光纖遙測應(yīng)用

光纖遙測光纖遙測地下水污染

日本工業(yè)技術(shù)院公害資源研究所將著手開發(fā)用光纖從地表遙測地下水污染的技術(shù)。

照射激光時(shí)，化學(xué)物質(zhì)會(huì)發(fā)出特有的熒光，通過光纖分析，即可把握最深達(dá)1公里處的地下水污染狀況。由于不必費(fèi)時(shí)汲取地下水便能精確測定污染狀況，這項(xiàng)技術(shù)將在污染監(jiān)視等方面發(fā)揮威力。

此項(xiàng)技術(shù)作為環(huán)境廳公害特別研究的一環(huán),從1987年開始的5年計(jì)劃中進(jìn)行開發(fā)研究。

光纖遙測光纖遙測海水鹽度

海水鹽度、密度等參數(shù)的測量在石油、進(jìn)出口貿(mào)易、海洋監(jiān)測及軍事上的航道測量等諸多領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。尤其對(duì)近年來世界范圍內(nèi)環(huán)境保護(hù)、水質(zhì)資源的監(jiān)測等方面,有著重要的研究背景和科學(xué)意義。

海水鹽度是研究大洋環(huán)流、海洋動(dòng)力學(xué)、降雨量及季節(jié)氣候預(yù)測、海洋漁業(yè)養(yǎng)殖、水聲學(xué)及海洋資源的重要參數(shù)。

光纖遙測一次性光纖遙測系統(tǒng)

美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了一種采用廉價(jià)的一次性光纖遙測系統(tǒng)來傳送鉆井過程的實(shí)時(shí)信息的新技術(shù)，該技術(shù)引起了石油和天然氣業(yè)的注意。據(jù)開發(fā)這種技術(shù)的研究人員介紹這種獨(dú)特技術(shù)利用一次性光纖，現(xiàn)場傳送鉆具一端工作進(jìn)展的信息。溫度、壓力、化學(xué)物質(zhì)和巖石構(gòu)造等信息均可被及時(shí)地傳送到地面，不必中斷鉆探操作就能獲得所有這些信息。

收集這些信息的傳統(tǒng)方法是中斷鉆探過程，以便將檢測儀器下到鉆孔中。暫停鉆探進(jìn)程的代價(jià)極高，就近海鉆探而言，一天損失高達(dá)10萬美元~20萬美元?！?

一段時(shí)間以來，在鉆探過程中利用光纖遙測技術(shù)傳送井下鉆具信息的想法，引起了石油和天然氣鉆探業(yè)人士的興趣。然而，人們認(rèn)為這種技術(shù)的成本太高，必須用體積龐大的鐵甲來保護(hù)脆弱的光纖，而放置光纖也會(huì)干擾鉆探工作。而由美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的技術(shù)所采用的光纖不是靠鐵甲，而是靠一層透明的保護(hù)型塑料薄膜加以保護(hù)，這種薄膜類似于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中所采用的薄膜。

與傳統(tǒng)的可反復(fù)使用的笨重光纖相比，這種不帶鐵甲的光纖很輕，密度很高，容易操作。光纖和泥土一起順著鉆具到達(dá)鉆孔的底部，從那里將信息及時(shí)地傳給鉆井操作人員。

由四部分組成：傳感器及調(diào)理電路部分、A/D變換及發(fā)送部分，光纖光電耦合部分及接收顯示部分。系統(tǒng)主要特點(diǎn)是采用編碼器將測量參數(shù)的數(shù)字信號(hào)編碼發(fā)送。通過光纖光電耦合，經(jīng)譯碼器編碼后顯示出相應(yīng)的測量參數(shù)。采用光纖傳輸信息，其傳輸損耗小。尺寸和重量也比電纜要小得多，抗干擾性特別好，也不需要很大的發(fā)射功率。電路設(shè)計(jì)簡單，調(diào)試容易。信息傳輸可靠性好，數(shù)據(jù)傳輸精度高。特別適用于距離為幾十米至數(shù)百米的強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場干擾的場合。

光纖遙測發(fā)送部分電路

發(fā)送部分由AD變換器及接口電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)，編碼器及驅(qū)動(dòng)電路組成。它主要的作用是采集A/D變換后的數(shù)據(jù)，存入RAM，井順序地將存入的數(shù)據(jù)通過編碼器，再經(jīng)過三極管放大后發(fā)送出去。

A/D變換器輸出數(shù)據(jù)與三態(tài)門緩沖器連接，采用查詢的方式依收將千，百、十、個(gè)位數(shù)輸，并將這四位數(shù)分別存入RAM中輸入的數(shù)據(jù)可是正值或負(fù)值，這可以根據(jù)千位的Q₂來判斷：Q₂=1時(shí)，數(shù)據(jù)為正；Q₂=0時(shí)，數(shù)據(jù)為負(fù)；通過軟件來封別Q₂是否為1，即可確定符號(hào)位的正負(fù)。

由單片機(jī)程序控制．順序地將符號(hào)位．千位百位、十位個(gè)位數(shù)一位位地輸出，輸出的每一位數(shù)的4位BCD碼即為編碼器的4位數(shù)據(jù)，由P₁₄口來控制編碼器的發(fā)進(jìn)控制端TE，當(dāng)P₁₄日為低電平時(shí)，犏碼器的TE為低電平，開始發(fā)送。編碼器輸出的編碼脈沖經(jīng)放極管及接收電路部分的反相、整形等環(huán)節(jié))。另外，譯碼器譯碼也需要一定的時(shí)間，為保證可靠地接收。每發(fā)送一位數(shù)后，要加幾ms的延時(shí)（由軟件設(shè)定）。

發(fā)進(jìn)都分的程序是極為簡單的，即數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)發(fā)送。

采用單片機(jī)除上述主要功能外．它還可以利用軟件進(jìn)行運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理，對(duì)非線性傳感器進(jìn)行校正，或?qū)δ承┯幸?guī)律誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，這樣可充分發(fā)揮單片機(jī)的功能，井能提高測量的精度。

光纖遙測接收部分電路

經(jīng)光纖光電耦合器傳輸?shù)陌衙}沖由光敏三極管接收后變成電脈沖，經(jīng)施密特觸發(fā)器反相、整形后輸入編碼器，由譯碼器輸出的符號(hào)值及4位數(shù)據(jù)經(jīng)BCD碼——七段碼譯碼器譯碼后，與十進(jìn)制計(jì)數(shù)器配臺(tái)(位控)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示。小數(shù)點(diǎn)的顯示是固定的，可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)動(dòng)。

光纖遙測定義

在測量系統(tǒng)中，有時(shí)需要將測量參數(shù)傳到較遠(yuǎn)的地方，一般稱為遙測。例如，大型水壩的應(yīng)力狀態(tài)的測量．煉鐵高爐爐壁的溫度測量，大型自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)測量及核反應(yīng)區(qū)的有關(guān)參數(shù)測量等，被測地點(diǎn)與儀表室或控制室距離較遠(yuǎn)，需要進(jìn)行遙測。

遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)姆绞胶芏啵缟渚€、紅外線等無線傳輸及電纜有線傳輸?shù)取Ｆ渲?，利用光纖傳輸信息的遙測方式，稱為光纖遙測。

光纖遙測特點(diǎn)

采用電纜作信息傳輸是最簡單的方式，但信息在傳精過稠中有較大的摜耗，抗干擾性能差，重量大；采用無線方式，其信號(hào)轉(zhuǎn)換(調(diào)制、解調(diào))電路較復(fù)雜。采用紅外線傳輸時(shí)，則受氣候影響較大，而且距離較遠(yuǎn)時(shí)，需要較大的發(fā)射功率。而光纖光電耦合器雖然可以傳輸幾十米至數(shù)百米，但目前光纖成本較高，當(dāng)前更適甩于有強(qiáng)干擾、短距（幾十米）的場合，這樣可獲得極好的傳輸效果又比較經(jīng)濟(jì)。

新型光纖遙測利用光纖和紅外吸收技術(shù),實(shí)現(xiàn)了全光學(xué)、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測。由于在傳感器和連接傳感器及監(jiān)測中心的光纖中,既沒有高溫?zé)嵩匆矝]有電流流動(dòng),因而清除了爆炸的危險(xiǎn)和電磁干擾。且因基于紅外吸收原理,因而抗高濃度沖擊,也不受背景氣體的影響。

光纖遙測系統(tǒng)的組成

甲烷光纖遙測系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)可分為四個(gè)部分:1)光源,2)傳感器,3)檢測、控制與信號(hào)處理單元,4)光纖。

從光源中發(fā)出的光經(jīng)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)離光源的傳感器。在傳感器中,光吸收氣體后,又通過另一根光纖傳回,送到檢測、控制與信號(hào)處理單元進(jìn)行檢測。在這里,通過微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)換濾光片,在不需要將光分成兩束的情況下,用同一只IPN管探測器和同一套檢測電路,實(shí)現(xiàn)了時(shí)分復(fù)用雙波長檢測。

實(shí)際測量中,光源功率的波動(dòng)往往會(huì)對(duì)測量帶來很大影響,為了消除這個(gè)影響,同時(shí)監(jiān)測了反映光源發(fā)光功率大小的光源參比信號(hào)。利用光源參比信號(hào)不僅可有效地減小光源波動(dòng)對(duì)測量的影響,而且可以隨時(shí)檢測整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)耦合狀態(tài),以及光信號(hào)傳輸損耗的變化。

光纖遙測系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)

顯然,在此遙測系統(tǒng)中,光纖作為信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?為全光學(xué)遙測提供了可能,對(duì)于此強(qiáng)度型遙測系統(tǒng),光纖的色散不是主要問題,重要的是光纖的損耗必須低,耦合進(jìn)光纖的能量必須多。因此系統(tǒng)中采用的是芯徑為5μm,包層直徑為125μm的普通多模光纖。

光源是系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分,從提高系統(tǒng)檢測靈敏度和光源效率的角度考慮,波長在1.666μm的激光器和發(fā)光二極管是比較理想的光源。但普通光源卻具有成本低、易獲取的優(yōu)點(diǎn)。另外,利用普通光源具有很寬的輻射光譜的特點(diǎn),可以很方便地進(jìn)行雙波長檢測,推而廣之,還可進(jìn)行多組分氣體的遙測,系統(tǒng)所用的是普通的嗅鎢燈。

從實(shí)際使用和提高檢測靈敏度這兩個(gè)方面考慮,要求傳感器能在較小的空間內(nèi)提供很長的光程。另外,從減小插入損耗、增加遙測半徑的角度考慮,要求傳感器插入損耗小,而且易于同光纖相藕合。由于多次反射While腔不僅能在很小的空間內(nèi)提供很長的光程〕,而且對(duì)入射光具有自會(huì)聚性能,這種性能使得它易于同光纖相招合,所以設(shè)計(jì)了以While為吸收腔的氣體傳感器。擔(dān)任協(xié)Whiet腔和光纖藕合任務(wù)的是兩個(gè)GRIN棒透鏡。

檢側(cè)、控制與信號(hào)處理單元的中心是微型計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)雙波長檢測的方法很多,通過利用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)換濾光片,實(shí)現(xiàn)了時(shí)分復(fù)用雙波長檢測。這種不需將光分成兩束，不僅光路簡單,而且節(jié)省了光能,還利于增加遙測半徑。

如圖4所示，分包遙測基于星載計(jì)算機(jī)能力。由信源即用戶計(jì)算機(jī)將不同傳輸要求的遙測數(shù)據(jù)打包為不同的遙測源包。由中心計(jì)算機(jī)利用數(shù)據(jù)緩存建立多個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)虛擬信道和主信道實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制。用戶計(jì)算機(jī)完成包裝層功能。中心計(jì)算機(jī)完成分段層和傳輸層功能。

分包遙測基于星載計(jì)算機(jī)能力，由信源即用戶計(jì)算機(jī)將不同傳輸要求的遙測數(shù)據(jù)打包為不同的遙測源包。由中心計(jì)算機(jī)利用數(shù)據(jù)緩存建立多個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)虛擬信道和主信道實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制。用戶計(jì)算機(jī)完成包裝層功能，中心計(jì)算機(jī)完成分段層和傳輸層功能。

與PCM相比，分包遙測能更好適應(yīng)具有長度、速率，信宿、優(yōu)先級(jí)不同的多信源的飛行任務(wù)。但從工程實(shí)際來看，航天器信源的動(dòng)態(tài)性僅僅存在于設(shè)計(jì)過程，在軌運(yùn)行的是強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)．各用戶應(yīng)用均按照約定的時(shí)序或者協(xié)議運(yùn)行．遙測周期基本是固定的。動(dòng)態(tài)性主要是在異?；蛘吖收锨闆rF．由地面或者自主計(jì)算機(jī)主動(dòng)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令來獲取特殊的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

遙測計(jì)壓差遙測計(jì)

該遙測計(jì)用來在地面上遙測井下的風(fēng)流壓差。所謂風(fēng)流壓差包括風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的壓差,一個(gè)網(wǎng)絡(luò)支路兩端的壓差,為測風(fēng)量使用的減壓器件,如皮托管、錐形噴咀等所產(chǎn)生的壓差該礦使用的是哈特曼一布勞恩二氏壓差遙測計(jì),這種裝置具有對(duì)稱振子的特性,它的特性曲線只是所測壓差乙p的函數(shù)。有一個(gè)”伏的外接電源,給對(duì)稱振子供電。在靜止?fàn)顟B(tài)下,對(duì)稱振子的電流耗量約4毫安。這樣小的電流就足夠振蕩器了工作用的了。振蕩器J將電流輸給差動(dòng)變壓器。所測的壓差乙尸轉(zhuǎn)變?yōu)椴顒?dòng)變壓器2鐵芯的位移,然后再變?yōu)殡娦盘?hào)K:刁p。最后,由調(diào)零電位器,往電信號(hào)K,乙P上加一個(gè)指示零位的常數(shù)c,輸往第二級(jí),作為第二級(jí)輸入信號(hào)。差動(dòng)放大器了的第二級(jí)輸入信號(hào),是一個(gè)與第一級(jí)輸入信號(hào)和位相反的電壓,并由和對(duì)稱振子系統(tǒng)串聯(lián)的電阻輸出。這個(gè)電子放大回路非常接近于對(duì)稱振子的特性曲線,函數(shù)關(guān)系式K,乙尸十c一KZI。電源回路中有電流I,則可從與對(duì)稱振子串聯(lián)的電阻器R的兩個(gè)端子,取出測量信號(hào)(2、10伏)

遙測計(jì)濕度遙測計(jì)

濕度遙測計(jì)為了測量井下的氣象條件,該礦創(chuàng)制了一種由原始型式改進(jìn)的干濕球濕度遙測計(jì)。在這種濕度遙測計(jì)中,由熱敏電阻構(gòu)成干球溫度和濕球溫度的指示器。這些指示器裝在一個(gè)薄塑料套中,以防受到外界影響濕度遙測計(jì)的電子部分包括:(I)一毫安恒定電流發(fā)生器:借助它可根據(jù)探頭的電壓變化而測出探頭電阻的變化。_(2)放大器和調(diào)零系統(tǒng):用這個(gè)調(diào)零系統(tǒng),可以將溫度自由地選調(diào)在量程的兩個(gè)極值(一般為20℃和40℃)之一上。(了)輸出級(jí):它將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)從。至1毫安變化的連續(xù)電流。(這個(gè)電流經(jīng)過一個(gè)加千歐的電阻,并且產(chǎn)生遙測系統(tǒng)輸入端所要求的O~10伏電流)。(4)校準(zhǔn)裝置:借助這個(gè)裝置,探頭被兩個(gè)固定電阻替換。這兩個(gè)固定電阻的值等于探頭在兩個(gè)已知溫度時(shí)的相應(yīng)電阻值。進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),將輸出信號(hào)調(diào)到與這兩個(gè)已知溫度相應(yīng)的信號(hào)值上,而不考慮環(huán)境溫度的修正該濕度遙測計(jì)的樣機(jī)是十分令人滿意的.它的記錄曲線表明,其精確度很高,誤差范圍一般不超過0.2℃

PCM系統(tǒng)原理如圖3所示。

國內(nèi)航天器實(shí)時(shí)遙測系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PCM體制，即時(shí)分輪巡采集和脈沖編碼調(diào)制體制，缺點(diǎn)主要為遙測幀格式預(yù)先設(shè)計(jì)。格式種類有限．難以適應(yīng)衛(wèi)星在軌運(yùn)行的動(dòng)態(tài)變化，特別是故障情況。另一個(gè)主要缺點(diǎn)是不同衛(wèi)星平臺(tái)的遙測幀格式難以統(tǒng)一，這影響行在設(shè)備的通用化。

航天器星載PCM遙測系統(tǒng)主要由模擬量信號(hào)采集多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字綜合、副載波調(diào)制、射頻調(diào)制和發(fā)射天線功能模塊組成。PCM遙測常用主副幀格式和浮動(dòng)格式，在主副幀格式中以固定周期傳送固定長度的皇幀，通過倍采樣傳送變化頻率更快的數(shù)據(jù)，通過輪巡實(shí)現(xiàn)復(fù)用來傳送變化速率更慢的數(shù)據(jù)。浮動(dòng)格式僅僅是在豐副幀格式的基礎(chǔ)上劃出一些數(shù)據(jù)區(qū)用于存放格式浮動(dòng)變化的數(shù)字量遙測。

由于幀格式有限、缺少優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制和分層策略。PCM有以下缺點(diǎn)：

(1)難以適應(yīng)在軌運(yùn)行的動(dòng)態(tài)情況}

(2)難以有效利用信道帶寬；

(3)難以實(shí)現(xiàn)星載遙測設(shè)備軟硬件的通用化；

(4)難以適應(yīng)多各不同速率的信源；

(5)難以減小遙測數(shù)據(jù)的信息冗余度。