CC BY
23Моделирование распределенного оптоволоконного датчика в Labview с целью повешения пространственного и температурного разрешения
Е.Ю. Кузнецова, З.Н. Алексеенко Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Аннотация: Распределенные датчики температуры все чаще используются в системах техногенного мониторинга и измерительной технике. Метрологические характеристики таких устройств требуют улучшения. Это связано с усовершенствованием способов сбора данных и алгоритмов цифровой обработки сигналов. В работе проведено моделирование датчика на языке ЬаЪу1ете и предлагается новый подход к улучшению характеристик, заключающийся в цифровой фильтрации и использовании медианных оценок сигнала вместо среднего арифметического значения.
Ключевые слова: брэгговский датчик температуры, волоконная оптика, спектральные характеристики, моделирование в среде в ЬаЪу1ете
РАСПРЕДЕЛЁННЫЕ ОПТОВОЛОКОННЫЕ ДАТЧИКИ
Распределённые датчики температуры (DTS) служат эффективным решением многих промышленных задач мониторинга опасных технических объектов, например, силовых кабелей, теплогенераторов, нефте- и газопроводов. Эти датчики позволяют осуществлять непрерывный контроль параметров по всей длине контролируемого объекта в любой его точке, где установлен сенсорный световод [1]. Основные принципы измерения температуры основаны на обнаружении рэлеевского, рамановского и бриллюэновского обратного рассеяния света [2-4]. При анализе изменения физических параметров по длине световода нерешённой проблемой является повышение точности определения локализации измеряемого параметра по длине, которая связана со значением температуры в конкретной точке.
При использовании распределённого температурного датчика, основанного на обратном рассеянии света, в волоконном световоде преобразование первичного светового потока сопровождается переходом рассеивающих молекул на другие колебательные и вращательные уровни энергии, причём частоты новых линий в спектре рассеяния являются комбинациями частоты падающего света и частот колебательно-вращательных переходов рассеивающих молекул. Если молекула вещества перешла
из основного состояния в возбуждённое, в спектре комбинационного рассеяния появляется так называемая стоксова компонента, имеющая большую длину волны по сравнению с источником света. Если молекула в результате комбинационного рассеяния переходит из возбуждённого в основное состояние, появляется так называемая антистоксовая компонента [5]. Заселенность возбуждённого уровня напрямую зависит от температуры вещества, поэтому интенсивность антистоксовой компоненты зависит от температуры. Таким образом, регистрируя интенсивность антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния, можно проводить измерения температуры на всём протяжении волоконного датчика.
Интенсивность обратного рассеяния очень низка, порядка 60-70 дБ ниже пиковой мощности. Низкая мощность рассеяния отражённых сигналов требует выполнения большого количества измерений в целях повышения соотношения сигнал-шум. Это значительно ограничивает температурное разрешение из-за большой дисперсии отражённых сигналов. В настоящее время эта проблема решается накоплением оцифрованного сигнала с последующим применением кодирования оптических импульсов [6]. Недостатком этого подхода является отсутствие обоснованной методики нахождения среднего значения пачек импульсов с большой дисперсией и большие шумы квантования, влияющие на точность воспроизведения температуры.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Чувствительность и пространственное разрешение датчика напрямую зависит от характеристик источника лазерного излучения, которое используется для зондирования волоконной линии. Поэтому особенную роль в сенсорной системе играют параметры импульсного лазера, осуществляющего опрос. Оптический импульс поступающий в волокно, должен иметь достаточную мощность и ширину спектра. Поскольку лазер с подобными характеристиками подобрать довольно сложно, то
используется схема с двумя лазерами -импульсным и накачки. Схема работы оптической части распределенного датчика температуры представлена на рис 1. Импульсный лазер генерирует оптический сигнал, который проходит через циркулятор и попадает в волоконный эрбиевый усилитель, затем отражается от брэгговской решетки. Брэгговская решетка отражает излучение на своей центральной длине волны с очень узким спектром, порядка 2 нм. За брэгговской решеткой находится лазер накачки, увеличивающий оптическую мощность сигнала, отраженного от брэгговской решетки. Отраженный импульс снова проходит через эрбиевый усилитель и возвращается в циркулятор, который отправляет его непосредственно в чувствительный элемент.
зондирующего излучения ограничен такими нелинейными эффектами, как вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и вынужденное рамановское рассеяние света. Для уменьшения порога возникновения этих эффектов применялось многомодовое волокно с диаметром сердцевины 62,5 мкм. Площадь рассеяния в многомодовых волокнах существенно выше по сравнению с одномодовыми световодами, поэтому из шумового сигнала (Рис. 2) можно выделить достаточное количество антистоксового рассеяния.
Рис. 2. Типичный вид отражённого сигнала с датчика
Рис. 1. Схема генерации оптического импульса
Центральная линия на длине волны 1550 нм соответствует рэлеевскому рассеянию лазерного излучения, а две симметрично отстоящие компоненты на длинах волн ~1450 нм и —1650 нм - антистокс и стокс соответственно. Интенсивность антистоксовой компоненты обратно-рассеянного света, содержащей информацию о температуре в волокне, на 30 dB меньше чем интенсивность рэлеевского рассеяния. Для исключения нетемпературных эффектов, приводящих к изменениям интенсивности антистоксовой компоненты Ias, таких как изгибные потери или потери на сварках волокна, требуется произвести её нормировку на интенсивность стоксовой компоненты Is:
(1)
где Vas, vs - частоты антистоксовой и стоксовой компонент соответственно; кв - константа Больцмана; к - постоянная Планка; Т -абсолютная температура.
Максимальный уровень мощности
Из-за того, что стекло является аморфным веществом, соответствующие колебательным возбуждениям спектральные максимумы уширены и перекрываются между собой. Одним из возможных способов уменьшения шума является многократное усреднение полученных сигналов. Вопрос об усреднении пачек шумоподобных импульсов требует специального изучения, так как на точность определения температуры будут оказывать влияние шумы квантования устройств обработки сигнала.
ПРОГРАММНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛА
Программное обеспечение National Instruments Labview было использовано для обработки сигнала с температурного датчика. В программе рассчитывается спектр, проводится цифровая фильтрация и вычисляются статистические характеристики, пропорциональные температуре. Код программы приведён на Рис. 3.
Спектр сигнала изображен на Рис. 4. Видно, что в области верхних частот он содержит ряд компонент, которые представляют собой помехи и которые должны быть отфильтрованы.
Рис. 3. Программа обработки отражённого сигнала с датчика
Рис. 4. Исходный сигнал и его спектр в ЬаЪу1е%г
Для массива данных, состоящий из 128000 откликов, снятых с оптического волокна, проводилось усреднение путём нахождения среднего арифметического и медианного значения для стоксовых и антистоксовых компонент (Рис. 5). Для одиночных импульсов медиана всегда меньше среднего
арифметического, а для всей пачки - больше. Таким образом, датчик со средним значением шумоподобного сигнала даёт завышенное значение температуры, если амплитуды компонент откликов пересчитать в температуру (Рис. 6).
Рис. 5. Программа цифровой фильтрации (медианный фильтр)
Рис. 6. Оцифрованный импульс с фотоприемника (1 - среднее арифметическое значение, 2 - медиана)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение точности измерения температуры в волоконно-оптических датчиках может быть достигнуто применением цифрового фильтра и медианного усреднения откликов
фотоприёмников. Для повышения отношения сигнал-шум целесообразна предварительная аналоговая обработка сигнала, сглаживающая быстрые флуктуации отклика фотоприёмника и снижающего в последующем шумы квантования.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Алексеенко З.Н., Стукач О.В. Построение системы мониторинга на основе датчиков на волоконной брегговской решетке для объектов с большой инфраструктурой [Электронный ресурс] // Молодежь и современные информационные технологии: сборник трудов XII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 2 т., Томск, 12-14 Ноября 2014. - Томск: ТПУ, 2014 - Т. 1 - C. 335-336. - Режим доступа: http://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C04/V1/C04_V1. pdf
[2] A. H. Hartog. A distributed temperature sensor based on liquid-core optical fibers // Journal Lightwave Technol. - 1983. - N 1. - P. 498-509.
[3] J. P. Dakin, D. J. Pratt, G. W. Bibby, J. N. Ross. Distributed optical fiber Raman temperature sensor using a semiconductor light source and detector // Electron. Lett. - 1985. - № 21. - С. 569-570.
[4] X. Bao, D. J. Webb, D. A. Jackson. Combined distributed temperature and strain sensor based on Brillouin loss in an optical fiber // Opt. Lett. - 1994. -№ 19. -С. 141-143.
[5] B. Culshaw, "Optical fiber sensor technologies: opportunities and-perhaps-pitfalls," J. Lightwave Technol., vol. 22, no. 1, pp. 39-50, 2004.
[6] J. Park et al., "Raman-based distributed temperature sensor with simplex coding and link optimization," Photon. Tech. Lett., vol. 18, no. 17, pp. 1871-1881, 2006.
Кузнецова Екатерина Юрьевна - магистрант кафедры Компьютерных измерительных систем и метрологии Национального исследовательского Томского политехнического университета.
E-mail: katua1993k1 @mail.ru
Алексеенко Захар Николаевич - аспирант кафедры Компьютерных измерительных систем и метрологии Национального исследовательского Томского политехнического университета. E-mail:
zakharalekseenko@gmail.com
Modeling of the Distributed Fibre-Optical Sensor in Labview for Increasing of the Spatial and Temperature Resolution
E.Yu. Kuznetsova, Z.N. Alekseenko
Abstract. The distributed temperature sensors are often used in systems of technogenic monitoring and measurement technique. The metrological characteristics of such devices demand improvement. It is connected with improvement of data asquision and algorithms of digital signal processing. In the paper, the modeling of distributed temperature sensor in Labview is carried out. A new approach to improvement of characteristics, consist in digital filtration and use of median evaluation of signal instead of average value is offered.
Key words: Bragg temperature sensor, fiber optics, spectrum characteristics, modeling in Labview
REFERENCES
[1] Z.N. Alekseenko, O.V. Stukach. Design of the monitoring system based on sensor on Bragg fiber array for the objects with large infrastructure [Electronic]. Youth and modern information technologies: Proceedings of the XII All-Russia scientific-practice conference of students, postgraduates and young researches: in 2 v., Tomsk, November 12-14, 2014. TPU. Vol. 1. P. 335-336. http://www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2014/C04/V1/C04_V1. pdf
[2] A. H. Hartog. A distributed temperature sensor based on liquid-core optical fibers. Journal Lightwave Technol. 1983. N 1. P. 498-509.
[3] J. P. Dakin, D. J. Pratt, G. W. Bibby, J. N. Ross. Distributed optical fiber Raman temperature sensor using a semiconductor light source and detector. Electron. Lett. 1985. № 21. C. 569-570.
[4] X. Bao, D. J. Webb, D. A. Jackson. Combined distributed temperature and strain sensor based on Brillouin loss in an optical fiber. Opt. Lett. 1994. № 19. C. 141-143.
[5] B. Culshaw. Optical fiber sensor technologies: opportunities and-perhaps-pitfall. J. Lightwave Technol., vol. 22, no. 1, pp. 39-50, 2004.
[6] 6. J. Park et al., Raman-based distributed temperature sensor with simplex coding and link optimization. Photon. Tech. Lett., vol. 18, no. 17, pp. 1871-1881, 2006.
