分布光纤测温预警系统（共7篇）
分布光纤测温预警系统 篇1
皮带机作为煤炭码头装卸主要设备, 因其工作量大及工作环境恶劣, 依靠人工进行巡检很难发现设备安全隐患。因此, 对皮带机电机、滚筒和托辊的安全监测是非常必要的。
随着光纤测温技术的发展, 已经能够用光纤测温技术实现温度、电流、电压、磁场等物理量监测。光纤测温技术采用的探测光纤具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、耐高压高温和抗电磁干扰的特点, 系统安全可靠, 在长距离测试中具有高灵敏度。
分布式光纤测温预警系统不仅具有普通光纤传感器的优点, 还具有对光纤沿线各点温度的分布式传感能力, 光纤既是传输信息的导体, 又是分布测量的传感器。它能够连续自动测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离最大在10km范围, 空间定位精度达到1m的数量级, 特别适用于需要大范围多点测量的场所。
分布式光纤测温预警系统为港口输煤系统中皮带机的安全生产提供了一系列集可视化、智能化、无人化于一体的数字化在线检测方案。
一、系统简介
1. 分布式光纤测温预警系统原理
光纤测温的机理是依据后向拉曼 (Raman) 散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用, 发生散射。拉曼散射是由于光纤分子的热振动, 产生一个比光源波长长的光, 称斯托克斯 (Stokes) 光, 和一个比光源波长短的光, 称为反斯托克斯 (Anti-Stokes) 光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯 (Anti-Stokes) 光强发生变化, Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示, 利用这一原理可以实现对光纤沿线温度场的分布式测量 (图1) 。
2. 分布式光纤测温预警系统组成
分布式光纤测温预警系统由测温主机和探测光缆两部分组成。
(1) 主机。
(1) 整条光纤既传输信号又感应被测量。
(2) 在长距离内能得到高精度的温度数据。
(3) 测温速度快且精度高, 可用图表形象、直观地呈现数据。
(4) 兼容性强。开放式通信结构, 可与第三方网络 (以太网、OPC、SCADA等) 可靠方便的连接, 具有灵活的远程控制和数据输入、输出功能。
(5) 内置PC。专门开发的应用软件通过易于理解的直观图表向操作人员提供数据。
(6) 警报设置齐全。智能警报类型和配置可以根据每个项目量身定制, 向操作人员发出当前或者潜在过热部位及其它不良事件的警告。
主机技术参数见表1。
(2) 探测光缆。
BY-SCJKBH1探测光缆是一种多模光缆, 光纤表层采用可触变的芳纶纤维加以保护, 外护套为高性能的阻燃PVC材料, 光纤被很好地密封以保证不受外界环境的影响, 同时光缆具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性, 可以在恶劣的环境中长期使用。光纤类型及参数见表2。可根据用户要求定制探测光缆 (图2) 。
二、技术特点
(1) 连续分布式的进行温度在线监测, 没有盲区, 没有漏测点。
(2) 根据温度变化, 及时、准确地进行预警。在还没有发生燃烧的情况下, 准确监测出温度异常位置。
(3) 光缆不怕粉尘, 又可防雷。现场采用特殊光缆既是传输信号的载体又可以测量环境温度。
(4) 固定保护夹具、钢管经久耐用。
(5) 精度高、数据传输及读取速度快, 自适应性能好。
(6) 系统软件操作简单, 结合现场实际情况进行界面设计。软件可以对光缆进行无限的区域划分, 并可以对不同的区域设置不同的报警规则, 如定温报警、快速升温报警等。
(7) 安装维护简单、方便。
三、在营口港输煤系统中皮带机的应用
1. 输煤系统皮带监测
能够了解输煤皮带系统的安全情况, 及时应对危险, 不发生火灾或爆炸事故, 降低自燃或事故而造成的损失。
输煤系统皮带监测内容:监测皮带机电机减速机、滚筒和托辊的温度变化;对比分析不同位置探测光缆安装的温度变化特性;分析、判断报警温度的设置, 通过监测皮带机电机减速机、滚筒和托辊的温度变化, 判断设备运行状态, 进行安全监测, 利于及早发现安全隐患, 合理安排检修工作, 避免皮带打滑磨损造成火灾事故发生。
2. 实施方案
(1) 系统组成 (图3) 。
营口港二公司煤炭码头采用1台10km的DTS主机对10条计2150m皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承温度进行实时在线监测;敷设了1#变电所和4#变电所测温系统温度数据传输的专用网络。DTS主机将实时采集的温度数据传送至中央控制室, 值机员可通过监控终端实时查看皮带机电机减速机端、滚筒及托辊轴承运行温度情况, 依据温度数据判断皮带机相关设备的工作状态, 为皮带机安全监测提供科学的管理手段。
(1) 由1#变电所出来的四通道分别是:第一路 (图3中紫色表示) 探测光缆对BX1-2、BX1-1皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。第二路 (图3中蓝色表示) 探测光缆对BX2-2、BX2-1皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。第三路 (图3中红色表示) 探测光缆对BX1-3、BX1-4、BX1-5皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。第四路 (图3中青色表示) 探测光缆分别对BX2-3、BX2-4、BX2-5的皮带机电机减速机、滚筒及托辊轴承进行温度实时监控。
(2) 通信光缆通过1#变电所到4#变电所沿途皮带机的电缆桥架敷设, 如图3中黑色虚线所示。
(2) 检测方案。
(1) 皮带机滚筒温度检测。
用夹具将探测光缆固定在皮带机滚筒轴端盖上, 对皮带机滚筒进行温度监测, 一旦皮带打滑滚筒表面温度上升, 热量传递到皮带机滚筒端盖处, 系统即可监测到温升, 准确发出预警信号, 避免发生皮带机火灾事故 (图4) 。
(2) 承载托辊温度检测。
将探测光缆用工装夹具固定于承载托辊轴两个夹角处, 对托辊进行实时温度监测。一旦托辊不转或皮带出现打滑, 托辊表面温度上升, 热量传到托滚轴后系统监测到温升, 当达到设定报警温度值时系统告警。皮带机托辊支架光缆走线及固定示意图见图5, 皮带机桁架槽钢光缆走线及固定示意图见图6。
(3) 系统功能。
(1) 图形数据实时显示。
实时连续显示线路上的温度分布曲线、各点温度随时间变化曲线。可以设置系统软件在控制计算机的屏幕上以曲线方式显示整条皮带机系统各点的温度分布, 也可以设置显示整条皮带机长度与滚筒的相对位置分布图, 显示被测点位置和对应测点的实时温度值, 用户可以设置过热报警温度, 将接收的数据以曲线方式显示, 曲线可随意放大显示 (图7) 。
(2) 控制数据自动存储。
系统可以自动存储温度数据, 用户可以选择查询显示特定测温点的温度历史变化情况, 也可以选择查询显示在任意历史时刻保存的温度分布情况, 以便对设备的运行状况进行监视, 有利于对设备的维护和检修。
(3) 数据即时报表显示。
存储的温度数据以数据库的形式存储, 并可以用EXCEL表格形式显示出来, 并同时显示当前图形。此时可选择将数据或图形打印。
出现报警信号时自动切换到报警总画面, 并显示故障区域最高温度。
(4) 报警方式多种多样。
分布式光纤测温系统应具有连续测温功能, 能检测皮带机沿线温度变化情况, 报警数据可在软件中设置, 每个区域应能设置多种报警类型:最高温度报警、差温报警、温度上升速率报警、局部过热点报警、光纤破坏报警、装置异常等报警, 不同的区域能独立报警。报警方式除主控机屏幕显示基本要求外, 具有报警输出节点。
(5) 分区测量贴合实际。
能对测量区域在长度上进行分区, 对某些区域进行局部重点监测。对不同的应用环境设定不同的报警温度和报警级别, 更贴合实际应用。
四、结语
随着港口吞吐量的上升, 研发集可视化、智能化、无人化于一身的数字化港口储运及装卸设备状态在线监测技术已经刻不容缓。先进的分布式光纤测温技术将为港口的生产安全提供更多领域的技术支持和保障, 因此, 全面发展分布式测温技术在港口各个领域的应用意义重大。
摘要：介绍了分布式光纤测温预警系统的技术原理及在营口港二公司煤炭码头皮带机的应用。通过监测皮带机电机减速机、滚筒和托辊的温度变化, 判断设备运行状态, 进行安全监测, 及早发现安全隐患, 合理安排检修工作, 避免安全事故发生。
关键词：分布光纤测温预警系统,皮带机,电机,托辊,应用
参考文献
[1]江毅.高级光纤传感技术[M].科学出版社.
[2]方祖捷.光纤传感基础[M].科学出版社.
[3]李唐军.光纤通讯原理[M].北京交通大学出版社.
分布光纤测温预警系统 篇2
地铁由于具有运量大、速度快、安全、准时、无污染等一系列优点, 对促进城市郊区发展, 促进城市由单中心向多中心发展具有非常重要的意义。然而地铁设施是投资巨大、设备系统复杂、人员密集的公共场所, 一旦发生火灾, 轻则引起交通秩序和社会秩序的混乱, 重则造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失, 更严重者还会产生不利的政治影响。我国98年版国家标准《火灾自动报警系统设计规范》 (GB50116-98) 将地铁隧道定为一级保护对象, 显示了对地铁火灾安全的高度重视。
由于现有的火灾报警系统 (FAS) 设备存在总线长度有限、回路容量不够、线性感温元件保护范围小、不能定位报警点等技术困难, 目前已经运营和在建的地铁隧道都没有安装温度传感元件。鉴于地铁火灾安全的重要性, 为了有效地保护人民生命和国家财产安全, 研究一种适合在地铁隧道安装运行的, 能及时地反映地铁火灾发生的位置、灾情的区域大小、火势的大小、火势的蔓延方向、延误漂流方向等的火灾自动监测系统, 将给救灾指挥部门实时提供动态数据, 可利于救灾工作有条不紊的开展, 尽可能减少人员伤亡、社会公共财产损失。
温度是触发火灾报警系统运作的重要物理量之一。传统温度测量多用热敏电阻、光学高温计等温度传感器。但对于具有强电磁干扰的地铁隧道环境, 传统以电信号为工作基础的温度传感器通常在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限制。而光纤的抗电磁干扰能力、组网方便及其固有的大信号传输带宽等优点, 使得光纤温度传感器突破了电温度传感器的限制, 为地铁隧道等存在强电磁场干扰的环境提供了非常有效的温度测量方法。
分布式光纤温度测量技术, 其应用是十分广泛的, 不仅仅在常规的温度测量上, 通过适当的转换模型, 该技术还可以用在水利设施的渗漏监测、地下管道的泄漏监测, 以及动力电缆的温度监测等。
1地铁火灾的主要原因和特点分析
地铁火灾的发生具有必然性也具有偶然性。必然性的火灾, 来自设备的老化、绝缘的损坏等等, 这可通过对周边设备进行实时监测, 做到早期预报, 防患于未然。偶然性的火灾大多数出自于意外的、人为的情况, 在目前国际形势复杂多变、工作压力过大等的情况下, 少部分人会做出报复社会的过激行为, 这给地铁营运带来突发性不安全的因素。
1.1 电缆火灾
电缆是地铁机车运行的动力来源, 也是地铁隧道设备系统的重要组成部分。由于电缆易燃, 着火后危害大, 电缆的防火历来为供电部门所重视。据有关资料统计, 1975～1985 年间, 因电缆着火延燃造成的重大事故发生60起, 造成直接和间接损失达50多亿元。事故分析表明, 引起电缆火灾的直接原因往往是电缆接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大, 从而电缆接头过热导致火灾发生。但是, 电缆接头的制作质量的好坏, 只能在运行中才较易发现, 运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。对于电气设备绝缘老化引起的火灾, 从电缆接头过热到事故发生有一个过程, 其特点是火势产生比较慢, 烟雾及热量排放少, 但很可能造成部分供电设备断电, 照明设施失灵, 机车停止运行和通信网络瘫痪的情况。因此, 通过对电缆在线过热监测完全可以防止和杜绝此类事故的发生。
1.2 隧道火灾
隧道消防安全是目前消防研究的热点领域之一, 已取得了许多研究成果, 但仍有大量问题需要进一步研究。隧道火灾过程是一种三维非定常包含多相流体流动、传热传质和化学反应及其相互作用的十分复杂的物理化学过程。由于隧道空间小, 近似处于密闭状态, 不可能自然排烟, 同时燃烧产生的热量不易散发, 热量聚集, 内部温度上升快, 可能较早出现轰燃。日本消防研究所进行的模型隧道火灾试验结果表明, 隧道内燃料的燃烧速度是敞开空间的3倍, 隧道内的温度最高可达到1000 ℃。因此烟雾大, 温度高是隧道火灾的主要特点。
鉴于火灾本身的复杂性以及隧道火灾的特殊性, 建立隧道火灾的准确模型是指导人员疏散和减灾救灾的关键, 但这仍需通过加强开展火灾试验获取更多真实数据资料。国外的研究机构已经在废弃的隧道内开展了大量全尺寸试验:研究通风对火灾的影响和通风时火灾热释放速率的变化。这些已经完成的研究为隧道内人员的疏散和火灾的扑救提供宝贵的理论依据, 但在具体隧道环境的火灾模拟中又应该具体问题具体分析。而依靠采用先进的测量技术测量分析火灾动态特性, 如火羽流区的特性, 不但能及时反映火灾现场情况, 也可为验证数值计算的准确性提供详实的试验资料。
2地铁隧道火灾预警系统的要求
地铁隧道是复杂的地下管道网络设施, 一旦发生火灾时, 需要考虑的因数很多。不但要考虑火灾原因是人为纵火还是电力设备老化发热, 还要考虑是隧道区间着火还是运行的列车着火, 甚至区间隧道发生火灾的位置都必须纳入考虑的范围。如果采用线型感温电缆对隧道进行火灾探测, 则存在以下几个不可克服的缺点, 严重的制约了其在地铁隧道中的应用。
(1) 抗电磁干扰能力差, 误报、误动极高。地铁在隧道跑的是电力牵引的机车, 使隧道的电磁低频干扰很强, 容易引起感温电缆误报火警。
(2) 对火灾现场无法定位, 也无法探知灾害的区域范围。
(3) 不能反映火情、火势发展和烟雾蔓延的跟踪情况, 指挥中心无法获得现场的确切信息。
(4) 不能实时监测, 只有灾害出现后才报警。
(5) 只有火灾报警的开关量, 系统不能精确的反映现场温度。
(6) 一次性使用, 维护特别困难, 成本很高。
2.1 分布式光纤测温技术
温度的异常变化往往是故障或事故的直接表征和前期预兆, 如温度升高可能是运行中的设备存在局部过热、接触不良、局部放电、通风不畅、热水管道漏水、设备短路、火灾等, 温度下降可能是输汽管道漏汽、冷凝器系统故障等。通过对温度的实时在线监测, 结合温度变化量的特征和具体监测对象的特点, 综合分析、诊断和确定引起温度异常的“病根”, 可以将事故隐患消除在萌芽状态。传统点式光纤温度传感器只能测试一小部分区域内的温度状态, 而对于某些大型网络结构场合, 则需要对温度场的空间分布状态进行准确测量和实时监控。如果使用多个点式温度传感器阵列进行测试, 那么其监测任务的执行显然是不经济的。
1985年, J. P. Dankin等人首次成功地实现了采用喇曼散射的分布式测温技术。该技术很快由最初的固体激光器、光电倍增管模式过渡到半导体激光器和 APD (雪崩光电二极管) 方案, YORK 公司首先推出了其商品化的产品, 随后, 日本的藤仓公司、住友电器, 英国的 KENT 大学等机构纷纷推出了自己的成果, 分布式光纤温度测量技术迅速成为一个研究热点, 成为当今世界上最先进的高科技光电子产品之一。中国是目前世界上仅有少数几个掌握其技术和能够生产其产品的国家之一。
2.2 分布式光纤测温火灾预警系统在地铁隧道中的应用
分布式光纤测温火灾预警系统可完全满足火灾情况下的各种需求, 其优点如下:
(1) 全面、连续、实时地检测隧道的实时在线温度检测, 图形界面反映每隔一米的温度信息, 如正常温度、异常温度、火灾温度。
(2) 定位功能, 对火灾、异常温度进行精确定位, 并对灾害区域大小进行定量检测。
(3) 多级报警功能, 如一级预报警、二级预报警、三预报警、温度变化率报警等功能。
(4) 具有对火情的大小 (温度高低和灾害区域) , 火势的蔓延方向和速度, 烟雾漂流的方向和速度进行实时检测和快速分析, 及时准确地给救灾指挥部门提高灾害现场依据, 以便救灾工作的快速、正确进行。
(5) 感温光纤具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗辐射、抗震动、阻燃、防爆、绝缘强度高, 能在高温、高湿、污秽严重、活塞风流动大等各种有毒有害的恶劣环境中长期正常工作。
(6) 光纤测温主机具有和FAS系统联动的很强功能, 将火灾区域的信号准确提供给FAS系统, 以便FAS系统准确联动消防设备。
(7) 系统具有开放式、网络化、单元化以及组网方便等优点, 极易实现信息化管理。
3系统设计
近几年来, 国内外一些电厂、化工厂等工业企业和一些公路隧道等已经采用分布式光纤测温火灾预警系统监视火灾灾情并取得了较好的效果。由于公路隧道、电厂等项目一般建筑规模小、简单, 隧道内设备少、风速低, 所以分布式光纤测温火灾预警系统在此的应用也是简单的、小规模的。通常是直接将感温光纤安装于隧道顶部, 设备设置数量少 (仅需单台或几台主机) 且火灾监控要求不高 (大多无需联网或联动设备控制等) 。
分布式光纤测温火灾预警系统是一个智能性的长距离温度探测系统, 该系统检测到的区间火灾信号要能够及时准确地送到FAS系统, FAS系统与相关设备联动, 组成地铁隧道火灾自动报警。根据这一需求, 车站级火灾自动报警系统设计方案示意图如图1。
4结论
地铁隧道环境具有强电磁干扰和网络巨大、隧道相互交错的特点。传统以电信号为工作基础的温度传感器通常在安全性、信号的稳定性方面受到很大的限制。而光纤的电绝缘性, 几何易变性及其固有的大的信号传输带宽等优点, 使得光纤温度传感器突破了电温度传感器的限制, 从而为地铁隧道等存在强电磁场干扰环境下的温度测量提供了非常有效的手段。
分布式光纤温度传感器的工作原理是喇曼散射的温度效应, 该技术的理论和实验技术基本上已经成熟。国内外不少研究所和厂家都开发了自主的分布式光纤测温系统并成功应用在电力、化工企业和水坝、油库等特殊环境中。如能将分布式光纤温度测量技术应用到地铁隧道火灾预警系统, 则能有效监测地铁隧道温度变化, 为一旦发生的地铁隧道火灾救灾指挥提供强有力的参考作用。
参考文献
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分布光纤测温预警系统 篇3
我国现有的预测矿井火灾的方法主要有红外探测法、氡气探测法和磁探测法等, 但这些探测技术仍存在着一定的不足, 还无法满足当前预测矿井采空区遗煤自燃的需要[3]。而分布式光纤测温技术则集传感和传导技术于一体, 可以实现远距离对温度场的实时监测, 并且能够用于易燃易爆、强电磁干扰等[3]恶劣环境, 特别适用于采空区等具有特殊环境温度场的监测及火灾预警。
1 分布式光纤测温原理
分布式光纤测温系统的机理是利用后向拉曼 (Raman) 散射的温度效应, 即利用光纤中传输的高功率激光脉冲与光纤分子相互作用产生拉曼散射光谱信号。拉曼散射是由分子热运动引起的, 所以拉曼散射光可以携带散射点的温度信息。反斯托克斯光 (Anti-Stockes) 的幅度强烈依赖于温度, 通过解调带有温度信息的反斯托克斯光, 可以探测到温度的变化, 用光的时域反射 (OTDR) 技术可以实现分布式的光纤温度传感。
1.1 瑞利 (Rayleigh) 散射光解调原理
利用瑞利散射光对反斯托克斯散射光进行调节, 可以得到所监测区域的温度场信息。利用瑞利散射光功率曲线的解调方法是:首先测出整段传感光纤在任意温度T时的反斯托克斯光功率曲线和瑞利散射光功率曲线[4,5], 即:
再将2条曲线进行比较可得:
同理, 可得在温度T=T0时反斯托克斯光功率曲线和瑞利散射光功率曲线的比值, 即:
将式 (3) 、式 (4) 作比可得:
从而, 由式 (5) 可解算出温度分布曲线, 即:
式中, PR (T) , PAS (T) 为瑞利散射光和反斯托克斯散射光的光功率;c为光在真空中的传播速率;n为光纤有效折射率;E0为激光脉冲入射光纤时初始能量;h为Plonk常数;κ为Boltzmann常数;Δy为光纤的拉曼频移量;ΓR、ΓAS为瑞利光和反斯托克斯光的散射系数;α0、αAS为瑞利光和反斯托克斯光的损耗系数;L为光纤上监测起始点到监测点之间的距离;T0、T为已知参考温度和监测处的绝对温度[5]。
采用瑞利散射光进行解调, 既有效消除光源的不稳定性和在传输过程中的光耦合损耗以及光纤在连接、弯曲和传输等中的损耗所带来的影响, 又提高了系统对监测温度的灵敏性。
1.2 光时域反射 (OTDR) 技术
采用光的时域反射技术可以实现分布式光纤测温点空间监测, 即向光纤中注入激光脉冲, 利用反射信号和入射脉冲之间的时间差进行空间定位:
其中, τ为从发出激光脉冲到接收到反射信号之间的时间差。
2 分布式光纤测温系统结构及功能特点
2.1 系统结构
分布式光纤测温系统主要由系统主机、测温光纤、计算机处理软件3部分构成。系统工作原理如图1所示, 二极管半导体脉冲激光器发出一定功率的激光脉冲被耦合进测温光纤, 先进入置于恒温槽中的基准定标光纤, 然后再进入感温光纤;激光在光纤中同Si O2分子发生散射后, 将后向拉曼散射光耦合至滤波器滤出带有温度信息的反斯托克斯光和瑞利散射光;温度信号对散射光谱信号中的反斯托克斯散射光强度进行调制, 反斯托克斯散射光携带散射区的温度信息, 将滤出的瑞利散射光作为比较通道, 反斯托克斯散射光作为光信号通道[5,6]。这两个通道的散射光分别经过APD进行光电转换后, 再由信号放大器放大信号, 并组建以DSP为核心的嵌入式处理单元, 对传感器输出信号进行实时采集[3]。将采集的温度数据传送到计算机并存储到系统数据库中进行数据处理, 通过组态软件展示温度空间分布并且以图形或表格形式显示出各测温点的温度值和变化状态, 并预测温度变化趋势。当某一监测点的温度超过系统设定的报警阈值时, 系统将启动报警装置, 并通过计算机网络实现远程数据共享。
2.2 系统功能特点
(1) 实现了本质安全。光纤既是温度传感器, 又是信号传导介质, 既避免了短路引起的火灾, 又避免了放电引起的瓦斯爆炸。
(2) 实现了信息共享。在系统内部构建的光纤通信网可通过局域网络接口与企业的MIS系统或其他网络系统连接实现通信, 从而实现信息共享。
(3) 可靠性高。不受强电磁场的干扰, 测量精度高;铠装光纤具有良好的力学性能, 且防水、绝缘、耐化学腐蚀, 可保证监测和传输的灵敏和高效[7,8,9]。
(4) 性价比高。光纤质量小, 容易安装施工。系统寿命长而且具有自检、自标定和自校正等功能, 成本低。当需要在光纤铺设沿线增加监测区段时, 系统易于实现扩展。
(5) 简单易用。软件操作界面简单易用, 可随时通过数据库查询历史数据、打印报表, 为分析事故发展趋势提供温度场实时变化监测依据。
(6) 实现了实时监测。铺设光纤即可完成光纤沿线所有点的温度监测, 将实时监测温度数据存入系统数据库中并自动保存, 能够实时准确地监测采空区温度场分布[10,11]。
3 分布式光纤测温系统的安装铺设
铺设的感温光纤应能保证火灾隐患区域都在有效的监测范围之内, 且有利于火源位置的准确定位;感温光纤的铺设应随着工作面的推进而不断调整, 以便能对采空区进行实时连续监测。在实际应用中, 为避免采空区顶板和巷壁垮塌对测温光纤的损坏, 采用铠装光纤, 并采用多通道冗余技术, 在采空区内实现多条感温光纤铺设[12]。
在回采前预先铺设测温光纤, 形成回采全程采空区实时监测。光纤铺设如图2所示。在煤矿采区回采开切眼处即开始铺设光纤, 采用波分复用技术可在1根光纤上串联18个传感器。由于分布式光纤的测温传输距离可达40 km, 因此, 完全可以从地面控制微机室经回风副井筒、回风巷至采区工作面开切眼铺设多模光纤。由于光纤长度的增加, 损耗也会增加, 为确保测量精度, 应对光纤测温系统进行定期校正, 以确保系统的测量精度。在采空区沿着工作面的推进方向根据工作面的宽度以每间隔15m采用“W”型布置测温光纤, 以增大光纤监测范围。
随着工作面的推进, 只需移动预留光纤至采空区就能进行实时监测, 而无需重新铺设感温光纤, 该技术能够对采空区温度进行网点式监测, 而且提高了监测的有效范围和准确度。
4实际应用
某煤矿综采工作面采用U型通风, 采区走向长710 m, 倾向长183 m, 一般煤厚3.5~4.0 m, 平均厚3.9 m, 一次采全高。贯穿该采区的落差为2.4 m的34F38断层对回采进度的影响较大。
利用光纤测温主机实时监测铺设在采空区内的各沿光纤测温通道的温度场信息, 并解析出相应的温度场信息数据, 再通过以太网端口或光纤端口将温度场信息传输到监控计算机系统数据库。采空区遗煤在自然发火的各个阶段内温度的变化速率是不同的, 当所测升温速率达到用户要求设定的预定值或监测到采空区温度达到预设的报警温度时, 系统就会自动报警, 并在计算机控制终端显示出报警点在采空区的具体位置。
将该项新的布置方式应用于该采空区, 通过实时监测发现, 回采323 m时, 距工作面106 m处的采空区温度上升速率明显加快, 温度最高达到45.6℃。通过采空区气体取样, 用气相色谱仪分析CO浓度已经达到121×10-6。这主要是由于此时在过断层, 影响到了推进速度。针对这种情况, 采取向采空区先注氮、后注浆的防灭火措施, 确保了过断层期间的安全生产工作。
5 结语
本文提出了在采空区铺设光纤测温系统的改进方式, 该方法简单易行, 不必重新增加光纤。将分布式光纤测温系统应用于煤矿采空区遗煤自燃监测, 能够沿程进行远程实时监测并准确定位。如果将该报警系统和采空区防灭火系统进行联网, 就可以组建成安全高效的采空区遗煤自燃防灭火预测预警系统, 从而真正做到防患于未然, 对保障煤矿安全生产具有广阔的应用前景和深远的社会意义。
摘要：根据采空区自然发火的特点, 介绍了基于拉曼散射的分布式光纤测温原理及系统的构成, 在实际现场采用沿工作面走向“W”形布置多条光纤的新技术, 现场应用表明:该技术能够对采空区温度进行网点式监测, 提高了监测的有效范围和准确度。
关键词：分布式光纤,测温,煤矿,采空区,火灾
参考文献
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分布光纤测温预警系统 篇4
在矿井冻结工程施工过程中, 为了实时掌握冻结壁的发展情况, 需要设置温度监测系统。目前, 冻结壁温度监测常采用多线制测量及一线总线式测量[1]方式。多线制测量方式布线困难、成本高;一线总线式测量方式布线简单、测温点可任意布置, 但任意一点的损坏将导致整个测温总线失效[2]。这2种方式都是通过获得离散点温度信息推断冻结壁的发展情况, 很难全面掌握冻结壁的全部温度信息。因此, 笔者采用光纤技术设计了一种分布式光纤测温系统。该系统主要依据光时域反射技术和后向拉曼散射温度效应实现温度测量, 近于连续分布的测温点使以往孤立点的温度监测发展为沿缆线的温度监测, 使得系统能够测量整个冻结壁的温度梯度, 克服了传统测温方式依靠检测离散点温度信息推断整个温度场分布特征的弊端, 消除了离散点测量带来的不安全因素[3]。同时, 光纤本身的抗电气干扰、耐腐蚀的性能大大提高了系统的稳定性。
1 系统设计
1.1 系统工作原理
分布式光纤测温系统的工作原理如图1所示。
该系统采用后向散射探测方法, 由半导体激光器 (LD) 产生很窄的泵浦光脉冲, 经光纤放大器 (EDFA) 提升功率后, 通过光纤分路器耦合进传感光纤, 在传感光纤中将产生后向散射光, 回来的后向散射光再经光纤分路器耦合进光滤波器进行滤波和分离, 从而得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和作为参考信号的后向瑞利散射光, 自此便完成了信号的采集工作;从光滤波器分离出来的后向反斯托克斯拉曼散射光和后向瑞利散射光再分别进入光电探测器PD1、PD2进行光电转换及前级放大, 完成信号的光电转换工作;转换后的电平信号分别进入放大器1和放大器2进行放大, 然后分别由2片A/D卡 (A/D1和A/D2) 进行模数转换, 得到数字信号, 经FIFO数据缓存后进入计算机进行信号处理和分析计算, 最终得到对应点的温度信息。因此, 发出光脉冲后, 对后向拉曼散射光信号进行高速的多点采样, 就可获得沿光纤轴向的温度场分布, 实现分布式温度测量。
1.2 系统最佳波长的确定
分布式光纤测温系统的温度灵敏度可表示为
undefined
式中:R (T) 为反斯托克斯光强比值;T为温度值;λ0为系统波长;Δγ为偏移波数;h为普朗克常量;c为光速;K为玻尔兹曼常量。
由式 (1) 可知, 系统的温度灵敏度随所选激光器中心波长的增加而提高[4]。但随着激光器工作时间的增加, 其中心波长会因管芯发热而向长波长方向漂移, 相应的后向拉曼散射光信号的中心波长也会随之发生变化, 从而影响整个系统的稳定性。尽管激光器的中心波长漂移量很小, 但也会给系统带来明显的不利影响。根据大量试验得出:系统的中心波长越短, 对系统的稳定性越有利[5,6]。
由上述可知, 从灵敏度角度看, 系统中心波长越长越好;从工作稳定性角度看, 系统中心波长越短越好。在选取系统中心波长时, 应着重考虑信号强度, 兼顾系统的温度灵敏度和稳定性。根据实验和研究, 得出分布式光纤测温系统的测量距离与激光器中心波长的关系[7]如图2所示。因此, 该系统选取激光器中心波长为1 550 nm。
2 系统的温度解调方案
分布式光纤测温系统利用后向反斯托克斯拉曼散射光功率曲线解调后向瑞利散射光功率曲线, 其实现过程:先测出整段光纤在T=T0 (T0为参考温度) 时的后向反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和后向瑞利散射光功率曲线, 然后将两者相比得到基线;测出光纤在任意温度T时的后向反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和后向瑞利散射光功率曲线, 将两者相比得到一条新曲线并与基线相比, 从而得到温度关系式。具体推导如下:
T=T0时, 后向反斯托克斯拉曼散射光功率Pas (T0) 和后向瑞利散射光功率PR (T0) 分别为
undefined
式中:n1为光纤折射率;E0为激光器光脉冲能量;Δv为光纤的拉曼频移量;Γas、ΓR分别为单位长度光纤中后向反斯托克斯拉曼散射光和后向瑞利散射光的散射系数;α0、αas分别为激光器中心波长和后向反斯托克斯散射光波长处光纤的损耗;L为光纤长度。
式 (2) 除以式 (3) 得到基线表达式:
undefined
系统在温度T时的后向反斯托克斯拉曼散射光功率和后向瑞利散射光功率分别为
undefined
式 (5) 除以式 (6) 得:
undefined
式 (7) 除以式 (4) 得:
undefined
因此, 系统的温度解调表达式可表示为
undefined
该温度解调方案可抑制温漂噪声积累和后向瑞利散射光子窜扰后向反斯托克斯散射光子, 使测量精度保持较高水平;同时也可用后向瑞利散射光信号的电脉冲触发高速信号采集卡与累加器同步工作, 省去同速同步触发电源, 可进一步提高系统的安全性, 降低系统成本。
3 性能测试
3.1 室内实验
将分布式光纤测温系统调试好后, 将全部传感光纤置于-45 ℃的环境中, 运行自主研发的测温软件包程序, 得到的拉曼曲线、瑞利曲线、温度曲线如图3所示。
将全部传感光纤置于-15 ℃的环境中, 得到分布式光纤测温系统的拉曼曲线、瑞利曲线、温度曲线如图4所示。
从图3、图4可看出, 分布式光纤测温系统能比较真实地反映光纤沿线的温度, 所测得的温度曲线比较平滑, 系统测量精度可达1 ℃。
3.2 现场试验
将分布式传感光纤与一线总线式测温电缆同时下放到测温孔中, 并在一线总线式测温点处固定一个传感光纤环, 使传感光纤环与一线总线式测温系统的测温点相对应。开启一线总线式测温系统与分布式光纤测温系统, 测得的地层原始地温曲线如图5所示。
冷冻站运转一段时间后, 地层温度开始下降, 由一线总线式测温系统与分布式光纤测温系统测得的2组冻结孔内温度曲线如图6所示。
通过多次测量并对比测量结果发现:分布式光纤测温系统与一线总线式测温系统的测量结果存在误差, 误差曲线如图7所示。
从图7可看出, 分布式光纤测温系统与一线总线式测温系统的最大测温误差为0.69 ℃, 平均误差为0.5 ℃。一线总线式测温系统经计量研究院检测后, 系统最大测量误差小于0.2 ℃, 因此, 本文设计的分布式光纤测温系统的测温误差不超过1 ℃, 满足冻结工程的测温要求。
4 结语
通过室内实验可知:欲提高测量精度, 关键是提高信噪比, 提高有用信号强度;欲提高系统空间分辨率, 要求信号处理部分具有较宽的带宽, 但无限制地提高系统空间分辨率将会导致系统采集大量数据, 增加数据处理任务量, 使温度测量时间廷长, 最后可能导致系统实时性变得很差, 不能很好地满足工程需要或无法使用。
通过现场试验可知:将分布式光纤测温系统应用于冻结施工中, 可测量整个冻结壁温度场的分布情况, 及时发现温度异常点, 正确指导冻结施工, 满足信息化施工的要求。
摘要：文章根据冻结工程信息化施工的要求, 将分布测量理论和光纤传感技术引入到冻结监测中, 并结合某矿井冻结工程的实际情况, 对分布式光纤测温系统的工作原理、性能指标温度解调方案进行了详细的分析与研究, 成功设计出一套满足冻结施工要求的分布式光纤测温系统。该系统依据光时域反射技术和后向拉曼散射温度效应实现温度测量, 提高了测量精度和稳定性, 降低了系统成本。室内实验及现场试验验证了该系统的测量精度性与可靠性, 为冻结温度监测提供了一种新的监测手段。
关键词：矿井,冻结监测,温度监测,分布式光纤,温度解调
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分布光纤测温预警系统 篇5
关键词：煤矿,皮带输送机,分布式,光纤测温
1 前言
皮带输送机作为煤矿最基本的原煤运输工具, 因其连续大运量长时间的运行, 经常会出现打滑、撕裂、超温、过载、堆煤、电机异常等各类故障, 导致皮带相对滚筒及托辊之间打滑摩擦, 长时间摩擦产生的高温将会导致发生重大火灾乃至爆炸事故, 造成不可挽回的损失, 甚至危及人身安全。因此如何有效的检测皮带机各类温升故障, 把故障控制消灭在萌芽状态, 对于煤矿的安全生产异常重要。因此需要对皮带机传输线实施可靠的温度在线监测及预警, 达到提前报警的作用。分布式光纤温度检测系统针对煤矿皮带运输线路长、监测点多、环境恶劣等特点, 采用先进的光纤分布式传感技术, 利用光纤传感器具有不带电、抗腐蚀、抗干扰、施工简单等优点, 对煤矿井下皮带输送机运行中主要摩擦部位的温度变化进行实时检测, 对皮带输送机由于各种故障引起的温度异常做出诊断, 并发出声、光报警信号, 及时停止故障皮带机, 保证了皮带输送机的有效运行, 降低或避免了事故造成的人员伤害和财产损失。
2 光纤测温系统主要原理
分布式光纤测温系统同时利用单根光缆实现温度监测和信号传输, 综合利用光纤的拉曼散射效应和光时域反射测量技术来获取空间温度分布信息。其中拉曼散射效应用于实现温度测量, 光时域反射测量技术用于实现温度定位。当激光光脉冲射入光纤并向前传播过程中, 由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射, 而一部分散射光会按照入射光相反的方向传播, 称之为背向光散射, 包括RayLeigh散射、Raman散射和Brillouin散射。其中Raman散射信号的变化与温度有关, 而且信号相对容易获取分析, 表现为一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光, 由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感, 因此系统采用斯托克斯光通道作为参考通道, 反斯托克斯光通道作为信号通道, 两者的比值提供了温度的绝对指示, 利用这一原理实现了对光纤温度信息的分布式采集。
3 光纤测温系统的组成及功能
光纤测温系统由光纤通讯、光纤传感、信号解调、报警控制等单元组成, 分为光信号发射模块、光信号接收模块、光波分复用模块、DSP数据处理模块以及定标控温模块五部分。由测温主机、工况机、光纤传感器、报警装置和监测系统软件组成。
分布式光纤温度监测主机是系统的核心部件, 实现光信号发生、背向散射信号的光谱分析、光电转换、信号放大和信号处理的功能。测量范围约7km, 温度分辨率0.1℃, 空间分辨率1m, 可提供36路报警输出干触点, 可输出设备状态、光缆状态等信息。工况机通过安装本地运行软件, 实时采集、分析数据, 并实现与主站计算机的通讯。光纤温度传感器安装在皮带传输托辊外端面, 实时监测皮带温度变化, 具有响应快、光纤衰减小等特点, 极大地提高了系统的测量精度和测量范围。报警装置, 在故障时发声光报警信号, 便于维修人员及时发现, 短信报警功能也为无人值守现场的工作人员提供监测报警信息。监测软件提供了监测现场线路全程分区图及其温度分布曲线, 具有6种报警类型, 为监测环境温度变化提供报警分析, 对实时数据进行分析, 可通过设定各种温度报警类型及时输出温度异常点, 以及保存各时刻数据以实现显示和查询功能。
4 光纤测温系统实际应用及功能
葛亭煤矿井下皮带运输分东、西两翼三个采区共计十一部皮带机, 其中集中胶带运输巷主皮带运输机共计四部。根据皮带机运行时间差异, 主要在GTPD-D1至GTPD-D4的集中运输巷四部皮带机上布置了光纤温度监测系统, 每部皮带机分别对皮带机驱动、改向滚筒轴承、上下托辊轴承以及电机、减带机等运转轴承等共计136个部位进行了传感器安装, 对温度情况进行实时监测, 并利用光纤传输至监测主机, 利用计算机及数据库技术对所采集的数据进行管理分析。测温主机置于井下, 可通过光纤终端盒端口接出2根感温光缆, 沿皮带机回程托辊进行铺设, 通过专用夹具将光缆固定在每个托辊的外端面上, 并分别引出光缆沿皮带机下方敷设进行温度检测。监测主机通过以太网口将实时数据传送到井下环网中, 再通过井下环网将数据传送到地面上位机进行数据分析, 如果监测到温升变化及时输出声光报警信号和短信报警信息。系统主机最大测量范围为7公里, 可以根据需求接多路感温光缆。探测光缆采用普通多模光纤, 低烟无卤阻燃外护套材料, 内部有加强芯提高抗拉抗压强度, 光缆柔软便于安装, 并且具有很好的热传导性和抗腐蚀特性。
该系统实现的主要功能, 一是显示功能, 能够实时显示系统监测温度曲线;显示全程分区状态图及其温度分布曲线;点击某区域显示重点监测点的温度随时间变化曲线;二是报警功能, 能够对皮带传输测量区域在长度上进行任意分区, 实现重点监测;根据实际情况设定不同分区的定温及差温预警值、报警值及地理位置名称, 同时可设置光纤断裂报警及设备异常报警;三是查询功能, 可以查询历史数据并显示或打印历史报表;可在系统图上直接查询设备信息、运行参数、统计信息等;四是报表功能, 能够提供强大的数据库保存功能, 可以根据用户需要定制或打印年报表、月报表、日报表等;五是分析功能, 能够根据历史数据记录对未来趋势进行评估, 提供检修参考信息。
5 经济、社会效益说明
分布式光纤温度监测系统在皮带运输生产中的应用, 充分利用了光纤本身不带电的优势对运行中的皮带机进行温升状态监测, 尽量把故障控制在萌芽状态。分布式光纤测温技术在煤矿原煤皮带运输系统中的推广应用, 极大推动了煤矿皮带机运输系统的在线综合监控、利用和管理等方面的能力, 大幅度降低了事故发生率, 提高科学判断水平, 达到事前预防的目的, 有效地保障了矿井的安全生产和职工的生命安全。分布式光纤测温系统在矿井皮带运输系统应用的基础上, 也可推广到煤矿空区自然发火监测、矿井光纤瓦斯传感监测、矿压矿震光纤传感监测和矿井供电系统主要部位温升监测等方面, 对提高矿山安全技术水平, 减少各类事故的发生, 推进谐社会建设, 具有重要的社会意义。
参考文献
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分布光纤测温预警系统 篇6
关键词：分布式测温,拉曼信号,自适应滤波,变步长,最小均方根
随着光纤技术的快速发展，分布式光纤测温技术在众多温度测量领域中得到了广泛应用，已成为温度测量的重要手段。与传统的传感器相比，光纤传感技术具有光学敏感测量和光纤传输的许多特点，如灵敏度高、电绝缘、抗电磁场干扰及易于实现远距离的分布式测量等[1]。基于Raman散射的分布式光纤传感测温系统(DTS)是一种实时测量沿光纤方向空间场温度的分布式传感器系统。其原理是高功功率窄脉宽激光光源发射一系列脉冲光，通过拉曼波分复用器(拉曼WDM)将脉冲光耦合进入传感光纤并接收光纤后向拉曼散射光谱，同时由拉曼WDM内光学滤波器，分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，再由检测器件、放大电路将其转化为电信号并进行相应的处理，解调出与光信号对应的温度场信息。最终通过光的时域反射技术进行定位。
由于光在传输过程中的损耗、拉曼散射的功率非常小使后向散射回来的反斯托克斯光和斯托克斯光的信号非常微弱，这样光电转换后的电信号很难被检测。同时传感光纤弯曲处和焊接处损耗、传感器自身的噪声、放大电路的噪声、各种元器件的固有噪声以及光电转换和放大的过程中会引入随机噪声和外界的电磁干扰，这些噪声的幅度往往比有用信号的幅度大得多[2]。受到上述因素的影响，使得原本微弱的反斯托克斯信号和斯托克斯信号完全淹没在噪声中。因此，必须有效抑制信号中的噪声，才能提取出有用的温度信号，从而提高系统的性能。因此，对微弱信号的处理的关键就是提高系统的信噪比[3]。
自适应滤波算法在信号处理领域有着重要的地位，近年来在各领域都得到了广泛应用，如工业控制、通信领域以及导航系统等。对于不能预测信号以及噪声特点的场合，无法使用一般的滤波器对信号进行最优滤波，自适应滤波器的引入成为行之有效的方法。现有各种自适应滤波算法中，LMS和NLMS[4,5]由于其计算量小，易于实现而被广泛采用。根据分布式光纤测温系统的信号噪声特点，本文采用一种变步长的LMS自适应滤波算法对拉曼散射传感信号进行去噪。
1 分布式光纤测温原理与信号特征
1.1 分布式光纤测温的原理
分布式光纤测温系统的原理如图1所示，主要由传感器光纤、拉曼WDM、高功率窄脉宽激光光源、光电转换器件雪崩二极管APD与放大电路、信号采集与数据处理系统等部分组成。激光器发出一系列高频大功率窄脉宽的脉冲光，经过拉曼WDM将光脉冲耦合进人传感光纤，由于传感光纤的背向拉曼散射，散射光通过光纤传输回拉曼WDM中分光器，分别过滤出斯托克斯光和反斯托克斯光，然后通过光电转换器雪崩二极管APD转换为电信号，电信号经过低噪声放大器后，再由高速A/D进行转换与信号采集模块将采集的数据送入信号处理单元进行处理，最后解调出与光电信号对应的温度信息并在计算机中显示。
1.2 拉曼噪声信号的特征
拉曼散射散射的光信号具有以下特点:信号的信噪比较低，信号的噪声主要是白噪声和瞬时脉冲，致使原本微弱的有用信号完全淹没在噪声中;一般情况下有用的信号是低频信号，而噪声是高频信号;噪声信号的强度由近到远逐渐增强。由于白噪声的产生是随机的，并具有平均值为零统计特性，为减少噪声对分布式测温系统性能的影响，通常采用数据累加平均算法来处理信号，从而提高系统温度分辨率。该算法主要通过累加次数来改善信号的信噪比，累加次数越多效果越好。累加次数越多，系统温度测量的时间越长，显然，在温度快速变化的场合此算法则不适用，系统的实际应用会受到影响。若得到响应速度较快的系统，一是必须损失系统的测温精度，二是要改进算法节约数据处理的时间。
1.3 白噪声序列
从工程实际出发，白噪声往往可视为具有理想谱密度的平稳随机过程。白噪声是一种简单的随机过程，是由一系列不相关的随机变量组成的理想随机过程。数学描述
式中，δ(τ)为单位脉冲函数。白噪声离散化
DTS中拉曼散射温度信号中的这些噪声可认为是白噪声，故本文采用零均值，方差为1的高斯白噪声，如图2所示，作为噪声信号进行去噪仿真。
2 变步长LMS自适应滤波器的原理
2.1 最小均方自适应滤波器的结构
自适应滤波技术已广泛地应用于数字滤波器设计、通信、系统辨识、自动控制及物理科学中。在工程中经常会遇到如下情况:输入信号是随机的，信号统计特性未知或者统计特性缓慢变化(非平稳信号)。这就使人们不得不研究处理这类信号的滤波器，应用于工程实践中。这类滤波器的特点:输入信号是统计特性未知的随机信号或者非平稳信号时，可以通过某中算法自适应的调整滤波器参数，来实现工程中的某种准则。由于这类滤波器能变动自身的参数以“适应”输入过程统计特性的估计或变化。因此，把这类滤波器称为自适应滤波器[6]。
LMS算法(Least Mean Square)是美国斯坦福大学的Widrow和Hoff在研究自适应理论时提出的，因其易实现而得到了广泛应用，并成为自适应滤波中的标准算法。其有两个基本部分组成:
(1)滤波过程。计算通过输入信号时滤波器的输出响应;然后，通过比较输出响应Y(n)与期望响应D(n)产生估计误差。
(2)自适应过程。根据估计误差E(n)自动调整滤波器自身权值。这两个过程缺一不可，协调工作组成一个反馈回路，
以上两个过程协调工作，缺一不可，其框图如图3(a)所示，首先由一个普通的横向滤波器来构造LMS算法，用它完成基本的滤波工作。其次，还有一个根据E(n)自动调整权值的控制算法来适应横向滤波器。
自适应滤波器的结构如图3(b)所示。输入向量X(n)的元素有N×1个，分别为抽头X(n),X(n-1),X(n-2)，…，X(n-N+1)，其中N-1是延迟单元的个数;这些抽头组成了一个多维空间。与输入向量对应的有N×1个权向量W(n)，其分别是抽头权值W0(n),W1(n),W2(n)，…，WN-1(n)。通过计算计算最小均方根得到一个向量的估计值，当迭代次数趋近与无穷多时，该估计值的期望值可能接近维纳解Wo。在滤波过程中，输入向量X(n)与期望响应D(n)同时作为滤波器的输入参考，这样给定一个输入信号，横向滤波器FIR就会输出一个作为期望响应D(n)的估计，然后将此估计值与期望响应作差，得到估计误差E(n)。
2.2 最小均方自适应算法
本文综合文献[7,8]分析，在常规固定步长LMS或牛顿LMS自适应算法中，通常收敛速率与稳态误差之间相互矛盾并不能同时满足系统的要求，人们研究了各种各样的改进型LMS算法[9,10,11]。本文提出一种更为简便的变步长LMS算法，其迭代公式如下
式中，w(n)为自适应滤波器在时刻n的权值向量;X(n)为输入信号向量;D(n)为期望信号;E(n)为误差信号;μ(n)为使相应的定步长LMS算法收敛最快的步长;固定步长μ0表示最大允许的步长。α为调整因子，取值范围为0.9≤α≤1。LMS自适应滤波器有3个性能指标分别是收敛的速度，对时变系统的快速跟踪能力和收敛精度。变步长算法就是在无数次迭代过程中自适应调整步长，在滤波过程中不断调整步长因子，不断改变权值，进而达到同时满足速度和精度的要求。对于本文而言，步长增益α/en-1应具有:初始情况下α/en-1趋近与1;随着自适应滤波器慢慢逼近有用信号，α/en-1→0。
3 Matlab仿真及结果分析
根据分布式光纤测温系统的信号及噪声信号的特点，微弱的携带温度信息的反斯托克斯信号被完全掩没在噪声中。本文用s(t)=0.384×10-6τ2-1.92×10-3t+2.4模拟反斯托克斯信号，其离散化的Matla仿真如图4(a)所示。噪声信号noise(t)是零均值，方差为1的高斯白噪声，如图2所示。原始信号xn(t)=s(t)+noise(t)，将其离散化的Matlab仿真如图4(b)所示。
研究在收敛范围内，特定噪声方差下，同一实验环境下，变步长LMS算法和固定步长LMS算法性能的比较分析以及算法稳定性、收敛速度和稳态误差大小的影响。本文经过多次仿真比较，采用计算机模拟条件(1)自适应滤波器阶数L=5。(2)μ0=1/750，α=0.977。为得出每一条曲线，分别做500次独立的仿真，采样点数为1 500，然后求其统计平均，得出学习曲线，LMS算法的去噪效果如图5所示。统计平均的均方差信号，得到的学习曲线如图6所示。
图5是变步长LMS算法和固定步长LMS算法对分布式光纤测温温系统的原始信号的仿真结果。结果表明变步长的LMS算法与定步长LMS算法相比，滤波效果更好，稳定性和精度也更高。
分布光纤测温预警系统 篇7
分布式光纤测温系统是一种实时测量空间温度场分布的传感器系统。其测温原理之一是利用光纤后向拉曼散射光谱的温度效应来测量光纤所在的温度场信息,并利用光纤的光时域反射技术对测量点进行定位。由于系统具有本质安全、抗电磁干扰能力强、能够快速多点测量并定位、易于安装等优点,在实时检测温度场的空间连续分布的应用中受到重视,并获得广泛应用[1,2]。系统工作过程是通过获取拉曼散射中反斯托克斯与斯托克斯光,并取反斯托克斯与斯托克斯光强的比值作为温度的传感信号,对传感信号进行数字信号处理,通过温度对信号的对应关系,完成对待测温度场的分布式温度测量。但由于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,比斯托克斯光的强度要弱几个数量级,同时拉曼散射光在光纤中传输时,由于介质的不均匀和背向散射效应会产生光噪声,此外,在光电转换和放大的过程中会引入随机噪声,这些噪声均可认为是白噪声和瞬时脉冲,使得本来十分微弱的携带温度信息的反斯托克斯信号被完全淹没在噪声中。因此,微弱的反斯托克斯光信号去噪处理成为分布式温度测量系统的一个重要部分,直接影响到整个系统的精度。
小波阈值去噪已经在光纤测温系统的信号处理中得到应用,但现有小波去噪方法在阈值的选取上带有一定的猜测性,且阈值函数存在连续性差、弱信号检测时误差较大等缺点,这对散射信号的合理去噪是不利的。因此,本文采用一种改进的小波阈值去噪方法来对拉曼散射传感信号进行去噪。
1 分布式光纤测温系统与噪声信号特征
分布式光纤测温系统(见图1),主要由传感光纤、耦合器、激光二极管、光学滤波器、光电接收与放大器件、信号采集与处理系统等单元组成。半导体激光器发出一系列光脉冲,经过光纤耦合器进入光纤,来自被测光纤的背向拉曼散射光经过光学滤波器,分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光,再送到雪崩光电二极管APD转换为电信号,光电信号经过放大后,通过高速A/D进行转换送入信号处理单元进行处理,并得到与光电信号对应的温度信息。
如上所述,在光信号的产生、传输及光电变化过程中,会引入噪声,处理前的信号具有以下特征[3,4]:(1)信号的信噪比很低。有用的温度信息全部淹没在噪声中,斯托克斯光强和反斯托克斯光强非常弱,大约为入射光强的1/108。同时由于电压波动、半导体热噪声、因电子随机作用而产生的散粒噪声等噪声的存在,这些噪声是由大量的短尖脉冲组成,其相位和幅值都是随机的,脉冲的形状也不尽相同,而这些噪声的幅度都远大于被测信号的强度,导致信号的信噪比很低。(2)有用的温度信号频率较低,而噪声的频率范围很宽。分布式光纤测温系统中,需要处理的主要是基本噪声,且绝大多数是随机噪声。随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程,在任何时候它的幅度、波形及相位都是随机的,可以看作是白噪声。(3)信号的噪声强度呈喇叭状。根据光纤传输理论,由于光的粒子性,对于一个方向的光来说,一方面光子能量传给介质而消失,即吸收;另一方面,光子改变方向,脱离原光束,即散射,光纤传输过程中不可避免地存在能量损耗。因此,拉曼散射光强度近端强,远端弱,而噪声保持不变,经反斯托克斯和斯托克斯信号的比值处理后,使得测量结果呈喇叭形状。
因此,必须消除信号中的噪声,才能使分布式光纤测量系统达到有效的空间分辨率和温度分辨率。
2 小波阈值去噪原理
小波阈值去噪法主要可分为3个步骤[5]:(1)小波分解:选择合适的小波和分解层数,对含噪信号进行小波变换,得到小波系数ωj,k;(2)系数处理:对小波系数ωj,k根据阈值函数和阈值做阈值量化处理,得到新的小波系数;(3)信号重构:利用小波系数进行小波重构,得到去噪后的信号。目前,系数处理方法中的阈值函数包括硬阈值、软阈值等。它们的定义式如下。
硬阈值函数:
软阈值函数:
式中,sgn(·)为符号函数,k∈V为调整系数,δj为阈值,它通常采用Donoho等提出的基于SURE法估计的小波阈值,取值公式为:
式中,Nj为小波尺度j的小波系数长度,σj为小波尺度j层噪声的标准方差,由median(|ωj,k|)/q估算,median(-)表示取中值,q为经验系数,一般取0.6745。
3 改进的小波阈值去噪法
3.1 改进的阈值函数
采用硬阈值函数时,由于硬阈值函数在±δj处是不连续的,很容易产生Pseudo-Gibbs现象,利用小波系数重构的信号可能会产生附加振荡。因此,有时利用硬阈值方法去噪的效果并不理想。软阈值函数整体连续性较好,当|ωj,k|>j时,经软阈值处理的小波系数连续性好且易于处理,但它与系数ωj,k总存在恒定的偏差,直接影响着重构信号和真实信号的逼近程度。单纯的软阈值函数估计的小波系数总会比系数ωj,k要小,因此应设法减少该偏差。但若将这种偏差减少到零(即硬阈值函数)也未必是最好的,这和去噪的目的显然是相悖的。
为克服现有阈值函数的缺点,本文采用一种改进的阈值函数[6],它的表达式如下:
式中,sgn(·)为符号函数,δj为阈值,βj为折中系数,,新函数具备连续性好、偏差小、简便可行等优势。
3.2 基于小波能量熵的阈值自适应选取
阈值选的过小,去噪后仍留有噪声,但阈值选的太大,重要的有用信号特征会被滤掉,从而引起偏差。Donoho等提出的小波阈值选取法对高信噪比信号具有一定的检测能力,但对于信噪比较低或完全被噪声淹没的微弱信号,则可能会因为保留强噪声的小波系数而不能达到较好的消噪效果。小波变换过程中信号与噪声的传播特性存在本质的不同,不同尺度的小波系数所采用的阈值应与噪声小波系数在该尺度的传播特性保持一致,而Donoho方法所得的阈值并不随小波尺度而变,这显然是不够合理的。
为克服上述缺点,本文采用新的阈值选取公式,它随小波尺度的增加而逐步减小,即:
式中,Nj为小波尺度j的小波系数长度,σj为小波尺度j层噪声的标准方差,它的传统计算方法多包含着经验系数,带有着较大的主观性。小波变换中有用信号和噪声在尺度j层的小波系数具备不同的分布,有用信号成分会集中在局部系数区间,而噪声成分往往会分布在整个系数区间。若将小波系数分成n个数据区间,各数据区间小波系数中的有用信号成分和噪声成分仍会呈现不同的分布,个别区间的小波系数可能几乎为噪声成分。特别地,噪声成分最多的数据区间将具备和小波尺度j层噪声相近的特征信息,因此采用该数据区间的标准方差作为σj的取值是合适的。
噪声成分最多的数据区间具有能量分布最均匀的特点,而小波能量熵Hω对信号时频上的能量分布特性具备定量描述的优点[6],它的定义式如下:
式中,Ei为尺度i时小波系数的能量。小波能量熵值越大,相应信号的能量分布越平均,噪声成分最多的数据区间所对应的小波能量熵将会在所有的数据区间中取到最大值。
4 仿真实验与讨论
为考察改进阈值算法去噪的有用性和优越性,现分别采用硬阈值、软阈值和改进阈值函数来对含有高斯白噪声信号进行去噪并作对比分析。去噪效果优劣的衡量指标是:(1)方差误差,D1、D2分别为无噪信号和去噪信号的方差,D1、D2越接近,则ε越小,说明去噪效果越好;(2)去噪信号信噪比,x(t)、x0(t)分别为无噪信号和去噪信号,RSNR越大,则说明去噪效果越好。
去噪实验在MATLAB仿真环境下进行[7],仿真实验中,采用sym8小波函数对信号进行分解,分解层数定为5,仿真信号的采样频率为10MHz,采样数为2048。软、硬阈值函数的阈值选取根据基于SURE的阈值选取规则得到。仿真结果(见图2)。
根据去噪优劣效果指标得到3种小波阈值函数对含噪信号的去噪效果(见表1)。
表中数据是根据去噪效果优劣指标给出的方差误差和去噪信号信噪比定义在MATLAB中计算得到,在方差误差ε极小准则和信噪比RSNR极大准则下,可以看到改进阈值函数的小波去噪效果比软硬阈值函数的小波去噪效果要好。因此,改进阈值函数的小波去噪是有效的。
5 结论
分布式光纤测温系统要提高空间分辨率和温度分辨率,就需要去除拉曼散射信号中的噪声,在已有的噪声处理方法中,小波去噪已经成为主要方法之一。但随着小波在信号去噪中的应用,发现现有小波阈值函数还有很多不足。本文针对光纤测温系统中斯托克斯与反斯托克斯信号的特点,采用一种改进的阈值函数。通过和软、硬阈值小波去噪相比较,仿真实验结果表明改进阈值函数的小波去噪能够提高去噪效果,达到分布式光纤测温系统要求。
参考文献
[1] 江毅.高级光纤传感技术,北京:科学出版社,2009
[2] Shoji Adachi.Distributed Optical Fiber Sensors and Their Applications.IEEE,SICE Annual Conference,2008
[3] 张桂涛.基于小波的分布式光纤温度传感器系统的设计 [山东大学硕士论文],山东大学,2004,50～5 1
[4] Hou Sizu,Jian Yanhong,Chen Ying,et al.Signal Processing of Single-mode Fiber Sensor System Based on Raman Scattering.IEEE,2010,2,176-181
[5] 胡广书.现代信号处理教程,北京:清华大学出版社,2004
[6] 张斌,王彤,谷传纲等.改进的小波阈值消噪法在湍流信号处理中的应用,工程热物理学报,2009,30(3) :401～407