CN101975625B - 分布式光纤温度传感系统及其测量方法 - Google Patents

分布式光纤温度传感系统及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式光纤温度传感系统，包括激光器模块，与激光器模块相连的光波长分离模块，与光波长分离模块输出端相连的传感光纤，与光波长分离模块输出端相连的ASR光探测器和SR光探测器，及ASR模数转换器和SR模数转换器，一个时钟产生器与ASR，SR模数转换器相连，并与激光器和数据处理单元相连。该时钟产生器产生相对于基准时钟不同相位偏移的ASR，SR时钟信号或者激光器触发脉冲信号，使得空间采样点偏移一小段距离从而获得高的空间分辨力，相比于通过提高采样频率增加空间分辨力的方法，本发明具有简单易行，成本低的优点。

Description

分布式光纤温度传感系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种光纤测温技术，特别涉及一种高空间分辨力分布式光纤温度设备传感及其温度的测量方法。
背景技术
近年来，分布式光纤温度传感系统得到了很快的发展，其测温精度和测量距离基本上能满足大部分工程实用化的需求。但是，分布式光纤温度传感系统的空间分辨力(空间采样点的间隔距离，距离越小空间分辨力越高)仍然受到限制，空间分辨力主要取决于模数转换器的信号采样频率。对于100MHz的采样频率，空间分辨力为1米。为提高空间分辨力，传统的办法是将采样频率提高，比如增加到400MHz，此时空间分辨力缩短到0.25米，但是高速AD转换器的成本高昂，电路制备复杂。
分布式光纤温度传感系统中，背向散射反Stokes光(ASR)、Stokes光(SR)经过光波长分离器件分离后，由于传播路径不同到达光电探测器的时间不同，这样，会造成传感光纤上同一点反射的ASR和SR散射光到达探测器的时间不同，如果采样时钟相位相同，会导致同一时刻采集的ASR，SR信号对应于空间不同的点，分布式光纤温度传感系统由ASR和SR的比求出温度的变化，ASR，SR信号不对齐必然会导致测温系统的空间分辨率下降以及温度偏差，甚至出现和实际温度相反的情况。传统的解决办法是通过加入不同长度的匹配光纤使ASR，SR通道光纤长度保持一致，这种办法操作起来比较复杂，而且很难精确补偿长度的差别。
发明内容
本发明目的是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单，成本低廉，且测量准确度高的高空间分辨力分布式光纤温度传感系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种分布式光纤温度传感系统，包括激光器模块，与激光器模块相连的光波长分离模块，与光波长分离模块输出端相连的传感光纤，与光波长分离模块输出端相连的ASR光探测器和SR光探测器，及ASR模数转换器和SR模数转换器，其特征在于：还包括一个时钟产生器，所述的时钟产生器发出与系统基准时钟不同相位偏移的时钟信号或脉冲信号；该时钟产生器分别与ASR模数转换器和SR模数转换器、激光器模块及数据处理单元相连；所述的时钟信号控制ASR模数转换器或SR模数转换器进行数据采集；所述的脉冲信号控制激光器模块。
所述的时钟产生器为相位可设置的模数转换时钟源。
一种分布式光纤温度传感系统的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)激光器模块在时钟产生器产生的时钟信号控制下，发出脉冲激光，脉冲激光通过一个波长分离模块输入到传感光纤；
(2)传感光纤将反射回来的散射光通过另一个波长分离模块分解成不同波长的ASR和SR信号分别光纤进入ASR和SR光探测器，由与之相连的ASR和SR通道模数转换器；
(3)时钟产生器发出与系统基准时钟不同相位偏移的时钟信号，控制ASR模数转换器或SR模数转换器进行数据采集，并转换成数字信号送到数据处理单元；
(4)数据处理单元将接收到的信号经同步处理，计算得到温度沿光纤的分布曲线。
一种分布式光纤温度传感系统的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)激光器模块在时钟产生器产生的与系统基准时钟不同相位偏移的脉冲信号控制下发出脉冲激光，脉冲激光通过一个波长分离模块输入到传感光纤；
(2)传感光纤将反射回来的散射光通过另一个波长分离模块分解成不同波长的ASR和SR信号分别光纤进入ASR和SR光探测器，由与之相连的ASR和SR通道模数转换器；
(3)ASR模数转换器和SR模数转换器分别进行数据采集，并转换成数字信号送到数据处理单元；
(4)数据处理单元将接收到的信号经同步处理，计算得到温度沿光纤的分布曲线。
本发明采用在ASR、SR对应的采集模块和信号处理模块间添加一时钟产生器的方法，它为相位可设置的模数转换时钟源，该项技术方案的采用，在不改变采样信号频率的条件下，通过时钟产生器产生相对于基准时钟的不同相位偏移的方法，使空间采样点相对偏移一小段空间距离，该相对偏移的一小段距离为系统新的空间分辨力，相位偏移越小，空间分辨力就越高，从而实现了在采样频率不变的条件下，通过相位偏移达到空间分辨力提高的目的。
由于本发明采用了在ASR、SR对应的采集模块和信号处理模块间添加一相位可设置的模数转换时钟源的技术方案，在不改变采样信号的频率下，通过时钟产生器产生相对于基准时钟的不同相位偏移的办法使空间采样点相对偏移一小段空间距离，这相对偏移的一小段距离为系统新的空间分辨力，相位偏移越小，空间分辨力就越高，从而实现了在采样频率不变的条件下，通过相位偏移的办法达到空间分辨力提高的目的。与现有技术相比，由于相位的改变比采样频率的提高容易得多，因此，本发明的技术方案具有简单易行，成本低的优点，而且SR，ASR通道的时间差也可以通过采用时钟的相位差来精确补偿，保证了测量的准确度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高空间分辨力分布式光纤温度传感系统的结构示意图；
图2是本实施例提供的一种高空间分辨力分布式光纤温度传感系统中时钟产生器的ASR，SR时钟相位示意图；
其中：1、传感光纤；2、波长分离模块；3和4、光纤；5和6、光探测器；7和8、模数转换器；9(10)、时钟信号；11、时钟产生器；12、数据处理单元；13、激光器模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：参见图1所示，本实施例提供的一种高空间分辨力分布式光纤温度传感系统，激光器模块13在时钟产生器11产生的时钟信号控制下，发出一束脉冲激光，脉冲激光通过波长分离模块2输入到传感光纤1，传感光纤1反射回来的散射光通过波长分离模块2分解成不同波长的ASR和SR信号通过光纤3，4进入ASR，SR通道光探测器5和6，由与之相连的ASR，SR通道模数转换器7和8转换成数字信号送到数据处理单元12计算得出温度沿光纤的分布曲线。
参见图2所示，时钟产生器11可以输出不同相位偏移的时钟信号。图2中，CLK_ASR为ASR采样时钟，CLK_SR为SR采样时钟。
在本实施例中，模数转换器7，8的信号采样频率为100MHz，时钟周期为10ns，对应空间采样点的间隔距离为1米，时钟产生器11产生不同的采样时钟，使得ASR，SR时钟信号9，10相对于基准时钟分别偏离0，1，2，3，4，5，6，7，8，9ns，模数转换器7，8采样10组数据并送到数据处理单元12计算温度，由于1ns对应于空间上的采样点偏离0.1米的距离，若0ns相位偏移时采样的数据组对应的空间点距离为0，1，2，3，4……米，偏移1n s时采样的数据组对应的空间点距离偏移了0.1米，对应的空间点距离为0.1，1.1，2.1，3.1，4.1……米，偏移2ns时采样的数据组对应的空间点距离偏移了0.2米，对应的空间点距离为0.2，1.2，2.2，3.2，4.2……米，将10组数据组合在一起，就可以得到空间距离为0，0.1，0.2，0.3，0.4……米的数据，空间采样点的间隔距离为0.1米，也就是空间分辨力提高到0.1米。
通过改变ASR，SR采样时钟信号的相位差，还可以实现ASR，SR信号在时间上的对齐。对于100MHz的采用频率，1米整数倍的通道长度差可采用软件处理的办法，将采集到的数据互相错开几个时钟周期就可以对齐。对于小于1米的长度差通过采样时钟信号不同的相位偏移解决。由于光在光纤中传输速度为2×108m/S，也就是0.2m/ns，如果图1中SR通道光纤长度比ASR通道长0.1m，那么在时间上SR信号迟于ASR信号1ns到达，通过调节时钟产生器时钟采样相位，使得SR采样时钟相对ASR采样时钟延迟1ns，就可以保证数据处理单元得到的SR和ASR信号为传感光纤上同一点的反射值，反之如果SR通道光纤长度比ASR通道短0.1m，可以使SR采样时钟相对ASR采样时钟超前1ns解决，具体时钟相位关系于图2所示。由于相位的偏移值可以很小，光纤长度差别可以精确补偿。
本发明通过时钟产生器产生相对于基准时钟的不同相位偏移使空间采样点相对偏移一小段空间距离的办法来提高空间分辨力，相比于提高采用频率的方案达到了低成本，控制简单的目的，该方法同时用于ASR，SR信号时间上的精确对齐。

Claims (2)

1.一种分布式光纤温度传感系统的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)激光器模块在时钟产生器产生的时钟信号控制下，发出脉冲激光，脉冲激光通过一个光波长分离模块输入到传感光纤；
(2)传感光纤将反射回来的散射光通过所述的光波长分离模块分解成不同波长的ASR和SR信号分别通过光纤进入ASR和SR光探测器，及与之相连的ASR和SR模数转换器；
(3)时钟产生器发出与系统基准时钟不同相位偏移的时钟信号，控制ASR模数转换器或SR模数转换器进行数据采集，并转换成数字信号送到数据处理单元；
(4)数据处理单元将接收到的信号经同步处理，计算得到温度沿光纤的分布曲线。
2.一种分布式光纤温度传感系统的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)激光器模块在时钟产生器产生的与系统基准时钟不同相位偏移的脉冲信号控制下发出脉冲激光，脉冲激光通过一个光波长分离模块输入到传感光纤；
(2)传感光纤将反射回来的散射光通过所述的光波长分离模块分解成不同波长的ASR和SR信号分别通过光纤进入ASR和SR光探测器，及与之相连的ASR和SR模数转换器；
(3)ASR模数转换器和SR模数转换器分别进行数据采集，并转换成数字信号送到数据处理单元；
(4)数据处理单元将接收到的信号经同步处理，计算得到温度沿光纤的分布曲线。
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