CN103115693B - 一种分布式光纤拉曼测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式光纤测温系统领域，公开了一种分布式光纤拉曼测温系统，包括脉冲激光器，波分复用器，传感光纤，双通道雪崩光电二极管和DSP数字信号处理器；全光纤激光器发出脉冲激光，通过波分复用器后进入到待测传感光纤，脉冲激光在光纤内传播过程中不断产生背向散射，背向散射光返回到波分复用器，经波分复用器滤波后，将斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光分别滤出并进入双通道雪崩光电二极管进行光电转换；双通道雪崩光电二极管输出的电信号经过DSP数字信号处理器处理后得到温度信号。本发明利用高速DSP数字信号处理器实现小波去噪，处理速度快，在保证精度的前提下能做到不影响测温的实时性。

Description

一种分布式光纤拉曼测温系统

技术领域

本发明涉及分布式光纤测温系统领域，尤其涉及一种分布式光纤拉曼测温系统。

背景技术

分布式光纤拉曼温度传感器利用光纤中的背向拉曼散射光作为传感信号，能覆盖整条光纤的温度场监测，实现分布式温度测量。在公路隧道、高压电缆、煤矿井下等地，实时监测隧道、电缆和井下的温度是必要的，否则一旦发生火灾，将会对公共财产甚至生命造成威胁。分布式光纤拉曼温度传感器为长距离温度场监测提供了有效的解决方案，其在安全工程中已经得到广泛应用。但是分布式光纤拉曼测温系统由于使用的是信号极其微弱的拉曼散射光作为传感信号，测温精度比较低，常用的提高信噪比的方法是数字累加平均法。数字累加平均法在一定程度上能有效改善信噪比，却增加了测温时间，有时为了达到足够的精度，累加次数要达到数百万次，测温时间被延长到几分钟，严重恶化了拉曼测温系统的实时性。近十几年来，小波分析的多尺度多分辨率特征，使得其在图像处理、智能识别及信号去噪方面得到了广泛应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中对分布式光纤拉曼测温系统提高信噪比导致严重恶化系统的实时性的缺陷，提供一种分布式光纤拉曼测温系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种分布式光纤拉曼测温系统，包括脉冲激光器，波分复用器，传感光纤和双通道雪崩光电二极管；全光纤激光器发出脉冲激光，通过波分复用器后进入到待测传感光纤，脉冲激光在光纤内传播过程中不断产生背向散射，背向散射光返回到波分复用器，经波分复用器滤波后，将斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光分别滤出并进入双通道雪崩光电二极管进行光电转换；该系统还包括DSP数字信号处理器，双通道雪崩光电二极管输出的电信号经过DSP数字信号处理器处理后得到温度信号。

按上述方案，DSP数字信号处理器对双通道雪崩光电二极管输出的电信号的处理包括累加处理、解调处理和小波去噪处理。

按上述方案，DSP数字信号处理器对雪崩光电二极管输出的信号的处理过程包括：

累加处理，采集雪崩光电二极管输出的两通道的信号，并对同一测量点、相同参数的多次重复探测数据进行累加平均运算；

累加处理中利用高速DSP处理器，雪崩光电二极管将实时并行采集系统产生的两束拉曼散射的光强信号转换为电信号。采用上升沿触发方式，确保每次采集到的数据的起始采集点所对应位置的一致性。

将多次采集到的曲线，同一位置的数据点进行累加平均，通过累加平均可在一定程度上去除随机噪声，使曲线平滑。平均的次数越多，信噪比越大，但是测量时间也相应增加。

假设SNR为原始信号的信噪比，那么经过n次累加平均后的信噪比为信噪比提高了倍。则若信噪比要提高2倍，累加次数就要增加4倍，可见，采用累加平均提高信噪比的方法效率较低。

解调处理，根据拉曼散射光强与外界环境温度之间的关系，对累加平均过的两组数据进行温度解调运算；

解调处理中，对累加平均过的两组数据进行温度解调运算是通过累加处理后得到的反斯托克斯拉曼散射信号和斯托克斯拉曼散射信号强度比值计算解调出沿光纤上的温度分布。

计算解调出沿光纤上的温度分布采用以下公式：

R(T,L)=Ias/Is=(Kas/Ks)(Vas/Vs)exp(-hΔv/kT)exp[-(αas-αs)L]

式中，Ias，Is分别为反斯托克斯拉曼散射信号和斯托克斯拉曼散射信号光强；Kas、Ks分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数；Vs为斯托克斯拉曼光子频率；Vas为反斯托克斯拉曼光子的频率；αs、αas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的光损耗系数；L表示光纤中的位置，T表示相应位置的温度；在给定光纤及入纤波长情况下，(Kas/Ks)(Vas/Vs)、(-hΔv/k)、(αas-αs)均可通过测量或者拟合的方式事先确定，只要测量到两束光强的比值Ias/Is，便可计算出对应位置的温度值T，实现解调。

小波去噪处理，对处理后的数据进行小波分解和阈值去噪运算，得到去噪后的温度数据。

小波去噪处理中，小波分解包括：

选取小波基函数，根据小波基函数，计算出对应的滤波器数组h0、h1、h2、h3，并将这四个滤波器载入DSP，其中h0为尺度函数滤波器，h1为小波函数滤波器，h2为尺度函数重构滤波器，h3为小波函数重构滤波器；

利用h0和h1分别对解调的温度数据进行卷积运算，得到原始信号不同层次的尺度系数和小波系数；

小波去噪处理中，阈值去噪运算包括：

应用sqtwolog阈值公式计算所有层次的阈值，其中σ为信号的标准差，n为小波系数的个数总和；

将每层中小于阈值的小波系数置为0，得到去噪后的小波系数；

利用h2和h3两个对应的重构滤波器对经过阈值处理后的小波系数和尺度系数进行重构，得到去噪后的温度结果。

按上述方案，所述的脉冲激光器为全光纤脉冲激光器。

按上述方案，所述的传感光纤为高拉曼散射效应多模光纤。

本发明产生的有益效果是：本发明利用高速DSP数字信号处理器实现小波去噪，处理速度快，在保证精度的前提下能做到不影响测温的实时性。

此外，本发明通过构造分解滤波器、重构滤波器及阈值滤波实现信号的小波去噪，去除噪声信号，提高信号的信噪比，进而进一步提高拉曼测温系统的测温精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例拉曼测温系统的结构图；

其中：10-全光纤脉冲激光器，11-波分复用器，12-双通道雪崩光电二极管，13-DSP数字信号处理器；

图2是本发明实施例小波分解过程详细示意图；

图3是本发明实施例阈值去噪过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图1为分布式拉曼测温系统的结构图，包括全光纤脉冲激光器，波分复用器，传感光纤，双通道雪崩光电二极管，DSP数字信号处理器。本实施例使用的全光纤脉冲激光器的为波长1550nm，脉宽10ns的脉冲激光器，全光纤脉冲激光器10发出波长为1550nm的脉冲激光，经波分复用器11后进入待测传感光纤，传感光纤使用拉曼效应增强型多模光纤，脉冲激光进入光纤后，与光纤材料二氧化硅分子作用，产生背向散射光，散射光包括1663nm附近的斯托克斯拉曼散射光，1450nm附近的反斯托克斯拉曼散射光和1550nm处的瑞利散射光。背向散射光返回光纤头端，经波分复用器11滤波，分别将斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光送入双通道雪崩光电二极管12中。经雪崩光电二极管12光电转换后的电压信号输出至高速DSP数字信号处理器13，经过高速DSP数字信号处理器13累加平均、解调和小波去噪运算后输出温度信号。

高速DSP数字信号处理器13的具体处理过程如下：

累加处理，采集雪崩光电二极管12输出的两通道的信号，并对同一测量点、相同参数的多次重复探测数据进行累加平均运算；

累加处理中利用高速DSP处理器13，雪崩光电二极管12将实时并行采集系统产生的两束拉曼散射的光强信号转换为电信号。采用上升沿触发方式，确保每次采集到的数据的起始采集点所对应位置的一致性。

将多次采集到的曲线，同一位置的数据点进行累加平均，通过累加平均可在一定程度上去除随机噪声，使曲线平滑。平均的次数越多，信噪比越大，但是测量时间也相应增加。

假设SNR为原始信号的信噪比，那么经过n次累加平均后的信噪比为信噪比提高了倍。则若信噪比要提高2倍，累加次数就要增加4倍，可见，采用累加平均提高信噪比的方法效率较低。

解调处理，根据拉曼散射光强与外界环境温度之间的关系，对累加平均过的两组数据进行温度解调运算；

解调处理中，对累加平均过的两组数据进行温度解调运算是通过累加处理后得到的反斯托克斯拉曼散射信号和斯托克斯拉曼散射信号强度比值计算解调出沿光纤上的温度分布。

计算解调出沿光纤上的温度分布采用以下公式：

R(T,L)=Ias/Is=(Kas/Ks)(Vas/Vs)exp(-hΔv/kT)exp[-(αas-αs)L]

式中，Ias，Is分别为反斯托克斯拉曼散射信号和斯托克斯拉曼散射信号光强；Kas、Ks分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数；Vs为斯托克斯拉曼光子频率；Vas为反斯托克斯拉曼光子的频率；αs、αas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的光损耗系数；L表示光纤中的位置，T表示相应位置的温度；在给定光纤及入纤波长情况下，(Kas/Ks)(Vas/Vs)、(-hΔv/k)、(αas-αs)均可通过测量或者拟合的方式事先确定，只要测量到两束光强的比值Ias/Is，便可计算出对应位置的温度值T，实现解调。

小波去噪处理，对处理后的数据进行小波分解和阈值去噪运算，得到去噪后的温度数据。

图2为3层小波分解过程详细示意图，该图详细说明了本系统采用的高速DSP小波去噪的内部过程。6层小波分解可以此类推。对一维信号的小波分解具体过程如下：

选择小波基函数，不同的小波基函数对信号的分析去噪能力不一样，本例中使用的是sym8小波。

分解滤波器计算。在实际应用中，我们使用小波变换的快速算法即Mallat算法来对数据进行小波分解，Mallat算法首先要进行的是分解滤波器的计算，在小波基函数确定的情况下，可得两个分解滤波器h0和h1，分别为尺度滤波器和小波滤波器，高速DSP将尺度滤波器和小波滤波器载入内存中。

a0为直接解调的温度结果，a0与载入高速DSP中尺度滤波器h0进行卷积的结果为a1，即第一层分解的尺度系数；a0与载入高速DSP中小波滤波器h1进行卷积的结果为d1，即第一层分解的小波系数；a1与h0进行卷积的结果为a2，即第二层分解的尺度系数；a1与h1进行卷积的结果为d2，即第一层分解的小波系数；依次类推，即可得不同层次的尺度系数和小波系数。

图3为阈值去噪过程示意图，该部内容也在高速DSP中完成，具体过程如下：

计算第一层小波系数的阈值。阈值采用sqtwolog阈值，为并将阈值载入DSP内存中。

对第一层的小波系数进行阈值处理。将第一层小波系数d1中所有小于第一层阈值T1的系数置为零。大于阈值的系数为特征系数，代表了信号的特征，小于阈值的系数被认为是随机噪声产生的，予以去除。

依此类推，重复第1~2过程，将所有层次的小波系数均予以阈值去噪，得到去噪后的小波系数。

在将所有小波系数均通过阈值去噪后，经小波重构，可得到去噪后的温度信号。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种分布式光纤拉曼测温系统，包括脉冲激光器，波分复用器，传感光纤和双通道雪崩光电二极管；

脉冲激光器发出脉冲激光，通过波分复用器后进入到待测传感光纤，脉冲激光在光纤内传播过程中不断产生背向散射，背向散射光返回到波分复用器，经波分复用器滤波后，将斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光分别滤出并进入双通道雪崩光电二极管进行光电转换；其特征在于，该系统还包括DSP数字信号处理器，双通道雪崩光电二极管输出的电信号经过DSP数字信号处理器处理后得到温度信号；

其中，DSP数字信号处理器对双通道雪崩光电二极管输出的电信号的处理包括累加处理、解调处理和小波去噪处理，具体为：

累加处理，采集雪崩光电二极管输出的两通道的信号，并对同一测量点、相同参数的多次重复探测数据进行累加平均运算；

其中，累加处理中利用DSP数字信号处理器，雪崩光电二极管将实时并行采集系统产生的两束拉曼散射的光强信号转换为电信号；采用上升沿触发方式，确保每次采集到的数据的起始

采集点所对应位置的一致性；

解调处理，根据拉曼散射光强与外界环境温度之间的关系，对累加平均过的两组数据进行温度解调运算；

所述的解调处理中，对累加平均过的两组数据进行温度解调运算是通过累加处理后得到的反斯托克斯拉曼散射信号和斯托克斯拉曼散射信号强度比值计算解调出沿光纤上的温度分布；

其中，计算解调出沿光纤上的温度分布采用

以下公式：

R(T,L)＝Ias/Is＝(Kas/Ks)(Vas/Vs)exp(-hΔ v/kT)exp[-(α as-α s)L]

式中，Ias，Is分别为反斯托克斯拉曼散射信号和斯托克斯拉曼散射信号光强；Kas、Ks分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数；Vs为斯托克斯拉曼光子频率；Vas为反斯托克斯拉曼光子的频率；α s、α as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中的光损耗系数；L表示光纤中的位置，T表示相应位置的温度；在给定光纤及入纤波长情况下，(Kas/Ks)(Vas/Vs)、(-hΔv/k)、(α as-α s)均可通过测量或者拟合的方式事先确定，只要测量到两束光强的比值Ias/Is，便可计算出对应位置的温度值T，实现解调；

小波去噪处理，对处理后的数据进行小波分解和阈值去噪运算，得到去噪后的温度数据；

所述的小波去噪处理中，小波分解包括：

选取小波基函数，根据小波基函数，计算出对应的滤波器数组h0、h1、h2、h3，并将这四个滤波器载入DSP，其中h0为尺度函数滤波器，h1为小波函数滤波器，h2为尺度函数重构滤波器，h3为小波函数重构滤波器；

利用h0和h1分别对解调的温度数据进行卷积运算，得到原始信号不同层次的尺度系数和小波系数；

所述的小波去噪处理中，阈值去噪运算包括：

应用sqtwolog阈值公式计算所有层次的阈值，其中σ为信号的标准差，n为小波系数的个数总和；

将每层中小于阈值的小波系数置为0，得到去噪后的小波系数；

利用h2和h3两个对应的重构滤波器对经过阈值处理后的小波系数和尺度系数进行重构，得到去噪后的温度结果。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤拉曼测温系统，其特征在于，所述的脉冲激光器为全光纤脉冲激光器；所述的传感光纤为高拉曼散射效应多模光纤。