CN101893491B - 一种智能型分布式光纤温度传感系统及其工作方法 - Google Patents
一种智能型分布式光纤温度传感系统及其工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种智能型分布式光纤温度传感系统，其包括如下子系统：电源子系统、光源子系统、光学子系统、接收子系统、输入输出子系统、通道切换子系统、系统信息收集及分发子系统、数据采集子系统和数据处理及控制子系统。本系统的各子系统将各自的工作状态传输到数据处理及控制子系统，数据处理及控制子系统综合分析各种数据，向相应的子系统发出查询、参数调整或者控制指令，其所有子系统形成一个有机统一的整体，实现所谓智能型的分布式光纤温度传感系统。
Description
技术领域
本发明属于智能控制技术领域，涉及光纤传感技术，尤其涉及智能型分布式光纤温度传感系统及其工作方法。
背景技术
分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤光缆作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的光时域反射(Optical Time-domain Reflectormetry，OTDR)技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量，是一种能够实现对大长度、大面积区域进行实时监测的系统。
分布式光纤温度传感系统主要工作流程如下，大功率窄脉冲脉冲激光在光纤中传输时产生背向拉曼散射(包括斯托克斯和反斯托克斯等)，然后对散射光信号进行光电转换、信号放大及信号调理等处理，处理完的模拟信号经过数据采集，由系统软件进行进一步的数据处理和温度解调，然后根据解调结果和参数设置进行报警输出及相关输出。
分布式光纤温度传感(DTS)系统是一种集光学、光纤技术、电子电路技术(模拟、数字)及计算机等技术于一体的高新技术产品。其一般包括光源模块、接收模块、无源光学模块、电源模块、通道切换模块、报警输出模块、数据采集模块及计算处理模块等。
各模块具体功能如下：
2、电源模块：主要负责整个系统电源供应，能够在指定的输入电压波动范围内稳定电压输出；
3、光源子模块：产生大功率窄脉宽的光脉冲，同时产生符合要求的同步脉冲；
4、接收子模块：用于接收散射光信号，进行光电转换、信号放大及光电调理等。为了提高信号信噪比，需要在这一部分对输入光源作进一步处理，降低电源噪声；
5、无源光学模块：包括WDM(或者耦合器、滤波器模块)、传感光缆等。其主要功能包括将光脉冲耦合进传感光缆和接收并分离出背向散射信号；
6、通道切换模块：用于多通道DTS系统中，可以根据指令在不同通道间进行切换；
7、报警输出模块：按照指令及系统配置，进行报警信号的输出；
8、数据采集模块：采集接收模块输出的模拟数据，并对数据作简单的预处理；
9、计算处理模块：为DTS主控制、处理模块。对采集信号进行数据处理、温度解调等相关操作，并根据结果及系统配置，向报警模块发出报警指令；根据系统配置进行通道切换和通道巡检；接收管理人员的配置；接收远程控制节点的通讯、控制请求等。
如图1所示，其具体工作流程如下：
1、DTS上电启动，电源模块将输入电源转化为各模块所需电源；DTS各模块完成上电过程，开始正常工作，比如光源模块按照预先设计的功率、脉宽及重复频率发射光脉冲；
2、计算处理、控制模块完成初始化，加载系统配置；
3、根据系统配置启动采集模块，进行数据采集，并作相应的预处理；
4、计算处理模块对接收数据进行一系列处理，最终获得沿传感光缆的温度分布。
5、报警输出模块接收系统指令发出报警信号；
6、通道切换模块按照系统指令执行通道切换或者保持当前通道；
7、接收远程控制节点及系统输入部分的通讯、控制请求，并作相应处理；
重复3、4、5、6、7步骤，在接受到退出指令后，关闭DTS系统。
如上面所述，传统DTS系统各部分独立工作，信息流从一个模块顺序过度到下一个模块，DTS系统能否正常稳定工作完全取决于DTS所有功能模块都能够保持出厂前的状态，而当其中的一个部分状态发生比较大的改变时，系统通常不能够实时获取相关信息并进行参数调整。
鉴于此，本发明设计了一种智能型的DTS系统，其在传统DTS系统基础上，通过DTS各子系统与DTS主控计算机子系统之间的数据信息流，建立一种各子系统有机统一的DTS系统。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种智能型分布式光纤温度传感系统及其工作方法，赋予DTS子系统信息处理、诊断及通讯的能力，使其所有子系统形成一个有机统一的整体，实现所谓智能型的分布式光纤温度传感系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种智能型分布式光纤温度传感系统，其包括如下子系统：电源子系统、光源子系统、光学子系统、接收子系统、输入输出子系统、通道切换子系统、系统信息收集及分发子系统、数据采集子系统和数据处理及控制子系统；
所述电源子系统分别与光源子系统、接收子系统、输入输出子系统、通道切换子系统、系统信息收集及分发子系统相连，用以向所述光源子系统、接收子系统、输入输出子系统、通道切换子系统、系统信息收集及分发子系统提供所需电源；
所述光源子系统与光学子系统相连，用以产生光脉冲，并使光脉冲进入所述光学子系统中传输；
所述光学子系统与接收子系统相连，所述光学子系统用于将光脉冲耦合进传感光缆，分离出背向散射光信号，并将该散射光信号传输至接收子系统；
所述接收子系统与数据采集子系统相连，所述接收子系统用于接收散射光信号，进行光电转换，将转换得到的带有温度信息的电信号发送至数据采集子系统；
所述数据采集子系统与数据处理及控制子系统相连，所述数据采集子系统用于采集所述带有温度信息的电信号的数据，对该数据作预处理，并将预处理后的带有温度信息的数据发送至所述数据处理及控制子系统；
其中，所述电源子系统还包括电源管理MCU，用于实时监控电源状态，一方面按需上传电源的状态信息，另一方面接收电源控制命令；
所述光源子系统还包括光源管理MCU，用于实时监控光源状态，一方面按需上传光源的状态信息，另一方面接收调整、控制命令和配置信息；
所述接收子系统还包括接收管理MCU，用于实时监控接收状态，一方面按需上传接收子系统的状态信息，另一方面接收调整、控制命令和配置信息；
所述系统信息收集及分发子系统分别与所述电源管理MCU、光源管理MCU、接收管理MCU，以及输入输出子系统和通道切换子系统相连，用于收集所述电源管理MCU、光源管理MCU、接收管理MCU、输入输出子系统和通道切换子系统上传的状态信息，并向它们分发调整、控制命令和配置信息；
所述系统信息收集及分发子系统还与所述数据采集子系统相连，通过数据采集子系统与所述数据处理及控制子系统进行通信；所述数据处理及控制子系统对所述数据采集子系统采集到的带有温度信息的数据进行温度解调、处理分析，并对所述系统信息收集及分发子系统上传的状态信息进行数据处理分析，然后生成相应地调整、控制命令和配置信息，并将其发送给所述系统信息收集及分发子系统进行分发；
所述输入输出子系统按照接收到的调整、控制命令和配置信息输出报警信号；
所述通道切换子系统按照接收到的控制命令进行通道切换。
进一步地，所述智能型分布式光纤温度传感系统还包括环境参数子系统，其与所述系统信息收集及分发子系统相连，用于实时监控系统的环境状态，获取环境参数，并将该环境参数上传至所述系统信息收集及分发子系统。
进一步地，所述环境参数包括：环境温度、湿度及各子系统内部的温度、湿度。
进一步地，所述电源子系统与所述环境参数子系统相连，为其提供所需电源。
进一步地，所述系统信息收集及分发子系统与所述数据采集子系统通过自定义局部总线相连。
进一步地，所述数据采集子系统与所述数据处理及控制子系统通过标准总线相连。
进一步地，所述输入输出子系统包括多路输入输出接口。
进一步地，所述输入输出子系统包括扩展接口。
上述智能型分布式光纤温度传感系统的工作方法，其包括以下步骤：
(1)智能型分布式光纤温度传感系统上电启动，电源子系统将输入电源转化为各子系统所需电源为各相应的子系统供电，各子系统进入待机状态；
(2)数据处理及控制子系统读取各子系统的状态信息，即系统信息收集及分发子系统收集与之相连的各子系统的状态信息，并通过数据采集子系统与所述数据处理及控制子系统进行通信，将所述状态信息上传给所述数据处理及控制子系统；
(3)所述数据处理及控制子系统对所述状态信息进行数据处理分析，然后生成相应地调整、控制命令和配置信息，并发送给所述系统信息收集及分发子系统，所述系统信息收集及分发子系统将其分发给各相应的子系统；
(4)各子系统根据接收到的调整、控制命令和配置信息启动相应操作；
(5)所述数据处理及控制子系统对所述数据采集子系统采集到的带有温度信息的数据进行温度解调、处理分析，并输出处理结果。
本发明在智能型DTS系统中引入系统信息收集及分发子系统，该子系统一方面收集DTS各子系统的数据，通过采集子系统数据总线上传到数据处理及控制子系统，即主控计算机；另一方面，接收数据处理及控制子系统通过采集子系统数据总线发出的指令和配置信息，并将这些信息分配到其他子系统。
在现有的光源子系统、电源子系统、接收子系统中引入微控制单元(MCU)及其配套芯片，并通过系统信息收集及分发子系统与主控计算机互联，从而达到子系统在主控计算机整体监控的基础上实现自动监控、自动调节的能力。
在智能型DTS系统中引入环境参数子系统，该子系统通过将环境温度、湿度以及各子系统内部温度、湿度等信息收集打包发送到系统信息收集及分发子系统，并最终上传到主控计算机以供参考和应用。
综上所述，本发明的有益效果在于：其各子系统将各自的工作状态传输到数据处理及控制子系统，内嵌于数据处理及控制子系统的系统软件综合分析各种数据，向相应的子系统发出查询、参数调整或者控制指令。这使智能型DTS系统能够根据环境参数及各子系统的工作状态，实现系统工作状态的自动调整，从而保证系统总是工作在最佳状态上，一方面提高了系统寿命，一方面实现了系统在既定参数指标下长期稳定运行。
附图说明
图1为传统DTS系统正常运行流程图；
图2为本发明系统的组成示意图；
图3为实施例中本发明系统的正常运行流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例：
请参看图1，一种智能型分布式光纤温度传感系统，其包括如下子系统：电源子系统1、光源子系统2、光学子系统3、接收子系统4、输入输出子系统5、通道切换子系统6、系统信息收集及分发子系统8、数据采集子系统9和数据处理及控制子系统10。
所述电源子系统1分别与光源子系统2、接收子系统4、输入输出子系统5、通道切换子系统6、系统信息收集及分发子系统8相连，用以向所述光源子系统2、接收子系统4、输入输出子系统5、通道切换子系统6、系统信息收集及分发子系统8提供所需电源。其主要负责整个系统电源供应，能够在指定的输入电压波动范围内稳定电压输出。
所述光源子系统2与光学子系统3相连，用以产生光脉冲，并使光脉冲进入所述光学子系统3中传输；所述光源子系统2可以产生大功率窄脉宽的光脉冲，同时产生符合要求的同步脉冲。
所述光学子系统3与接收子系统4相连，所述光学子系统3用于将光脉冲耦合进传感光缆，分离出背向散射光信号，并将该散射光信号传输至接收子系统4；所述接收子系统4与数据采集子系统9相连，所述接收子系统4用于接收散射光信号，进行光电转换，将转换得到的带有温度信息的电信号发送至数据采集子系统9；所述数据采集子系统9与数据处理及控制子系统10相连，所述数据采集子系统9用于采集所述带有温度信息的电信号的数据，对该数据作预处理，并将预处理后的带有温度信息的数据发送至所述数据处理及控制子系统10。
其中，所述电源子系统1还包括电源管理MCU(MCU即Microcontroller Unit的缩写，是指微控制单元)11，用于实时监控电源状态，一方面按需上传电源的状态信息，另一方面接收电源控制命令。
所述光源子系统2还包括光源管理MCU21，用于实时监控光源状态，一方面按需上传光源的状态信息，另一方面接收调整、控制命令和配置信息；这使DTS系统可以按需获取光源工作参数和工作状态，并能够对工作参数进行必要的调整。
所述接收子系统4还包括接收管理MCU41，用于实时监控接收状态，一方面按需上传接收子系统的状态信息，另一方面接收调整、控制命令和配置信息；所述接收管理MCU41可以根据子系统温度数据和本地配置数据或从数据处理及控制子系统10下载的配置数据进行APD高压偏置及VGA增益的调整；接收管理MCU41还可以上传当前APD高压偏置、VGA增益配置信息及子系统温度、状态信息。
所述系统信息收集及分发子系统8分别与所述电源管理MCU11、光源管理MCU21、接收管理MCU41，以及输入输出子系统5和通道切换子系统6相连，用于收集所述电源管理MCU11、光源管理MCU21、接收管理MCU41、输入输出子系统5和通道切换子系统6上传的状态信息，并向它们分发调整、控制命令和配置信息；所述系统信息收集及分发子系统8还与所述数据采集子系统9相连，通过数据采集子系统9与所述数据处理及控制子系统10进行通信；所述系统信息收集及分发子系统8作为DTS系统信息集散中心，是数据处理及控制子系统10与系统其他各子系统联系的纽带。
所述数据处理及控制子系统10在计算处理模块基础上，增加综合数据融合及处理功能，其对所述数据采集子系统9采集到的带有温度信息的数据进行温度解调、处理分析，并对所述系统信息收集及分发子系统8上传的状态信息进行数据处理分析，然后生成相应地调整、控制命令和配置信息，并将其发送给所述系统信息收集及分发子系统8进行分发。进一步地，所述数据处理及控制子系统10包括计算机。所述系统信息收集及分发子系统8与所述数据采集子系统9通过自定义局部总线相连。所述数据采集子系统9与所述数据处理及控制子系统10通过标准总线相连。
所述输入输出子系统5按照接收到的调整、控制命令和配置信息输出报警信号；进一步地，所述输入输出子系统5包括多路输入输出接口及扩展接口，使其在传统的报警输出模块基础上，可以增加一些其他输入输出功能。
所述通道切换子系统6按照接收到的控制命令进行通道切换。
进一步地，所述智能型分布式光纤温度传感系统还包括环境参数子系统7，其与所述系统信息收集及分发子系统8相连，用于实时监控系统的环境状态，获取环境参数，并将该环境参数上传至所述系统信息收集及分发子系统8。所述环境参数包括：环境温度、湿度及各子系统内部的温度、湿度。所述电源子系统1与所述环境参数子系统7相连，为其提供所需电源。
上述智能型分布式光纤温度传感系统的工作方法，其包括以下步骤：
(1)智能型分布式光纤温度传感系统上电启动，电源子系统1将输入电源转化为各子系统所需电源为各相应的子系统供电，各子系统进入待机状态；
(2)数据处理及控制子系统10读取各子系统的状态信息，即系统信息收集及分发子系统8收集与之相连的各子系统的状态信息，并通过数据采集子系统9与所述数据处理及控制子系统10进行通信，将所述状态信息上传给所述数据处理及控制子系统10；
(3)所述数据处理及控制子系统10对所述状态信息进行数据处理分析，然后生成相应地调整、控制命令和配置信息，并发送给所述系统信息收集及分发子系统8，所述系统信息收集及分发子系统8将其分发给各相应的子系统；
(4)各子系统根据接收到的调整、控制命令和配置信息启动相应操作；
(5)所述数据处理及控制子系统10对所述数据采集子系统9采集到的带有温度信息的数据进行温度解调、处理分析，并输出处理结果。
下面就各子系统的输入输出接口作简单的描述：
电源子系统的接口包括：电源输入、电源输出、数据通讯；
光源子系统的接口包括：电源输入、光输出、同步信号、数据通讯；
接收子系统的接口包括：电源输入、光输入(两路)、信号输出(两路)、数据通讯；
光学子系统的接口包括：光输入、光输出(三路)；
通道切换子系统的接口包括：电源输入、光输入、光输出(多路)、数据通讯：
输入输出子系统的接口包括：电源输入、多路输入输出接口、扩展接口、数据通讯；
数据采集子系统的接口包括：散射信号输入(两路)、标准总线(如PCI、ISA等)、自定义局部总线、GPIO接口；GPIO(General Purpose I/O)是指通用型的输入/输出的简称。
环境参数子系统的接口包括：电源输入、数据通讯；
系统信息收集及分发子系统的接口包括：电源输入、信号复用输入、自定义局部总线。
在实现上述各子系统功能、接口之后，通过运行于数据处理及控制子系统中的系统软件就可以实现DTS系统的智能化运行。具体工作流程如下；
1、DTS上电启动，电源子系统1将输入电源转化为各子系统所需电源；各子系统除了数据处理及控制子系统10进入待机状态。
2、系统软件启动并进行初始化、加载系统配置文件，发出子系统初始化命令，读取各子系统状态信息，根据状态信息判断系统流程；
3、定时进行系统电源诊断；
4、启动系统运行，进行数据采集，根据采集数据及系统配置判断系统工作状态，如果采集数据出现偏差，则将偏差信息转化为相应的配置信息发送到光源子系统2或者接收子系统4，否则，进行正常的数据处理和温度解调；
5、光源子系统2或者接收子系统4则根据工作温度和配置信息对工作参数作相应调整；
6、通道切换、根据温度数据及系统配置信息进行报警判断等常规操作；
7、接收远程控制节点及系统输入部分的通讯、控制请求，并作相应处理；
重复3、4、5、6、7步骤，在接受到退出指令后，关闭DTS系统。
本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
Claims (9)
1.一种智能型分布式光纤温度传感系统，其特征在于，其包括如下子系统：电源子系统（1）、光源子系统（2）、光学子系统（3）、接收子系统（4）、输入输出子系统（5）、通道切换子系统（6）、系统信息收集及分发子系统（8）、数据采集子系统（9）和数据处理及控制子系统（10）；
所述电源子系统（1）分别与光源子系统（2）、接收子系统（4）、输入输出子系统（5）、通道切换子系统（6）、系统信息收集及分发子系统（8）相连，用以向所述光源子系统（2）、接收子系统（4）、输入输出子系统（5）、通道切换子系统（6）、系统信息收集及分发子系统（8）提供所需电源；
所述光源子系统（2）与光学子系统（3）相连，用以产生光脉冲，并使光脉冲进入所述光学子系统（3）中传输；
所述光学子系统（3）与接收子系统（4）相连，所述光学子系统（3）用于将光脉冲耦合进传感光缆，分离出背向散射光信号，并将该散射光信号传输至接收子系统（4）；
所述接收子系统（4）与数据采集子系统（9）相连，所述接收子系统（4）用于接收散射光信号，进行光电转换，将转换得到的带有温度信息的电信号发送至数据采集子系统（9）；
所述数据采集子系统（9）与数据处理及控制子系统（10）相连，所述数据采集子系统（9）用于采集所述带有温度信息的电信号的数据，对该数据作预处理，并将预处理后的带有温度信息的数据发送至所述数据处理及控制子系统（10）；
所述电源子系统（1）还包括电源管理MCU，用于实时监控电源状态，一方面按需上传电源的状态信息，另一方面接收电源控制命令；
所述光源子系统（2）还包括光源管理MCU，用于实时监控光源状态，一方面按需上传光源的状态信息，另一方面接收调整、控制命令和配置信息；
所述接收子系统（4）还包括接收管理MCU，用于实时监控接收状态，一方面按需上传接收子系统的状态信息，另一方面接收调整、控制命令和配置信息；
所述系统信息收集及分发子系统（8）分别与所述电源管理MCU、光源管理MCU、接收管理MCU，以及输入输出子系统（5）和通道切换子系统（6）相连，用于收集所述电源管理MCU、光源管理MCU、接收管理MCU、输入输出子系统（5）和通道切换子系统（6）上传的状态信息，并向它们分发调整、控制命令和配置信息；
所述系统信息收集及分发子系统（8）还与所述数据采集子系统（9）相连，通过数据采集子系统（9）与所述数据处理及控制子系统（10）进行通信；
所述数据处理及控制子系统（10）对所述数据采集子系统（9）采集到的带有温度信息的数据进行温度解调、处理分析，并对所述系统信息收集及分发子系统（8）上传的状态信息进行数据处理分析，然后生成相应地调整、控制命令和配置信息，并将其发送给所述系统信息收集及分发子系统（8）进行分发；
所述输入输出子系统（5）按照接收到的调整、控制命令和配置信息输出报警信号；
所述通道切换子系统（6）按照接收到的控制命令进行通道切换。
2.根据权利要求1所述的一种智能型分布式光纤温度传感系统，其特征在于:还包括环境参数子系统（7），其与所述系统信息收集及分发子系统（8）相连，用于实时监控系统的环境状态，获取环境参数，并将该环境参数上传至所述系统信息收集及分发子系统（8）。
3.根据权利要求2所述的一种智能型分布式光纤温度传感系统，其特征在于:所述环境参数包括：环境温度、湿度及各子系统内部的温度、湿度。
4.根据权利要求2所述的一种智能型分布式光纤温度传感系统，其特征在于:所述电源子系统（1）与所述环境参数子系统（7）相连，为其提供所需电源。
5.根据权利要求1所述的一种智能型分布式光纤温度传感系统，其特征在于:所述系统信息收集及分发子系统（8）与所述数据采集子系统（9）通过自定义局部总线相连。
6.根据权利要求1所述的一种智能型分布式光纤温度传感系统，其特征在于:所述数据采集子系统（9）与所述数据处理及控制子系统（10）通过标准总线相连。
7.根据权利要求1所述的一种智能型分布式光纤温度传感系统，其特征在于:所述输入输出子系统（5）包括多路输入输出接口。
8.根据权利要求1所述的一种智能型分布式光纤温度传感系统，其特征在于:所述输入输出子系统（5）包括扩展接口。
9.一种根据权利要求1或2所述的智能型分布式光纤温度传感系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤:
（1）智能型分布式光纤温度传感系统上电启动，电源子系统（1）将输入电源转化为各子系统所需电源为各相应的子系统供电，各子系统进入待机状态；
（2）数据处理及控制子系统（10）读取各子系统的状态信息，即系统信息收集及分发子系统（8）收集与之相连的各子系统的状态信息，并通过数据采集子系统（9）与所述数据处理及控制子系统（10）进行通信，将所述状态信息上传给所述数据处理及控制子系统（10）；
（3）所述数据处理及控制子系统（10）对所述状态信息进行数据处理分析，然后生成相应地调整、控制命令和配置信息，并发送给所述系统信息收集及分发子系统（8），所述系统信息收集及分发子系统（8）将其分发给各相应的子系统；
（4）各子系统根据接收到的调整、控制命令和配置信息启动相应操作；
（5）所述数据处理及控制子系统（10）对所述数据采集子系统（9）采集到的带有温度信息的数据进行温度解调、处理分析，并输出处理结果。
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