CN103134610A - 一种带协处理器的分布式光纤测温系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带协处理器的分布式光纤测温系统及其实现方法，所述带协处理器的分布式光纤测温系统包括：窄脉冲激光光源、光纤波分复用耦合器、传感光缆、光电探测器、小信号放大模块、高速数据采集及累加模块及系统主机，其特征在于：还包括高速协处理模块。本发明有益效果在于：在系统中采用高速协处理模块，使得分布式光纤测温系统对信号处理的灵活性大大提高，系统既可以不对信号进行滤波而满足低精度快响应的应用要求；也可以采用协处理器对信号进行滤波而提高信噪比，从而提高系统测温精度，满足高精度的应用要求。同样的系统，只需要做不同的配置，就可以满足不同的应用场合，从而解决了针对不同的应用要求使用不同系统的问题。

Description

一种带协处理器的分布式光纤测温系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤测温系统技术领域，尤其涉及一种带协处理器的分布式光纤测温系统及其实现方法。

背景技术

分布式光纤测温系统(以下称DTS系统)广泛应用于各种火灾监控现场，例如公路隧道、地铁隧道、电力电厂的动力电缆隧道、石油化工储油罐等现场。目前DTS系统的应用领域按测温精度技术指标要求主要分为两种，第一种是要求快速响应但测温精度要求不高(如测温精度为±5℃)的应用，例如公路隧道等消防监测现场；第二种是对测温响应速度没有要求(例如要求每30分钟响应一次)，但对测温精度要求很高(如测温精度为±0.1℃)的应用，例如动力电缆温度监测、储油罐温度监测、海底油井温度监测。由于第一种应用对测温精度要求比较低，一般厂家制造的DTS系统完全可以满足要求；而第二种应用对测温精度要求比较高，通常需要对信号进行复杂的滤波处理，即提高DTS系统的测温精度，也就是如何降低系统噪声。这一技术已经成为高校院所及厂家大力研究的重点，这些研究包括对信号进行滤波和系统硬件平台的改进等。

DTS系统根据拉曼散射原理来解调温度信息，由于拉曼散射光十分微弱，因此光电转换(一般采用APD作为光电转换器)后产生的电信号也很微弱，信号几乎全部淹没在噪声中。传统的信号提取方法是多次采集信号，然后把这些信号累加后再平均，则可以有效降低噪声。但是DTS系统主要噪声是白噪声，白噪声是宽带噪声，也就是其带宽很宽，通过累加和平均方法，可以有效消除大部分，但系统信噪比还是不理想，因此系统解调出来的温度信号其噪声也比较大，也就是温度精度不够高。为了改善系统信噪比，提高系统DTS系统测温精度，目前主要采用FFT变换、小波变换等算法。但是，这些算法都比较复杂，需要比较好的硬件平台才能使得这些算法付诸实践。

因此建立一个硬件平台，使得系统能够灵活地对数据进行处理，既能满足低精度快响应要求，也能满足高精度(支持复杂算法)慢响应要求，这对分布式光纤测温技术的发展具有重要意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种带协处理器的分布式光纤测温系统及其实现方法，以方便系统对信号进行滤波来提高信噪比，提高系统对对信号处理的灵活性。

为了达到上述目的，本发明采用一种带协处理器的分布式光纤测温系统，包括：窄脉冲激光光源、光纤波分复用耦合器、传感光缆、APD(光电探测器)、小信号放大模块、高速数据采集及累加模块及系统主机，其特征在于：还包括高速协处理模块。

所述高速协处理模块包括第一高速数据缓存模块、第二高速数据缓存模块以及高速处理器。

系统各个部分功能如下：

所述窄脉冲激光光源，其功能是产生窄脉冲激光，窄脉冲激光通过光纤波分复用耦合器进入传感光缆，并沿着传感光缆向前传输，同时在光缆内部产生后向传输的拉曼散射光；拉曼散射光向后沿着光缆传输，回到光纤波分复用耦合器，并进入光电探测器，产生光电转换。

所述光纤波分复用耦合器，其功能是：1、使得脉冲激光可以从多窄脉冲激光光源通过光纤波分复用耦合器，只能进入到传感光缆，但不能进入到光电探测器；2、使得拉曼散射光可以从传感光缆通过光纤波分复用耦合器，只能进入到光电探测器，但不能进入到多窄脉冲激光光源。

所述传感光缆，其功能是探测光缆所处环境的温度变化。当光缆所处环境温度发生变化时，其内部的拉曼散射光强度也发生变化，根据这一变化，就可以解调出光缆所处环境的温度信息。进一步地，所述传感光缆沿着需要监测的防区铺设，其长度通常在几公里到十几公里。

所述APD(光电探测器)，其功能是把光信号转变成电信号；通常光信号是功率微弱的光信号，转变成的电信号也是微弱的电信号。

所述小信号放大模块，其功能是对光电探测器产生的微弱电信号放大。

所述高速数据采集及累加模块，其功能是完成电信号模拟到数字的转换并实现数据采集；如果需要对数据进行预处理，则把采集到的数据先送到高速协处理模块进行信号的预处理，然后再对数据进行累加；如果不需要对数据进行预处理，则直接把采集到的数据进行累加。累加结果输出到系统主机。

进一步地，所述高速数据采集及累加模块包括高速模数转换器(ADC)和高速FPGA，高速模数转换器实现模拟信号到数字信号的转换，通常采样率达到100MHz；高速FPGA负责数据采集和数据累加，并根据需要，把数据送入高速协处理模块进行预处理。

进一步地，所述高速数据采集及累加模块主要利用了FPGA速度快、并行处理能力强、便于实现流水线处理的特点，适合于进行数据采集、流水线累加以及并行数据传输等处理。

所述高速协处理模块，其功能是完成信号的预处理。所述信号预处理通常是对信号进行滤波，例如FFT运算，小波变换等。

所述高速协处理模块使得系统对信号的处理的灵活性大大增加；例如对于测温速度要求比较快而测温精度要求不高的应用(例如消防现场)，则可以选择对信号不做预处理而直接进行累加；对于测温速度要求比较低而测温精度要求比较高的应用(例如动力电缆温度监测、储油罐温度监测、海底油井温度监测)用选择协处理器对信号进行滤波，例如对信号做小波变换，滤波，然后做小波重构，从而获得信噪比比较高的信号。

所述第一高速数据缓存模块和第二高速数据缓存模块，其功能是缓存数据，通常采用FIFO(先进先出存储器)实现，使得不同的处理器接口传输速度得到匹配。

所述高速数据处理器，其功能是实现信号的预处理，通常是指对信号进行滤波。对DTS系统信号，信号预处理可以采用FFT变换或者小波变换等算法进行滤波，这些算法具有运算量大、结构复杂、内存开销大等特点，因此高速数据处理器通常采用DSP等专用信号处理器件实现。

所述系统主机(PC机或工控机)，其功能是完成温度解调、温度曲线显示、产生报警信息等处理。

进一步地，所述窄脉冲激光光源和高速数据采集模块是根据同步信号来协同工作的，同步信号的作用是使得高速数据采集模块得以在正确的时刻采集有用信号。同步信号是脉冲信号，具有一定的重复频率，例如重复频率为2kHz；同步信号可由光源产生或由高速数据采集模块产生。当同步信号产生时，光源产生脉冲激光，这时高速数据采集模块采集到的一段数据是有效的，数据长度与系统所配置的光缆长度有关，例如每一米光缆对应一个数据。

一种带协处理器的分布式光纤测温系统的实现方法，包括如下步骤：

第一步，当同步脉冲产生时，窄脉冲激光光源产生窄脉冲激光，该脉冲激光通过光纤波分复用耦合器后进入传感光缆，并产生拉曼散射光；

第二步，拉曼散射光通过传感光缆向后传输，经过光纤波分复用耦合器后到达光电探测器并产生光电转换，从而获得微弱电信号；

第三步，该微弱电信号经小信号放大模块放大后进入高速数据采集及累加模块；

第四步，高速数据采集及累加模块完成对信号的采集，获得信号的原始数据；这些数据包含有用信号和噪声；

第五步，高速数据采集及累加模块把采集到的信号的原始数据送入高速协处理模块进行滤波；

第六步，高速协处理模块利用信号处理滤波算法对信号的原始数据进行滤波，包含以下几个步骤：

步骤1，对原始数据进行某种数学变换，例如FFT变换或小波变换。

步骤2，对变换后的数据进行滤波，滤除掉原始信号中的噪声分量。

步骤3，对滤波后的信号进行反变换，获得滤波后的时域信号。

步骤1～步骤3达到消除部分噪声的目的，即抑制噪声，在实际信号中恢复比较真实的信号。但是，仍有部分噪声混合在信号中，仍需要传统的累加后平均处理方法进行处理；

第七步，高速协处理模块把滤波后的数据发回高速数据采集及累加模块；

第八步，高速数据采集及累加模块把滤波后的数据进行累加，重复第一步到第八步，直到系统设定的累加次到达；例如系累加次数为10000次，则重复第一步到第八步10000次；

第九步，累加次数达到后，系统获得一组经滤波并累加后的数据，高速数据采集及累加模块把这组数据传输给系统主机；

第十步，系统主机用温度解调算法解调出温度信号，并显示在监视器上。

本发明有益效果在于：采用高速协处理模块，使得分布式光纤测温系统对信号处理的灵活性大大提高，系统既可以不对信号进行滤波而满足低精度快响应的应用要求；也可以采用协处理器对信号进行滤波而提高信噪比，从而提高系统测温精度，满足高精度的应用要求。同样的系统，只需要做不同的配置，就可以满足不同的应用场合，从而解决了针对不同的应用要求使用不同系统的问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

主要组件符号说明：

1、窄脉冲激光光源；    7、高速协处理模块；

2、光纤波分复用耦合器；71、第一高速数据缓存模块；

3、传感光缆；          72、第二高速数据缓存模块；

4、APD(光电探测器)；   73、高速数据处理器；

5、小信号放大模块；    8、系统主机；

6、高速数据采集及累加模块；

具体实施式

下面结合附图1进一步说明本发明的具体实施步骤。

实施例1：针对高精度慢响应的要求，以小波变换滤波作为例子来对具体实施方式作进一步详细说明。

小波变换是一种信号的时频分析，它具有多分辨率的特点，可以方便地从混有强噪声的信号中提取原始信号，被誉为分析信号的显微镜。试验表明，小波变换对弱信号的提取具有良好的效果，即小波变换可以有效地对DTS系统信号进行滤波，提高系统信噪比，从而提高系统精度。采用小波变换作为滤波，具体实现的步骤如下：

第一步，当同步脉冲产生时，窄脉冲激光光源1产生窄脉冲激光，该脉冲激光通过光纤波分复用耦合器2后进入传感光缆3，并产生拉曼散射光；

第二步，拉曼散射光通过传感光缆3向后传输，经过光纤波分复用耦合器2后到达光电探测器4并产生光电转换，从而获得微弱电信号；

第三步，该微弱电信号经小信号放大模块5放大后进入高速数据采集及累加模块6；

第四步，高速数据采集及累加模块6完成对信号的采集，获得信号的原始数据，这些数据包含有用信号和噪声；

第五步，高速数据采集及累加模块6把采集到的信号的原始数据送入高速协处理模块7进行滤波。

第六步，高速协处理模块7对信号的原始数据进行滤波，包含以下几个步骤：

步骤1，对原始数据进行小波分解，分解层次为N，取N＝4，则噪声部分通常包含在高频中；

步骤2，对小波分解的高频系数进行门限阈值量化处理，例如高频系数大于门限阀值时使之归0；

步骤3，根据小波分解的第4层低频系数和经过量化后的1～4层高频系数进行小波重构；

上述步骤1～步骤3达到消除部分高频噪声的目的，即抑制了噪声，在实际信号中恢复比较真实的信号。但是，那些混合在第4层低频系数中的噪声通过小波变换滤波还没法消除，仍然需要传统的累加后平均处理方法进行处理。

第七步，高速协处理模块7把滤波后的数据发回高速数据采集及累加模块6。

第八步，高速数据采集及累加模块6把滤波后的数据进行累加，重复第一步到第八步，直到系统设定的累加次到达，例如系累加次数为10000次，则重复第一步到第八步10000次；

第九步，累加次数达到后，系统获得一组经滤波并累加后的数据，高速数据采集及累加模块6把这组数据传输给系统主机8。

第九步，系统主机8用温度解调算法解调出温度信号，并显示在监视器上。

实施例2：下面针对低精度快响应的要求对具体实施方式作进一步详细说明。

由于对测温精度要求较低而对响应速度要求较快，DTS系统对信号的处理一般采用直接累加后平均的方式，不需要对原始信号进行滤波处理。具体实现的步骤如下：

第一步，当同步脉冲产生时，窄脉冲激光光源1产生窄脉冲激光，该脉冲激光通过光纤波分复用耦合器2后进入传感光缆3，并产生拉曼散射光；

第二步，拉曼散射光通过传感光缆3向后传输，经过光纤波分复用耦合器2后到达光电探测器4并产生光电转换，从而获得微弱电信号；

第三步，该微弱电信号经小信号放大模块5放大后进入高速数据采集及累加模块6；

第四步，高速数据采集及累加模块6完成对信号的采集，获得信号的原始数据；这些数据包含有用信号和噪声。

第五步，高速数据采集及累加模块6对信号原始数据进行累加。

重复第一步到第五步，直到系统设定的累加次数到达，例如系统累加次数为10000次，则重复第一步到第五步10000次；

第六步，累加次数达到后，高速数据采集及累加模块6把这组数据传输给系统主机8。

第七步，系统主机8用温度解调算法解调出温度信号，并显示在监视器上。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (4)

1.一种带协处理器的分布式光纤测温系统，包括：窄脉冲激光光源、光纤波分复用耦合器、传感光缆、APD(光电探测器)、小信号放大模块、高速数据采集及累加模块及系统主机，其特征在于：还包括高速协处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种带协处理器的分布式光纤测温系统，其特征在于：所述高速协处理模块包括第一高速数据缓存模块、第二高速数据缓存模块以及高速处理器。

3.一种带协处理器的分布式光纤测温系统的实现方法，包括如下步骤：

第一步，当同步脉冲产生时，窄脉冲激光光源产生窄脉冲激光，该脉冲激光通过光纤波分复用耦合器后进入传感光缆，并产生拉曼散射光；

第二步，拉曼散射光通过传感光缆向后传输，经过光纤波分复用耦合器后到达光电探测器并产生光电转换，从而获得微弱电信号；

第三步，该微弱电信号经小信号放大模块放大后进入高速数据采集及累加模块；

第四步，高速数据采集及累加模块完成对信号的采集，获得信号的原始数据；这些数据包含有用信号和噪声；

第五步，高速数据采集及累加模块把采集到的信号的原始数据送入高速协处理模块进行滤波；

第六步，高速协处理模块利用信号处理滤波算法对信号的原始数据进行滤波；

第七步，高速协处理模块把滤波后的数据发回高速数据采集及累加模块；

第八步，高速数据采集及累加模块把滤波后的数据进行累加，重复第一步到

第八步，直到系统设定的累加次到达；

第九步，累加次数达到后，系统获得一组经滤波并累加后的数据，高速数据采集及累加模块把这组数据传输给系统主机；

第十步，系统主机用温度解调算法解调出温度信号，并显示在监视器上。

4.根据权利要求3所述的一种带协处理器的分布式光纤测温系统的实现方法，所述第六步包括如下步骤：

步骤1，对原始数据进行某种数学变换，例如FFT变换或小波变换；

步骤2，对变换后的数据进行滤波，滤除掉原始信号中的噪声分量；

步骤3，对滤波后的信号进行反变换，获得滤波后的时域信号。

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