CN102095522A

CN102095522A - 一种高空间分辨率高测温精度的分布式光纤测温系统

Info

Publication number: CN102095522A
Application number: CN2010102723030A
Authority: CN
Inventors: 杨斌; 皋魏; 席刚; 仝芳轩; 周正仙
Original assignee: Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明公开了一种高空间分辨率高测温精度的分布式光纤测温系统，属于光纤传感技术领域。包括激光器、光纤耦合器、参考光纤、探测光缆、雪崩二极管及其接收电路、数据采集卡、信号处理器及工业计算机，其特征在于：所述的数据采集卡内的现场可编辑门阵列连接一个延时线器件。本发明主要针对现有技术中分布式光纤传感测温系统的空间分辨率和测量精度不高等问题，提出利用延时线技术和横向平均方法，通过改变同步脉冲相位偏移，等效提高采样率，从而提高系统空间分辨率和测量精度。

Description

一种高空间分辨率高测温精度的分布式光纤测温系统

技术领域

本发明涉及分布式光纤测温技术领域，尤其涉及一种具有高空间分辨率、高测温精度的分布式光纤测温系统。

背景技术

在分布式光纤测温系统中，空间分辨率及测温精度都是十分重要的参数，在测量温度场信息时，我们总是希望空间分辨率尽可能的小，同时又要求测温的精度尽可能的高，还需要系统具有快速的探测特性。为改善空间分辨率，必然要提高数据采集卡采样的速率，激光在传感光纤中的传输速率约为2×10⁸m/s，为满足1米的空间分辨率，数据采集卡的速率至少达到100Mb/s；由于温度信号是淹没于噪声之中的，所以实际采样的对象是带有噪声的信号，要提高测温精度，就必须想办法将噪声滤掉，提高信噪比。

现有的数据采集卡由A/D转换器、现场可编辑门阵列组成(FPGA)，然而，这样的数据采集卡由于采样速率及处理数据能力有限，使得空间分辨率和测温精度很难得到提高。

理论上，空间分辨率是由激光脉冲宽度、数据采样率等决定的；测温精度受到诸多方面的影响，比如A/D转换器的位数，采样速率，系统信噪比等。当这些因素都确定时，现有的设计方法就很难提高系统空间分辨率和测温精度，因此也就无法满足一些要求比较高的应用场合。

发明内容

为了克服现有分布式光纤测温系统存在的缺陷和不足，本发明提供一种高空间分辨率、高测温精度的分布式测温传感系统，该高空间分辨率、高测温精度的分布式测温系统，采用延时线技术以及同步相位控制技术，可以明显有效提高系统的空间分辨率和系统测温精度。在100MHz的采样率下，系统空间分辨率可提高到0.5m以内；测温精度提到±0.5℃。

本发明要解决的技术问题是通过下述技术方案来实现的：

一种高空间分辨率高测温精度的分布式光纤测温系统，由激光器、光纤耦合器(WDM)、参考光纤、探测光缆、雪崩二极管(APD)及其接收电路、数据采集卡、信号处理器及工业计算机组成。其中，脉冲激光器、光纤耦合器、参考光纤、探测光缆依次相连，两个雪崩二极管一端与光纤耦合器连接，另一端和新型数据采集卡连接，新型数据采集卡和信号处理器相连，信号处理器和工业计算机相连。本发明通过采用新型的数据采集卡，在数据采集卡中加入延时线器件，采用延时线技术和同步相位控制技术，可以明显提高数据采集卡所用系统的空间分辨率和测温精度。系统中各模块的作用如下：

脉冲激光器：以一定的重复频率(比如10KHz)发出脉冲激光，同时给采集卡提供同步电压信号；特别地，本方案采用的激光器，其同步信号是由数据采集卡触发的，而不是激光器输出同步信号，这种同步方式的优点在于，可以根据需要，把同步信号延时以便调整在需要的时序上。

光纤耦合器(WDM)：一般采用1x3WDM，其作用是使得激光器过来的脉冲光能从WDM的1端进去从其com端出来；同时，从com端进来的拉曼散射光，经过WDM耦合滤波之后，Stocks光从WDM的2端出来，Anti-Stocks光从3端出来；参考光纤：主要是用于系统温度定标。

探测光缆：相当于系统的温度传感器，激光在光纤中传输产生背向拉曼散射，包括Stocks光和Anti-Stocks光，其中Anti-Stocks光对温度比较敏感，也就是Anti-Stocks光携带温度信息。

APD及其接收电路：雪崩二级管用于光电转换，其接收电路把光电转换产生的小信号进行放大和滤波。

新型数据采集卡：完成A/D转换，完成同步信号相位偏移控制、数据采集以及数据累加求和功能。数据采集卡的数据采集和时序控制采用超高速FPGA实现，采用流水线技术可以满足同时完成数据采集和并累加功能，从而大大提高信号的处理速度；同步信号延时功能由延时线器件实现，延时线可以完成同步信号0.1纳秒级别的延时。

延时线器件：延时线器件主要用于把同步信号延时一段时间(比如1ns)，由于延时线器件延时的时间长度是可以通过通信接口来设置，所以可以根据不同的延时要求把同步信号延时在所需的时序上。

信号处理器：完成温度信号的解调以及产生报警信息。

工业计算机：完成温度数据及报警信息显示，产生报警主机需要的联动信号等。

本发明所述的高空间分辨率和高测温精度分布式光纤测温系统的数据采集部分是采用延时线技术通过循环移位的方式来实现数据采集，所用技术路线主要体现在硬件设计和数据处理方法上。

硬件设计方面，本发明的数据采集卡使用的采样时钟频率与现有的采样时钟频率相同，但是，由于同步信号可以通过设定延时线器件来延时，其结果等效于，不同阶段的同步信号，在相位上彼此相差360°/K(K为一个重复周期内同步脉冲的个数)。从长时间数据采集的角度来看，其结果相当于采样率提高了K倍，可见虽然时钟频率不变，但实际的采样率提高了K倍。延时线器件延时的时间长度是可以通过通信接口来设置的，所以可以根据不同的延时要求把同步信号延时在所需的时序上，延时时间可以比较精确设置。

数据处理方面，现有技术中，在一米范围内的信号中，采样时钟所对准信号的位置是若干个位置中的某一个固定位置，由于这个位置处的温度不能精确、全面的地代表该一米范围内的温度，那么，按照该种方法采样采集到的数据是不精确地。为了提高精确度，比较好的方法就是在一米范围内采集几个数据，然后取其平均值来作为这一米范围内的数据。

数据累加功能。在光纤传感应用中，由于散射信号十分微弱，完全被淹没在噪声中，系统需要采用弱信号检测方法，从噪声中提取待测信号。分布式光纤测温系统噪声的主要成分具有零均值的统计特性，可以利用噪声的统计特性来达到降噪的目的。因此，为提高信噪比，后续信号处理采用数字平均的方法，即将一次测量的N点数据依次存储到内存单元中，将下一次测量的N点数据与内存对应单元的数据相加，再放回原内存单元，依次循环M次，然后对各单元求平均。

以空间分辨率为1m，K＝3为例，说明本发明分布式光纤测温系统的数据累加处理方法，如下：

1，首先对同一米内的数据进行横向平均；

2，对1的结果进行数据求和累加。

与传统的数据采集卡相比，本发明的优点为：

1、采用延时线技术，通过改变同步脉冲相位偏移，等效提高采样率，从而提高了空间分辨率；

2、采用横向平均方法，提高测温精度。

3、采用超高速FPGA，提高了数据处理能力。

附图说明

图1是本发明所述的分布式光纤测温系统结构图；

图2是本发明所述的分布式光纤测温系统采用的延时线技术；

图3是现有分布式光纤测温系统数据处理方法

图4是本发明所述的分布式光纤测温系统采用的横向平均技术的数据处理方法

具体实施方式

本发明公开了一种高空间分辨率高测温精度的分布式光纤测温系统，下面将结合附图与具体实施方式对本发明做详细说明。

一种高空间分辨率高测温精度的分布式光纤测温系统，由激光器1、光纤耦合器(WDM)2、参考光纤3、探测光缆4、雪崩二极管(APD)5，雪崩二极管(APD)6及其接收电路、新型数据采集卡7、信号处理器8及工业计算机9组成。其中，脉冲激光器1、光纤耦合器2、参考光纤3、探测光缆4依次相连，两个雪崩二极管5和6一端与光纤耦合器2连接，另一端和新型数据采集卡7连接，新型数据采集卡7和信号处理器8相连，信号处理器8和工业计算机9相连。本发明通过采用新型的数据采集卡7，在数据采集卡中加入延时线器件13，采用延时线技术和同步相位控制技术，可以明显提高分布式光纤测温系统的空间分辨率和测温精度。

本发明的数据采集部分采用延时线技术通过循环移位的方式来实现数据采集，所用技术方案主要体现在硬件设计和数据处理方法上。

硬件设计方面，本发明所述的数据采集卡7使用的采样时钟频率为100Mb/s，与现有的采样时钟频率相同，但是，由于同步信号可以通过设定延时线器件13来延时，其结果等效于，不同阶段的同步信号，在相位上彼此相差360°/K(K为一个重复周期内同步脉冲的个数)。以K＝3为例，一个重复周期内每个同步脉冲的相位相差120°，如图2所示。第一次采样，同步脉冲相位是0°，如采样1；第二次采样，同步脉冲相位偏移120°，如采样2；第三次采样，同步脉冲偏移240°，如采样3；第四次则循环回到采样1，依次类推。从长时间数据采集的角度来看，其结果相当于采样率提高了3倍，可见虽然时钟频率不变，但实际的采样率提高了3倍。延时线器件13延时的时间长度是可以通过通信接口来设置的，所以可以根据不同的延时要求把同步信号延时在所需的时序上，延时时间可以比较精确设置。

下面以K＝3为例，实现步骤：

1、采样1：设置延时线器件13，使之延时时间为0纳秒，数据采集卡7在接收电路产生有效信号的同时，同步脉冲信号到达数据采集卡后经延时线器件13延时0ns后输入到FPGA 10，FPGA 10开始采集数据，直到本次采样点结束(达到设定的采样点数)。

2、采样2：设置延时线器件13，使之延时时间为10/3纳秒(10ns为采集卡采样时钟周期)。数据采集卡在接收电路产生有效信号的同时，同步脉冲信号到达数据采集卡后经延时线器件13延时10ns/3后输入到FPGA 10，FPGA 10开始采集数据，直到本次采样点结束(达到设定的采样点数)。

3、采样3：设置延时线器件13，使之延时时间为2*10/3纳秒(10ns为采集卡采样时钟周期)，数据采集卡在接收电路产生有效信号的同时，同步脉冲信号到达数据采集卡后经延时线器件13延时2*10/3纳秒后输入到FPGA 10，FPGA 10开始采集数据，直到本次采样点结束(达到设定的采样点数)。循环次数加1。

数据处理方面，观察图3所示的原始采样，注意到一米范围内的信号，采样时钟所对准信号的位置是若干个位置中的某一个，所以按原始采样采集到的数据是不精确的，为了提高精确度，比较好的方法就是在一米范围内采集若干个个数据，然后取其平均值来做为这一米范围内的数据。本实例选择采集3个数据，处理如图3和图4所示。

数据累加功能。在光纤传感应用中，由于散射信号十分微弱，完全被淹没在噪声中，系统需要采用弱信号检测方法，从噪声中提取待测信号。因此，为提高信噪比，后续信号处理采用数字平均的方法，即将一次测量的N点数据依次存储到内存单元中，将下一次测量的N点数据与内存对应单元的数据相加，再放回原内存单元，依次循环M次，然后对各单元求平均。

以空间分辨率为1m，K＝3为例，说明发明数据采集卡的数据累加处理方法，如下：

3，首先对同一米内的数据进行横向平均；

4，对1的结果进行数据求和累加。

进一步的，如果所述一个重复周期内同步脉冲的个数K越大，空间分辨率和测温精度指标越高。

Claims

1.一种高空间分辨率高测温精度的分布式光纤测温系统，包括激光器、光纤耦合器、参考光纤、探测光缆、雪崩二极管及其接收电路、数据采集卡、信号处理器及工业计算机，其特征在于：所述的数据采集卡内的现场可编辑门阵列连接一个延时线器件。

2.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率高测温精度的分布式光纤测温系统，其特征在于：所述的延时线器件通过通讯接口和脉冲激光器发出的同步脉冲信号连接。