光信号处理：高速数字技术检测：模拟电子；传输：弱电信号处理：数字技术；系统可靠性高，取决与主机。低，受探头、信号传输通道、主机等全部设备影响。本次设计的是基于布里渊散射的分布式光纤温度传感器。在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同3。其中，布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。 在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射4。自发布里渊散射可用量子物理学解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系5。 由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生受激布里渊散射。具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射，这就是受激布里渊散射（SBS）6。相对于光波而言，声波的能量可忽略，因此在不考虑声波的情况下，这种SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程7。在受激布里渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情况下只表现为斯托克斯光。二、主题部分理论发展：20世纪70年代末提出的基于OTDR的瑞利散射系统的分布式光纤传感器经历了基于OTDR的喇曼散射系统和基于OTDR的布里渊散射系统，测温精度和范围大幅提高。OFDR是在20世纪90年代提出的，随着喇曼散射和布里渊散射以及强散射研究的深入，OFDR与其集成日益显示出其在测量精度、测量范围和测量速度方面的优越性。除了基于OTDR的喇曼散射型温度传感器外，其他几种分布式温度光纤传感器离工业实用化还有很长的一段距离，所以基于OTDR和OFDR的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点，尤其是基于OFDR的新型分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向8。对该技术的发展重点关注以下几个方面：(1) 实现单根光纤上多个物理参数(温度和应变)或化学参数的同时测量。(2) 提高信号接收和处理系统的检测能力，提高系统的空间分辨率和测量不确定度。(3) 提高测量系统的测量范围，减少测量时间。(4) 基于二维或多维的分布式光纤传感器网络将成为光纤传感器的研究方向。布里渊分布型传感技术的研究现状：分布式光纤传感技术是在20世纪70年代末提出的，它是随着现在光纤工程中应用十分广泛的光时域反射（OTDR）技术的出现而发展起来的。和准分布式光纤传感技术相比，分布式光纤传感技术具有在传感光纤区域内同时获取时间和空间 连续分布信息的能力。分布式光纤传感器由于分辨率高、误差小，正逐渐受到人们的亲睐。他不仅具有普通光纤传感器的全部优点，而且充分利用了光纤一维空间连续分布的特点，可以准确的测出光纤沿线上任一点被测量场在时间和空间上的分布信息，能做到对大型基础工程设施的每一个部位像人的神经系统一样进行感知和远程监测和监控，且不需构成回路，具有广阔的应用前景。特别是对于城市煤气管道、城市通信电缆、海底输油/气管道、海底输电/通信缆线、水库水坝、桥梁、高速公路、大型设施等建筑物的温度应变监测，目前尚未有一种传统传感器能有效完成对这些长距离、分布式系统的传感，二分不是光纤传感器恰好具有这种能力9。实际应用: 分布式光纤温度传感系统应用领域有待大力开拓。不少严重的电网事故都起源于发电机绕组、地下高压电缆、变压器、各种开关等设施局部发热，或过载引起烧融、放电进而击穿，对这些事故的萌芽现象缺乏有效的监测是造成严重事故的主要原因。同样，南方地区的许多无人值守变电站，在夏季室内温度过高，由于变电站对室内的环境监测能力低下，使得远方的工作人员无法及时知道，因而无法及时采取措施处理，最后造成设备故障8。在如今，分布式光纤温度传感系统已经被广泛应用于以下的领域： (1) 地下电缆、高压架空电缆的在线温度检测及过热报警系统。(2) 大中型变压器的整体温度检测及过热报警系统。(3) 变电站的环境温度检测及火灾报警系统。(4) 发电机组的温度检测、故障诊断及过热报警系统。由于分布式光纤温度传感系统能够实现对被测物体的温度的连续测量，因此我们预测在以下领域都可以广泛应用：(1) 煤矿、隧道的火灾防治与温度报警。(2) 油库、粮库、军火库、危险品库、冷库及其他仓库的温度报警系统。(3) 大型货轮、油轮的温度报警系统。(4) 发电厂各种管网的温度检测及过热报警系统。(5) 各种大中型输油管道的温度检测及过热报警系统。 (6) 化工原料、摄影材料、食品等生产过程的温度动态检测。(7) 智能大厦、一般民用建筑物内的温度检测及火灾报警系统。(8) 其他用于防止火灾的用途。三、总结部分本次对基于布里渊散射的光纤传感技术进行了简单的介绍，光纤布里渊散射作为布里渊传感系统的理论基础，是本次设计首先要研究的内容。根据理论分析结果，设计一个基于光时域反射计的高空间分辨率、高测量精度的传感系统，从理论上对所用器件和仪器进行了选择。本次设计系统经过稍加改造，讲参考光直接接入耦合器（FC2）称为探测光，就可以实现基于布里渊光时域分析的分布式传感，并且改变传感量，就可以对光纤应变进行传感测量。分布式光纤温度传感器具备提取大范围测量场的分布信息的能力，能够解决目前测量领域的众多难题。其中分布式光纤温度传感器可用于如大型电力变压器、高压电力网、高层建筑等大的或长的设备的温度分布测量和监控。随着基于布里渊散射的分布式光纤传感技术研究的不断深入，实时性、稳定性、可靠性好以及高精度的分布式传感系统将得到更大的发展。四、参考文献1 许谦. 基于受激布里渊散射的分布式光纤传感系统的性能仿真分析D. 北京：北京邮电大学，2011.2 杨兴红. BOTDR系统中的SBS效应及其传感应用的理论研究D.北京：华电力大学.，20093 常天英. 基于布里渊散射的分布式光纤传感系统的研究D. 2009:P29594 廖延彪，黎敏，张敏.光纤传感技术与应用M.北京.清华大学出社.2009.P26605 余丽苹，刘永智，代志勇.布里渊散射分布式光纤传感器J.激光与电子学进展.2006, P43(4)6 曹冬.自发布里渊散射分布式光纤传感技术的研究D. 2005:15227 宋牟平，叶险峰.结合布里渊光时域分析和光时域反射计的分布式光纤传感器J.光学学报.2010,P 30(3)8 廖延彪.光纤光学M.北京.清华大学出版社.2000:P541399 李卓明.布里渊分布型光纤温度和应变传感技术研究D.2006:P92010 黄明双等.分布式光纤布里渊散射应变传感器参数计J.1999.20(2):13714011 何玉钧.基于自发布里渊散射分布式光纤传感技术的研究D . 保定: 华北电力大学, 200212 H H , Lee G P , Newson T P. All2fiber system for simultaneous interrogation of distributed strain and temperature sensing by spontaneous Brillouin scattering.Optics Letters , 2000 ,25 (10) : P69569713 Wait P. C. Newson. T. P. Landau Placzek ratio applied to distributed fibre sensing. Optics Communications , 1996 ,122 : P14114614 Shimizu K, Houriuchi T , Koyamada Y. Coherent self2 heterodyne brillouin OTDR for measurement of brillouin frequency shift distribution in optical fibers. Journal of L ightw ave Technology , 1994 ,12 (5) :P73073615 Bao X , Dhliwayo J , Heron N , et al . Experiment and theoretical studies on a distributed temperature sensor Based on Brillouin Scattering. Journal of L ightw ave Technology ,1995 , 13 (7) : P13401347开题报告及文献综述成绩评定表姓 名胡泽茂性 别男专业、班级光信科0803毕业设计(论文)题目：分布式光纤温度传感系统的设计 成绩评定依据：评定项目考察点分数所占比例折合分数总成绩（百分制）开题报告开题报告的合理性和明确性40文献综述文献综述的全面性40报告报告撰写的规范性20最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日