CN101943615B - 基于拉曼光反射的测温方法 - Google Patents

基于拉曼光反射的测温方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于拉曼光反射的测温装置及方法,该方法由激光器向光纤注入脉冲激光,经光纤反射后的反射光隔离滤波后得到斯托克斯和反斯托克斯光,两束光经光电转换及放大后,进入模数转换模块进行采样;采样后的数据送入FPGA进行实时累加滤波,滤波后的电信号进入嵌入式处理器;嵌入式处理器将接收到的电信号与电子式测温传感器输入的电信号进行比较,得到反射光处的温度;由4个电子感温传感器的位置及温度值对温度解调公式进行参数自适应优化。本装置的特点是滤波等信号处理的速度极快,温度失真小,系统对环境具有自适应功能,提高了系统的可靠性。

Description

基于拉曼光反射的测温方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于拉曼光反射的测温装置及方法,主要用于长距离实时温度测量。
背景技术
[0002] 光纤技术是近20年来迅猛发展的新技术,分布式光纤传感技术是当前光纤在工业检测应用中的一个亮点,基于拉曼反射的温度检测,其反射回的拉曼光的幅度与外界温度的高低有较明显的关系。而某一温度下的位置信息则可由反射光的返回时间测得。这样, 通过连续采集反射光的幅度即可得到温度和位置信息。
[0003] 在基于拉曼后向时域反射光中,反斯托克斯(AN-STR0KES)和斯托克斯(STROKES) 光均与温度相关,其中反斯托克斯对温度尤其敏感。但一个共同特点是这些反射光的光强非常微弱,因此必须要对反射信号进行增强处理。常用的方法是多次累加平均以克服干扰, 通常累加次数要超过万次才能有较好的效果。
[0004] 要想得到长距离的有效信息,每次的采样点必须增加。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时,这个光脉冲会沿着光纤向前传播,在传播中的每一点都会产生反射,反射之中有一小部分的反射光的方向正好与入射光的方向相反(亦可称为“背向”)。这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度有一定的相关关系。光传播是需要时间的,这样通过记录接收到反射光的时刻就可估计出反射的来源位置。对于采样周期固定的数字采样来说,这个时间对应的就是采样点的点数。比如在拉曼检测系统中,STROKES和AN-STR0KES光非常微弱,采用100M采样,测量距离达到10km,每次采样要10000个点,一万次采样就是1 亿一个点。
[0005] 传统的做法是将采集到的信号送入微机或微处理器中进行累加处理,但由于传输以及运算速度的影响,必须要加入缓存,并且每批数据与下批数据必须留有足够的时间间隔。这样,如要进行万次平均,将要消耗很长时间,检测的实时性大打折扣。
[0006] 此外,拉曼分布式测温系统的定标通常是在使用前通过实验室中利用恒温槽进行定标,而在实际应用环境中,由于外界因素与定标时的环境因素可能会有较大差异,从而造成测量结果误差较大。
[0007] 公开号为CN 1444026A的中国专利“远程30公里分布光纤拉曼温度传感器系统”, 公开号为CN101162158A的中国专利“超远程分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器”,公开号为CN101162175A的中国专利“集成拉曼放大器的超远程分布式光纤拉曼光子温度传感器”,这三个专利采用的是高速采集卡进行采集,多次采集的数据必须先进行存储然后才能进行处理,速度慢,造成响应时间明显滞后,后期的算法主要依靠计算机来完成,不易于实现并行处理,灵活性差。
发明内容
[0008] 针对以前的分布式测温仪器体积较大,无法自适应定标,以及响应时间较慢等缺点,本发明提供测温装置省去恒温槽,微机箱,体积大幅度缩小的,通过在光纤始端附近附加的电子式温度传感器测得的温度作为参考,自动进行参数定标的,滤波信号处理速度快, 温度失真小的基于拉曼光反射的测温装置及方法。
[0009] 为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0010] 基于拉曼光反射的测温装置,它包括:
[0011] 嵌入式处理器,它控制激光发射装置,接收来自滤波装置输出的滤波信号;
[0012] 激光发射装置,它接受嵌入式处理器控制,输出激光到波分复用装置;
[0013] 波分复用装置,对光信号进行隔离与滤波,分离出stroke光及反stroke光;
[0014] 光电处理装置,将光信号转换为电信号;
[0015] 滤波处理装置,对电信号进行高速累加及平均滤波;
[0016] 电子测温模块,测定光纤始端的温度并用来标定;
[0017] 嵌入式处理器与激光发射装置输入端连接,激光发射装置输出端与波分复用装置输入端连接;波分复用装置与光纤双向通信;同时波分复用装置输出光信号经光电转换后进入滤波处理装置,滤波装置的输出端与嵌入式处理器的输入端连接。
[0018] 所述激光发射装置包括激光器驱动电路和激光器;激光器驱动电路分别与处理器和激光器连接;所述激光器与波分复用装置连接;激光器为中心波长1550nm的DFB激光器,峰值功率20W。
[0019] 所述嵌入式处理器为嵌入操作系统的处理芯片或DSP芯片或单片机;所述波分复用装置为光波分复用器,其输出中心波长分别为1450nm和1663nm,线宽为IOnm ;所述光电处理装置为雪崩光电二极管APD。
[0020] 所述滤波处理装置为现场可编程门阵列FPGA,FPGA包含两个累加器及两个RAM数据存储区块,其中累加器为32位。
[0021] 所述电子测温模块为四个电子式测温传感器,挂接在光纤的起始端,四个电子测温传感器间相隔指定距离。
[0022] 基于拉曼光反射的测温方法,它包括如下步骤:
[0023] Stepl :由嵌入式处理器输出脉冲信号至激光器驱动电路;
[0024] Step2 :激光器驱动电路产生窄脉冲电流信号驱动激光器;
[0025] St印3 :激光器通过光波复用器向光纤注入脉冲激光,经光纤反射后的反射光经光波分复用器滤波,得到斯托克斯和反斯托克斯光;
[0026] Step4 :斯托克斯和反斯托克斯光分别经光电转换及放大后,分别进入高速模数转换模块进行采样;
[0027] 乂印5:采样后的数据分别送入FPGA进行实时累加滤波,滤波后的电流信号分别进入嵌入式处理器;
[0028] 乂印6:嵌入式处理器利用接收到的两路电流信号及电子式测温传感器输入的温度值进行参数标定,根据参数的标定值求出光纤相应点的温度;
[0029] St印7 :对测得的光纤相应点的温度值进行误差修正。
[0030] 所述st印6中标定的过程如下:
[0031] 1)嵌入式处理器接收到的光纤某处的两路电流信号与该处的温度满足:
Figure CN101943615BD00061
光波长;h为普朗克常数;c为真空中的光速;k为玻尔兹曼常数;△ Y为偏移波数;T为光纤某处的温度;I1, I2分别为Anti-Stokes光和Stokes光对应的电流值,da,ds分别为 Anti-Stokes和Mokes光对应的直流偏置;
[0034] 2)设4个电子式测温传感器测量的温度分别为T1, T2,T3, T4,与电子式测温传感器同位置的光纤处的温度利用步骤1)中的公式得到,同时相应的得到下列方程组:
Figure CN101943615BD00062
(2)
[0036] 其中,I11, I21, I31, I41为Anti-Stokes光在与4个电子式测温传感器同位置的光纤处相对应的电流值;112,I22, 132,I42为Mokes光在与4个电子式测温传感器同位置的光纤处相对应的电流值;
[0037] 3)对步骤O)中方程组采用BR0YDEN迭代法求解,得到C1, c2,da,ds的标定值;
[0038] 4)将参数Cl,C2, da,ds的标定值及光纤某处所对应的I1, I2电流值代入步骤1)中的公式,得到光纤此处的温度值。
[0039] 所述st印7中温度进行误差修正的过程如下:
[0040] A.将4个电子式测温传感器的温度测量值分别记为T1, T2,T3, T4,与4个电子式测温传感器同位置的光纤处的温度分别为T1, T2,T3,T4,则均方误差ε可表示为:
[0041] ε = (T1-T' i)2+ (T2-T' 2)2+ (T3-T' 3)2+(T4_T' 4)2
[0042] B.当ε超过设定范围时,重新进行标定,并再次求出光纤某处的温度,实现温度修正。
[0043] 本发明的原理:由嵌入式控制器发出起始命令,并输出频率为IOKHZ的脉冲信号至激光器驱动电路,由激光器驱动电路将此波形进行整形,形成宽度为IOns的窄脉冲电流信号驱动DFB激光器。由激光器向光纤注入波长为1550nm的脉冲激光,经光纤反射回的光经WDM滤波(波分复用滤波)得到strokes (拉曼斯托克斯光)和a-strokes (拉曼反斯托克斯光),光送入雪崩式光电转换器(APD)将光强信号转换为相应的电流信号,再经跨阻放大器将电流转换为电压,然后两级宽带放大电路将该电压信号放大后送入高速AD中采样, 采样得到的数字化电压值数据送入FPGA,由FPGA进行实时累加滤波。将滤波后的信号与电子测温传感器输入到嵌入式处理器的温度信号进行标定,确定反射光处的温度。
[0044] 本发明的有益效果:本发明中利用4个电子式传感器检测到的温度值作为参考,采用基于最小均方误差准则算法对温度进行实时矫正,对温度自动标定。本发明充分利用了 FPGA的高速性与并行特性,在数据采集的同时计算数据的累加和存储,完成几万次的累加与存储与采集得到这些数据的时间是同步的,不会另外消耗时间,每批数据间无需留有时间间隔,大大缩短了运算时间,满足了检测的实时性要求。
附图说明
[0045] 图1本发明的装置示意图;
[0046] 图2本发明的系统工作流程图;
[0047] 图3电子式温度传感器布置图;
[0048] 图4FPGA中的功能模块;
[0049] 图5放大电路图;
[0050] 图6FPGA流水线设计示意图;
[0051] 图7AD采样芯片与FPGA的连接电路图;
[0052] 其中,1激光器,2激光器驱动电路,3人机接口模块,4通信接口,5电子式测温传感器,6波分复用器,7嵌入式处理器,8测温光纤,9APD,10宽带放大电路,11高速AD,12FPGA。
具体实施方式
[0053] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明:
[0054] 如图1所示,一种基于拉曼光反射的测温装置,它包括嵌入式处理器7,嵌入式处理器7与激光器驱动电路2输入端连接,激光器驱动电路2与激光器1连接;激光器1与波分复用器(WDM)6连接。WDM与测温光纤8双向通信;同时WDM输出光信号经光电转换后进入FPGA12进行滤波处理。
[0055] 本发明中激光器1选用中心波长1550nm的DFB激光器,峰值功率为20W ;为了得到足够的空间分辨率,采用IOns的激光器驱动电路2为作为激光器的驱动电流,以得到宽度为IOns的脉冲激光。驱动电路周期性的产生宽度为IOns的脉冲电流,该脉冲出现的周期由嵌入式处理器7控制。
[0056] 本发明中的嵌入式处理器7可为可嵌入操作系统的处理芯片,也可为DSP芯片或单片机,由该处理器产生触发激光器驱动电路2的周期脉冲,其频率即为驱动电路输出脉冲的频率。
[0057] 人机接口模块3可由按键、液晶显示器或触摸屏等组成,主要实现人工与设备的信息交流。
[0058] 通信接口模块4提供本装置与其它设备如计算机,公用网络,外接存储设备等的接口,可为USB,RS232,485,以太网接口和CAN总线接口中的一种或几种的组合。
[0059] 电子测温模块由四个电子式测温传感器5组成,挂接在离光纤起始端很近的位置,各个电子式测温传感器的间距一般选择10米,离光纤起始点最近的传感器,其距起始端的距离在0〜5米内,如图3所示,本装置位于铝合金机箱内,铝合金机箱用于屏蔽外界干扰。每个电子式测温传感器可对外界温度进行感应,将其变为相应的电信号,如电压或电流,并且具有较高的精度和分辨率,用以替代传统分布式测温中的恒温槽。
[0060] 波分复用器(WDM)6采用光纤融合拉锥技术制造,其输出中心波长分别为1450nm
7和1663nm,线宽为lOnm,其作用有两个,第一是将入射光和反射光进行隔离,第二是将反射光进行滤波获得所需波长的光信号。本发明中用到的WDM有四个连接端子,分别是入光端, 激光器输出端通过它与光纤相连;一个公共端,与测温光纤相连;两个出光端,分别输出中心波长为1663和1450的反射光。
[0061] APD 9是高速宽带雪崩光电二极管,其作用是将光强信号转换为相应的电信号, 雪崩光电二极管(APD)具有高增益、高灵敏度和响应速度快的特点,因而成为空间激光通信中的首选信号探测器件。APD 9的输出信号进入宽带放大电路10,由两级运放组成的宽带高倍放大电路将APD输出的信号,放大为O〜5v的电压信号,其中两级放大电路选用 MAX4305高速放大器芯片,其电路如图5。图5中雪崩二极管Dl将光信号转换为电流信号, 在放大器第6脚输出电压信号,经U2,U3两级宽带放大得到O〜5v的电压信号。
[0062] 高速AD与滤波模块中AD的各种时钟和控制信号均由FPGA芯片来产生。高速AD 11采样芯片与FPGA12的连接电路如图7所示,高速累加平均滤波均由FPGA 12来实现,其中TH4513主要起阻抗匹配的作用。如图4所示,FPGA 12包含两个累加器及两个RAM数据存储区块,其中累加器为32位,这样,对于16位的无符号AD转换数据来说,可累加6万多次,而一般的50M以上的AD采样器位数不多于12,因而一般来说可做到50万次累加。
[0063] FPGA 12采用流水线设计,重采样到存储数据须两个时钟周期的延迟,实现过程如下:第一个周期:AD数据此时已经稳定出现在累加器的数据线上,锁存器数据到达输出端; 累加器执行累加操作,同时存储器将累加器的累加结果写入存储器,如图6所示;同时取指针从下一个地址取出数据送到锁存器输入端,第二个周期:累加器执行累加操作,并将结果写入到对应存储器;同时存储器取数地址指针加1 ;将数据送到锁存器输入端;写存储器指针加1。
[0064] 为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响,提高测温准确度, 在系统设计中,采用双通道双波长比较的方法,即对Anti-Stokes光和Mokes光分别进行采集,利用两者强度的比值解调温度信号。由于Anti-Stokes光对温度更为灵敏,因此将 Anti-Stokes光作为信号通道,Mokes光作为比较通道,则两者之间的强度比与外界温度的关系R(T)可由式(1)表达:
[0065]
Figure CN101943615BD00081
[0066] 式中,Ia,Is分别是Anti-Stokes光和Mokes光经光电探测器得到的理想电流值; XS,K分别为Stokes和Anti-StOkes光波长;h为普朗克常数;c为真空中的光速;k为玻尔兹曼常数;Δ γ为偏移波数;T为绝对温度。(1)式可改写为
Figure CN101943615BD00082
[0068] 通过公式(2)可以看出,温度并不与光强比值成正比,而是温度的倒数与光强比值近似于一种对数曲线关系。这就会给测量标定带来困难。
[0069] 实际Ia,Is无法精确得到,由于存在直流偏置干扰以及比例放大,因此只能得到近似电流Iaba+da,Isbs+ds,ba,bs为系统对电流总的放大倍数,即跨阻放大器放大倍数与两级宽带电压放大器放大倍数的乘积。由于Anti-Stokes和Mokes光强相差较大,通常ba >bs。da,ds为各自对应的直流偏置。这时如果要正确解调,就要设法克服掉直流偏移和放大带来的影响。
Figure CN101943615BD00091
[0074] 系数Cl,c2, da,4可由实验标定,但这是一非线性方程,而实际测量值不可避免的受未知干扰的影响,可在一定的范围内寻求最佳的系数。假设4个电子传感器测量结果精确无误,我们用T1, T2, T3, T4表示,与电子传感器同位置的光纤上的得到的温度值可由公式 (3)计算,公式中含有4个待求解参数Cl,c2,da,ds,可利用计算机通过BR0YDEN迭代法进行求解。
[0075] 具体求解过程如下:
[0076] A.设4个电子式测温传感器测量的温度分别为T1, T2,T3, T4,与电子式测温传感器同位置的光纤处的温度利用步骤1)中的公式得到,同时相应的得到下列方程组:
Figure CN101943615BD00092
[0078] 其中,I11, I21, I31, I41为Anti-Stokes光在与4个电子式测温传感器同位置的光纤处相对应的电流值;112,I22, 132,I42为Mokes光在与4个电子式测温传感器同位置的光纤处相对应的电流值;
[0079] B.对步骤A中方程组⑷采用BR0YDEN迭代法求解,首先令
Figure CN101943615BD00093
[0081]然后令向量 X= [ci,c2,da,dj,向量 Y= [y(l),y(2),y(3),y(4)],y(l),y(2), y (3),y⑷称为迭代参考变量,并赋予初值\ = [c10, C20, da0, dJ ;[0082]其中,¢^=-^^40=4111(^^) + 111(^),13 bs0 分别为电路中对 Anti-Stokes
hc^Y Λ K)
和Mokes光经光电探测器得到的电流转换为最终电压总的放大倍数(一般情况下ba(l为
IO8〜109V/A,bs0为IO7〜IO8VZA),即跨阻放大器放大倍数与两级宽带电压放大器放大倍
数的乘积;da(1,ds0为Anti-Stokes和Mokes光所在的相应电路的直流偏移值,可通过对电
路板的测试得到,在此不同的电路有不同的偏移,本发明中中电路直流偏移值大约为-lv。
[0083] 设置允许误差E (—般情况下允许误差的范围为1.0\?〜1.0\?),迭代到直到( E时迭代结束,此时Xi+1即为所求Cl,C2, da,ds的标定值;
[0084] C.将参数Cl,C2, da,ds的标定值及光纤某处所对应的I1, I2电流值代入公式(3), 得到光纤此处的温度值。
[0085] D.将4个电子式测温传感器5的温度测量值分别记为T1, T2,T3, T4,与4个电子式测温传感器5同位置的光纤处的温度分别为T' 1; T' 2,T' 3,Τ' 4,则均方误差ε可表示为:
[0086] ε = (T1-T' i)2+ (T2-T' 2)2+ (T3-T' 3)2+(T4_T' 4)2
[0087] 当ε超过设定范围(一般范围为10〜20)时,重新对C1, c2,da,ds的值利用步骤 B中的过程进行标定,根据重新标定后的Cl,C2, da,ds的值可再次求出光纤某处的温度,实现温度修正。如图2所示。这样,不管测量环境如何变化,参数也将发生变化,达到自适应调整的目的。

Claims (2)

1.基于拉曼光反射的测温方法,其特征是,它包括如下步骤: Stepl :由嵌入式处理器输出脉冲信号至激光器驱动电路; Step2 :激光器驱动电路产生窄脉冲电流信号驱动激光器;Step3 :激光器通过光波分复用器向光纤注入脉冲激光,经光纤反射后的反射光经光波分复用器滤波,得到斯托克斯和反斯托克斯光;Mep4:斯托克斯和反斯托克斯光分别经光电转换及放大后,分别进入高速模数转换模块进行采样;St印5 :采样后的数据分别送入FPGA进行实时累加滤波,滤波后的电流信号分别进入嵌入式处理器;乂印6:嵌入式处理器利用接收到的两路电流信号及电子式测温传感器输入的温度值进行参数标定,根据参数的标定值求出光纤相应点的温度; St印7 :对测得的光纤相应点的温度值进行误差修正; 所述st印6中标定的过程如下:1)嵌入式处理器接收到的光纤某处的两路电流信号与该处的温度满足:
Figure CN101943615BC00021
其中,
Figure CN101943615BC00022
χ 别为斯托克斯光和反斯托克斯光的波 ^Ar Λ K长;h为普朗克常数;C为真空中的光速;k为玻尔兹曼常数;△ Y为偏移波数;T为光纤某处的温度;1” I2分别为反斯托克斯光和斯托克斯光对应的电流值,da,ds分别为反斯托克斯光和斯托克斯光对应的直流偏置;ba,bs为系统对电流总的放大倍数,即跨阻放大器放大倍数与两级宽带电压放大器放大倍数的乘积;2)设4个电子式测温传感器测量的温度分别为T1, T2, T3, T4,利用步骤1)中的公式得到下列方程组:
Figure CN101943615BC00023
其中,I11,121,131,I41为反斯托克斯光在与4个电子式测温传感器同位置的光纤处相对应的电流值;112,I22 , 132,I42为斯托克斯光在与4个电子式测温传感器同位置的光纤处相对应的电流值;3)对步骤O)中方程组采用BR0YDEN迭代法求解,得到Cl,C2, da,ds的标定值;4)将参数Cl,C2, da,ds的标定值及光纤某处所对应的I1, I2电流值代入步骤1)中的公式,得到光纤此处的温度值。
2.如权利要求1所述的基于拉曼光反射的测温方法,其特征是,所述st印7中温度进行误差修正的过程如下:A.将4个电子式测温传感器的温度测量值分别记为T1, T2,T3, T4,与4个电子式测温传感器同位置的光纤处的温度分别记为T' ι;Τ' 2,Τ' 3,Τ' 4,则均方误差ε可表示为:ε = (T1-T' ^'+(T2-T' 2)2+(Τ3-Τ' 3)2+(T4-T' 4)2B.当ε超过设定范围时,重新进行标定,并再次求出光纤某处的温度,实现温度修正。
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