CN102914385A

CN102914385A - 分布式光纤温度传感器及其应用

Info

Publication number: CN102914385A
Application number: CN2012104612046A
Authority: CN
Inventors: 李德和; 史振国; 于娟
Original assignee: Weihai Beiyang Electric Group Co Ltd
Current assignee: Weihai Beiyang Electric Group Co Ltd
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: CN102914385B

Abstract

本发明涉及光纤温度传感器，具体的说是一种分布式光纤温度传感器及其应用，其特征在于脉冲调制模块为DAC脉冲调制模块，温控电路模块、偏置模块、DAC脉冲调制模块的输出端分别与蝶形激光器的输入端相连接，蝶形激光器的输出端与EDFA放大模块的输入端相连，EDFA放大模块输出端与波分复用器的1550nm输入端相连，波分复用器的com输出端与传感光纤相连，波分复用器的1450nm和1660nm输出端口分别与2个光电接收模块的输入端相连，2个光电接收模块的输出端分别与数据采集及编码生成模块的两路输入端相连，本发明提高了系统信噪比，解决了目前所遇到的EDFA放大模块所带来的瞬态效应，提高了系统的监测指标。

Description

分布式光纤温度传感器及其应用

技术领域

本发明涉及光纤温度传感器，具体的说是一种特别适用于分布式光纤测温系统（DTS）的基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器及其应用。

背景技术

分布式光纤温度传感器是利用光纤自发拉曼散射光强受温度调制的原理和光时域反射原理而组成的分布式光纤拉曼温度传感器，具有广阔的应用市场。由于它可以在线实时预报现场的温度及其变化的趋势，设置报警温度对现场温度变化进行监测，是一种本质安全型的线型感温探测器，已成功应用于石油石化、电力及港口等领域。

在现有的分布式光纤测温系统中，广泛使用大功率脉冲激光器作为信号源，但是如果激光脉冲峰值功率太强则在长距离温度测量时光纤容易发生非线性效应，进而导致无法进行正确的温度解调。为了避免非线性效应只能降低激光脉冲峰值功率，但由此会导致DTS信噪比的降低，使得温度波动度等DTS指标变差。所以，目前使用大功率脉冲激光器的分布式光纤测温系统的测量距离一般在10Km以内，无法满足长距离测温的应用需求。此外，目前分布式光纤测温系统的空间分辨率主要由大功率脉冲激光器的脉冲宽度决定，而大功率脉冲激光器的脉冲宽度难以实现10ns以下，进而使分布式光纤测温仪的空间分辨率难以做到1m以内。

掺铒光纤放大器（EDFA）在光纤通信系统中已经得到的广泛的应用，成为光纤通信系统中的关键技术之一，在光纤通信过程中，当输入EDFA的光信号的强度发生较大变化，例如发生16db的掉波或者上波时，铒纤中的能量会瞬间转移到剩余的信号波长中，相应的使该剩余信号波长产生过冲或者欠冲，过冲和欠冲在多级EDFA级联的时候会严重影响系统的稳定性，因此抑制EDFA的瞬态效应对于提高光纤通信稳定具有重要意义。同时，在分布式光纤测温系统中对EDFA瞬态效应的抑制也可以提高系统的温度指标。

中国专利CN 101819073 A公布了一种采用序列脉冲编码解码的分布式光纤拉曼温度传感器，包括有S矩阵转换原理、S矩阵产生、拉曼反射光接收和解码模块，虽然可以在一定程度上解决该问题，但由于其编码复杂、控制难度高、解调计算量大的特点，影响了分布式光纤测温系统的解调精度和速度。

本发明人发表的CN 201220019315.7专利，发表了一种基于脉冲编码的激光发生装置，解决了S矩阵所面临的编码复杂、解调计算量大等特点，但仍然面临着与CN 101819073 A相同的采用EDFA放大模块所带来的瞬态效应问题，并因此降低了系统的监测指标。目前，针对EDFA的瞬态效应国内外的研究者有采用分布式拉曼放大器方案来解决，但该方案虽解决了EDFA的瞬态问题，但由于经分布式拉曼放大器输出的信号放大能力有限，仅为6dB，极大的限制了系统的测量距离。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种结构合理、操作简便，能够有效提高光纤温度传感器的测温距离并提高数据传输信噪比，解决目前使用EDFA放大模块所普遍遇到的瞬态效应，成本低、结构简单、稳定可靠，特别适用于分布式光纤测温系统（DTS）的基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器。

本发明可以通过以下措施达到：

一种分布式光纤温度传感器，包括温控电路模块、偏置模块、脉冲调制模块、蝶形激光器、EDFA放大模块、波分复用器、传感光纤、2个光电接收模块、数据采集及编码生成模块，其特征在于脉冲调制模块为DAC脉冲调制模块，温控电路模块、偏置模块、DAC脉冲调制模块的输出端分别与蝶形激光器的输入端相连接，蝶形激光器的输出端与EDFA放大模块的输入端相连，EDFA放大模块输出端与波分复用器的1550nm输入端相连，波分复用器的com输出端与传感光纤相连，波分复用器的1450nm和1660nm输出端口分别与2个光电接收模块的输入端相连，2个光电接收模块的输出端分别与数据采集及编码生成模块的两路输入端相连，数据采集及编码生成模块的一路输出端与DAC脉冲调制模块的输入端相连。

本发明中所述的DAC脉冲调制模块为电流型DAC，8bits精度，80MSPS采样率，输出电流20mA。

本发明中所述的蝶形激光器的中心波长为1550nm，阈值电流10mA，热敏电阻10kohm，谱宽0.1nm，功率15mW。

本发明中所述的EDFA放大模块的工作波长为1550nm，放大脉冲宽度为1-2us，重复频率为4-10kHz，峰值功率为1-10W，消光比40dB。

本发明中所述的波分复用器由中心波长1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成。

一种分布式光纤测温系统，包括分布式光纤温度传感器、工控机，其中分布式光纤温度传感器的输出端与工控机相连接，其特征在于所述分布式光纤温度传感器为如上所述基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤测温传感器，分布式光纤温度传感器中的数据采集及编码生成模块的另一路输出端与工控机相连。

本发明在工作时，温控电路模块采用温控芯片处理蝶形激光器内部的热敏电阻采集的温度，并将其与设定的温度进行比较，依据高于设定温度进行制冷操作，低于设定温度进行制热操作的原则，通过蝶形激光器内部制冷片TEC的控制实现温度补偿，提供稳定的环境工作温度，保证蝶形激光器1550nm光脉冲波长的稳定输出，偏置模块为蝶形激光器提供所需的10mA阈值电流，保证光脉冲具有短的输出响应时间，数据采集及编码生成模块输出4组每位编码时间为12.5ns的8bits数字量信号，DAC脉冲调制模块将该信号转换为4组信号幅度可调每位编码持续时间为12.5ns的电压信号，DAC脉冲调制模块分别将4组信号幅度可调每位编码持续时间为12.5ns的电压信号送给蝶形激光器产生4组光功率可调每位编码持续时间为12.5ns的光编码脉冲，4组光功率可调每位编码持续时间为12.5ns的光编码脉冲经EDFA放大模块后输出具有功率一致性好的4组每位编码持续时间为12.5ns激光编码脉冲，4组每位编码持续时间为12.5ns激光编码脉冲分别通过波分复用器进入传感光纤，传感光纤散射回来的背向拉曼信号从波分复用器的1450nm和1660nm两路输出端进入光电接收模块，最终由数据采集及编码生成模块中的数据采集电路将拉曼散射信号传给工控机，工控机将斯托克斯和反斯托克斯各自的4组信号分别与4组编码序列进行相关处理，并将相关后的数据进行加减处理得到所需的后向散射斯托克斯和反斯托克斯电信号，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系，将传感光纤上的信号强度计算出相应光纤所处位置处的温度信息，为了保证温度的准确可靠，通过温度检测的方式对标定段光纤进行温度定标，校正系统的温度并实时监测光纤上各段的温度及变化。

一种如上所述分布式光纤测温传感器的应用，其特征在于包括以下步骤:

步骤1：数据采集及编码生成模块中生成4组每位编码时间为12.5ns的8bits数字量信号，并将其送入DAC脉冲调制模块，

步骤2：DAC脉冲调制模块接收数据采集即编码生成模块输出的每位编码时间为12.5ns的8bits数字量信号后进行D/A转换，将其处理为4组信号幅度可调每位编码时间为12.5ns的电压信号，并将其送入蝶形激光器的输入端，

步骤3：蝶形激光器在DAC脉冲调制模块输入信号的作用下，向外输出4组光功率可调每位编码时间为12.5ns的光编码脉冲，输出信号进入EDFA放大模块后，被处理为功率一致性好的激光格雷编码脉冲，

步骤4：蝶形激光器输出的信号经EDFA放大器放大后进入波分复用器，经波分复用器进入传感光纤，

步骤5：进入传感光纤的光信号经过拉曼散射，经波分复用器背向输出斯托克斯光信号以及反斯托克斯光信号，两路背向光信号分别经2个光电接收模块接收，

步骤6：光电接收模块接收上述背向光信号后，将其转换为电信号，并将转换结果送至数据采集及编码生成模块，数据采集及编码生成模块中的数据采集电路对接收的各周期数据进行实时累加处理，并将累加结果送入工控机，工控机将斯托克斯和反斯托克斯各自的4组信号分别与4组编码序列进行相关处理，并将相关后的数据进行加减处理得到所需的后向散射斯托克斯和反斯托克斯电信号，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系，将传感光纤上的信号强度计算出相应光纤所处位置处的温度信息。

本发明为了保证温度的准确可靠，通过温度检测的方式对标定段光纤进行温度定标，校正系统的温度并实时监测光纤上各段的温度及变化。

本发明步骤1中蝶形激光器在输出脉冲光信号时，温控电路模块为蝶形激光器提供温度补偿，温控电路模块采用由电阻构成的桥电路结构，通过将蝶形激光器内部的热敏电阻所采集的温度与设定工作温度的比较来确定激光器的温度控制趋势，依据高于设定温度进行制冷操作，低于设定温度进行制热操作，由温控芯片控制制冷片TEC对蝶形激光器进行温度补偿，提供稳定的环境工作温度，保证蝶形激光器1550nm光脉冲波长的稳定输出，偏置模块内设有恒流源电路和过流保护电路，恒流源电路提供偏置电流，过流保护电路监测偏置电流大小，并在其高于设定值后禁止其输出起到保护作用，偏置模块恒流源电路的输出端与过流保护电路的输入端相连，偏置模块过流保护电路的输出端与蝶形激光器的输入端相连接，用于为蝶形激光器提供所需的阈值电流，保证光脉冲具有短的输出响应时间。

本发明中光源采用编码脉冲的输出方式，能够有效提高分布式光纤拉曼温度传感器的测温准确度，其具体原理如下：本发明采用的编码脉冲是格雷编码序列，由“0”和“1” 元素组成的4组编码序列，而每2组可以组成一个元素为“1”和“-1”的格雷互补序列。格雷互补序列中的一个的自相关函数的峰值等于码数（L）倍，旁瓣大约为峰值的10%左右，而当两组自相关函数相加后，峰值又可以增加二倍（2L）而旁瓣可以完全对消掉。

由格雷编码原理推导可知，采用N位的格雷编码序列可获得的信噪比改善为：

Figure 2012104612046100002DEST_PATH_IMAGE002

（1）

由公式（1）可知，采用格雷编码对系统信噪比的改善随着其编码位数的提高而提高，当N取128时，系统信噪比的改善为：

Figure 2012104612046100002DEST_PATH_IMAGE004

基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器的空间分辨率由编码序列单个窄脉冲激光的宽度决定，采用DAC进行编码脉冲调制解决了目前所遇到的EDFA放大模块所带来的瞬态效应，提高了系统的监测指标。

本发明提供的基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器，采用格雷编码脉冲原理有效地提高了进入传感光纤的光子数，提高了系统的信噪比，增加了传感光纤的长度或在光纤长度不变测量相同指标情况下降低了系统的测量时间，采用DAC进行编码脉冲调制解决了目前所遇到的EDFA放大模块所带来的瞬态效应，提高了系统的监测指标。

附图说明：

附图1是本发明中基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器的结构示意图。

附图2是EDFA放大模块的瞬态效应示意图。

附图3是基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器的一组脉冲调制编码序列。

附图4是无脉冲调制情况下系统检测的温度及温升波形。

附图5是在采用DAC脉冲调制情况下系统检测的温度及温升波形。

附图6是本发明中基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤测温系统的结构示意图。

附图标记：温控电路模块1、偏置模块2、DAC脉冲调制模块3、蝶形激光器4、EDFA放大模块5、波分复用器6、传感光纤7、光电接收模块8、光电接收模块9、数据采集及编码生成模块10、工控机11。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如附图1及附图6所示，本发明提出了一种基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器及光纤测温系统，包括温控电路模块1，偏置模块2，DAC脉冲调制模块3，蝶形激光器4，EDFA放大模块5，波分复用器6，传感光纤7、光电接收模块8、光电接收模块9，数据采集及编码生成模块10和工控机11，其中温控电路模块1的输出与蝶形激光器4一路输入端相连，偏置模块2与蝶形激光器4一路输入端相连，DAC脉冲调制模块3的输出与蝶形激光器4另一路输入端相连，蝶形激光器4输出的1550nm光脉冲与EDFA放大模块5输入端相连，EDFA放大模块5输出端与波分复用器6的1550nm输入端相连，波分复用器6的com输出端与传感光纤7相连，经传感光纤7产生的背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号分从波分复用器6的1450nm和1660nm输出端口输出，且分别于光电接收模块8、光电接收模块9的输入端相连，2个光电接收模块的输出端分别与数据采集及编码生成模块10的两路输入端相连，数据采集及编码生成模块10的一路输出端与DAC脉冲调制模块3的输入端相连，数据采集及编码生成模块10的另一路输出端与工控机11相连，本发明所采用的码位是128，也可以采用其它的码位，例如：32、64等，本发明在数据采集及编码生成模块输出的4组每位编码时间为12.5ns的8bits数字量信号的控制下经DAC脉冲调制模块输出4组信号幅度可调的电压信号，4组信号幅度可调每位编码时间为12.5ns的电压信号控制蝶形激光器输出4组光功率可调每位编码时间为12.5ns的光编码脉冲，4组光功率可调的光编码脉冲最终经EDFA放大模块后输出具有功率一致性好的4组激光格雷编码脉冲。

附图2是无DAC脉冲调制情况下，EDFA放大模块输出的一组编码脉冲光信号示意图，图3是图2中的编码脉冲光信号在本发明经脉冲调制后EDFA放大模块输出的一组编码脉冲信号示意图，对比可知，经过本发明脉冲调制后，能够有效抑制EDFA放大模块的瞬态效应对编码脉冲信号的不良影响。

附图4是无DAC脉冲调制情况下，系统检测的温度及温升波形示意图，图5是图4系统在经本发明处理后的系统检测的温度及温升波形示意图，对比可知，经过本发明脉冲调制后，能够有效抑制EDFA放大模块的瞬态效应对解析的温度信号的不良影响，提高温度的准确度及波动度，并同时提高系统的空间分辨率。

本发明实施例公布的为较佳实施方式，但其具体实施并不限于此，本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，只要不脱离本发明的精神，都属本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分布式光纤温度传感器，包括温控电路模块、偏置模块、脉冲调制模块、蝶形激光器、EDFA放大模块、波分复用器、传感光纤、2个光电接收模块、数据采集及编码生成模块，其特征在于脉冲调制模块为DAC脉冲调制模块，温控电路模块、偏置模块、DAC脉冲调制模块的输出端分别与蝶形激光器的输入端相连接，蝶形激光器的输出端与EDFA放大模块的输入端相连，EDFA放大模块输出端与波分复用器的1550nm输入端相连，波分复用器的com输出端与传感光纤相连，波分复用器的1450nm和1660nm输出端口分别与2个光电接收模块的输入端相连，2个光电接收模块的输出端分别与数据采集及编码生成模块的两路输入端相连，数据采集及编码生成模块的一路输出端与DAC脉冲调制模块的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤温度传感器，其特征在于所述的DAC脉冲调制模块为电流型DAC，8bits精度，80MSPS采样率，输出电流20mA。

3.根据权利要求2所述的一种分布式光纤温度传感器，其特征在于所述的蝶形激光器的中心波长为1550nm，阈值电流10mA，热敏电阻10kohm，谱宽0.1nm，功率15mW。

4.根据权利要求3所述的一种基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤温度传感器，其特征在于所述的EDFA放大模块的工作波长为1550nm，放大脉冲宽度为1-2us，重复频率为4-10kHz，峰值功率为1-10W，消光比40dB。

5.根据权利要求4所述的一种分布式光纤温度传感器，其特征在于所述的波分复用器由中心波长1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成。

6.一种如权利要求5所述的分布式光纤测温传感器的应用，其特征在于包括以下步骤:

7.根据权利要求6所述的分布式光纤测温传感器的应用，其特征在于步骤6还包括通过温度检测的方式对标定段光纤进行温度定标，以校正系统的温度。

8.根据权利要求6所述的分布式光纤测温传感器的应用，其特征在于步骤1中蝶形激光器在输出脉冲光信号时，温控电路模块为蝶形激光器提供温度补偿，温控电路模块采用由电阻构成的桥电路结构，通过将蝶形激光器内部的热敏电阻所采集的温度与设定工作温度的比较来确定激光器的温度控制趋势，依据高于设定温度进行制冷操作，低于设定温度进行制热操作，由温控芯片控制制冷片TEC对蝶形激光器进行温度补偿，提供稳定的环境工作温度，保证蝶形激光器1550nm光脉冲波长的稳定输出，偏置模块内设有恒流源电路和过流保护电路，恒流源电路提供偏置电流，过流保护电路监测偏置电流大小，并在其高于设定值后禁止其输出起到保护作用，偏置模块恒流源电路的输出端与过流保护电路的输入端相连，偏置模块过流保护电路的输出端与蝶形激光器的输入端相连接，用于为蝶形激光器提供所需的阈值电流，保证光脉冲具有短的输出响应时间。

9.根据权利要求6所述的一种分布式光纤测温传感器的应用，其特征在于步骤1中所述数据采集及编码生成模块中生成4组每位编码时间为12.5ns的8bits数字量信号为格雷编码序列。

10.一种用于实现如权利要求6-9中任意一项所述分布式光纤测温传感器的应用的光纤测温系统，包括分布式光纤温度传感器、工控机，其中分布式光纤温度传感器的输出端与工控机相连接，其特征在于所述分布式光纤温度传感器为如权利要求5所述基于脉冲调制的格雷编码分布式光纤测温传感器，分布式光纤温度传感器中的数据采集及编码生成模块的另一路输出端与工控机相连。