CN103791937B - 一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置，所述的分布式光纤传感系统包括有激光源、光耦合器或环行器、光纤、滤光片、光电转换器和数据采集装置，所述的数据采集装置包括有依次连接的采样和保持单元、过滤器、模拟数字转换器以及处理单元，在采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统；进行数据采集的方法通过控制激光发射、采样和保持单元采样之间的时间间隔，来获取光纤任何位置的定位，以及达成对整条光纤的全分布式测量。本发明的装置和方法降低对模拟数字转换器的转换速度要求，使用廉价的低性能集成器件就能够达到更高的测量精度，并且还能够可控地获得光纤上任意位置的定位以及整条光纤的分布式测量。

Description

一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置与方法

技术领域

本发明涉及到信息数据采集，具体地说，是对分布式光纤传感器的数据进行采集的装置和方法。

背景技术

分布式温度传感器、分布式应力传感器和光时域反射仪都是用来从光纤中收集物理参数数据的反射系统。该系统中激光源向光纤中发射光脉冲，光纤上的每个点都会产生微弱的散射光。一些散射光会背向散射回激光源。背向反射回来的光包含不同波长的光。通过探测这些背向散射光的波长和强度，可以测量出温度，应力或损耗等物理参数。既然光在光纤中的传播速度以及脉冲输入开始时间都是已知的，那么可以计算出背向散射光从光纤中产生的位置。上述系统中背向散射光返回到激光源，通过光耦合器或环行器传至光电探测器。背向散射光转换成的电信号必须通过模拟数字转换器（ADC）转换为数字信号。之后，PC或微处理器可将该原始信号转换为物理数据，如温度或应力。背向反射信号是连续的且与整个光纤的状况相关，因此可以对整个光纤进行分布式的物理量测量。

在现有技术中的数据采集系统如图1所示，图1是传统的数据采集方法的系统结构示意图。该系统结构上包括有激光源1、光纤、光滤波器2、光电转换器3、数据采集系统4。所述的采集系统4包括快速采样器5、模拟数字转换器6、处理单元7。激光源1连接一根光纤并向光纤中发射激光脉冲。光滤波器2过滤背向散射回来的光，将拉曼光、布里渊光或瑞利光提取出来，传输至光电转换器3。光电转换器3接收到波长为激光干涉信号并将其转换成有效的电压信号，快速采样器5根据触发信号进行数据采集。

现有技术的数据采集系统中，假若为使PC或微处理器连续获取间隔1m的光纤上的数据，模拟数字转换器的转换速度必须达到100M/S，那么采样分辨率由模拟数字转换器的采样速度决定。若要求系统的测量精度达到1m（即空间采样率），那么模拟数字转换器的采集间隔必须达到10ns，因此模拟数字转换器的采样频率需达到100MHz。如果采样分辨率为2m，采集间隔可以为20ns，那么模拟数字转换器的采样频率为50MHZ。这将大大提高了模拟数字转换器的要求，将增加系统的成本。

另外，由于数据传输速度高，需要高性能的电子设备计算出平均分布数据，并通过计算将光能转换为温度或其他的物理量。因此如果要降低分布式温度传感系统的成本和功耗，可以通过降低系统的性能来解决，然而若单单降低数据采集速度，例如从100MHz降到50MHz，会使采样间隔从1m增加到2m，2m的采样分辨率不如1m的采样分辨率包含的信息详细，大大限制了其应用精度和应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种新的分布式光纤传感系统中数据采集的装置和方法。本发明数据采集的装置和方法要能够降低对模拟数字转换器的转换速度要求，使用廉价的低性能集成器件就能够达到更高的测量精度，并且还能够可控地获得光纤上任意位置的定位以及整条光纤的分布式测量。

为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置，所述的分布式光纤传感系统包括有激光源、光耦合器或环行器、光纤、滤光片、光电转换器和数据采集装置，所述激光源发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器或环行器后依次进入滤光片和光电转换器，经光滤波和光电转换的电信号进入至数据采集装置中，其特征在于，所述的数据采集装置包括有依次连接的采样和保持单元、模拟数字转换器以及处理单元，所述的采样和保持单元一端连接光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据经模拟数字转换器输入至处理单元；在所述的采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统。

在本发明分布式光纤传感系统中数据采集的装置中，在所述的采样和保持单元与模拟数字转换器之间还设有过滤器，采样和保持单元输出的数据依次经过滤器和模拟数字转换器输入至处理单元。

在本发明分布式光纤传感系统中数据采集的装置中，所述的触发系统中存储有预定用户定义的光纤上的特定位置，配置的第一束激光脉冲在t0时发出，第二束激光脉冲在t1时发出，对应光纤上特定的位置，该t0与t1之间的时间差对应特定位置的长度，该长度由激光在光纤中的传播速度和时延计算得出。

在本发明分布式光纤传感系统中数据采集的装置中，所述的采样和保持单元中设有求平均值模块和数据保持模块，所述的平均值模块接收采样的电信号并求平均值，所述的数据保持模块将所得的平均值保持一定时间。

在本发明分布式光纤传感系统中数据采集的装置中，所述的光电转换器为光电二极管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。

一种利用上述的分布式光纤传感系统中数据采集装置进行数据采集的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，由触发系统在t0时刻触发激光源发出激光脉冲，激光光脉冲经光耦合器输入至光纤中进行传播；

第二步，光纤中传播的光脉冲反射回背向散射光，该背向散射光经耦合器后输入至滤光片获得相应波长的光信号，该光信号再经光电转换器转换成为电信号；

第三步，触发系统在t1时刻触发数据采集装置中的采样和保持单元，该采样和保持单元采集对应t1时刻所对应光纤上反射回来的光信号值，并将该信号值保存一段时间；

第四步，采样和保持单元在将信号值传输至模拟数字转换器前经过过滤器对信号过滤以减少噪声对信号的影响，模拟数字转换器转换一个信号值时下一个信号值被保持一段时间；

第五步，模拟数字转换器有足够时间将信号值从模拟信号转换为数字信号，转换成的数字信号传输至处理单元处理。

一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置，其特征在于，所述的分布式光纤传感系统包括有激光源、光耦合器、光纤、滤光片、第一光电转换器、第二光电转换器和数据采集装置，所述激光源发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器后进入滤光片，经滤光片后分为两束光分别进入第一光电转换器和第二光电转换器，经第一光电转换器和第二光电转换器的电信号输入至数据采集装置中，所述的数据采集装置包括有两套子采集装置，子采集装置均包括有依次连接的采样和保持单元、过滤器、模拟数字转换器和共用的处理单元，一套子采集装置中的采样和保持单元一端连接第一光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据依次经过滤器和模拟数字转换器输入至共用的处理单元，另一套子采集装置中的采样和保持单元一端连接第一光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据依次经过滤器和模拟数字转换器输入至共用的处理单元；在每套子采集装置中所述的采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统。

基于上述技术方案，本发明分布式光纤传感系统中数据采集的装置和方法在实践使用中取得了如下技术效果：

1.本发明的装置和方法通过设计触发系统来控制激光脉冲的发射时间与采集时间，并采用采样和保持单元代替传统的快速采样器，使系统降低对模拟数字转换器的要求，因此可以使用廉价的集成器件来降低成本而不影响整个系统的采集测量精度。

2.本发明方法通过控制激光发射、采样和保持单元采样之间的时间间隔，不但可以获取光纤任何位置的定位，还可以达成对整条光纤的全分布式测量，其具体通过改变采样间隔从而改变时差来持续捕获数据，以达到对光纤的分布式测量。

附图说明

图1是传统的数据采集方法的系统结构示意图。

图2是本发明分布式光纤传感系统中的数据采集装置的结构组成示意图。

图3是本发明通过单个处理单元处理两个波长配置的结构组成示意图。

图4是本发明各项（激光触发器、采样和保持时间、ADC转换时间）的时序关系图。

图5是本发明本发明单个激光触发器采集多个物理量测量的时序关系图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明分布式光纤传感系统中数据采集的装置和方法做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解本发明专利的整体思路和工作流程，但不能够以此来限制本发明的保护范围。

依照光学原理，光在光纤中传播距离和时间的关系如下：光在光纤中的传播速度(v)可以通过光在真空中的速度(c)和光纤的折射率(n)计算得出v=c/n。光在真空中的传播速度大约为3x10⁸m／s，玻璃纤维的折射率大约为1.5，因此光在光纤中的传播速度是在真空中传播速度的2/3。当光脉冲传播到光纤上的某点z，背向散射光沿同一路径返回，因此光信号传输的两条路径的总长为2z。如果光纤中光速为v，而在时间t时采集到背向散射光。那么t=2z/v。对1m的采样分辨率，采集的间隔约为10ns。因此，若要现有分布式光纤传感系统中使PC或微处理器连续获取间隔1m的光纤上的数据，模拟数字转换器的转换速度必须达到100M/S。这将大大提高模拟数字转换器的要求，从而增加整个传感系统的成本。

如图2所示，本发明专利设计了分布式光纤传感系统中数据采集的装置。与现有技术一样，本发明的分布式光纤传感系统包括有激光源、光耦合器或环行器、光纤、滤光片、光电转换器和数据采集装置，所述激光源发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器或环行器后依次进入滤光片和光电转换器，经光滤波和光电转换的电信号进入至数据采集装置中。在改进的数据采集装置中，包括有依次连接的采样和保持单元、模拟数字转换器以及处理单元，所述的采样和保持单元一端连接光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据经模拟数字转换器输入至处理单元。作为优化设置，在采样和保持单元和模拟数字转换器之间设置了过滤器，这样由采样和保持单元输出的数据依次经过滤器和模拟数字转换器输入至处理单元。最为重要的一点，本发明在所述的采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统。

在本发明分布式光纤传感系统中数据采集的装置中，所述的触发系统中存储有预定用户定义的光纤上的特定位置，配置的第一束激光脉冲在t0时发出，第二束激光脉冲在t1时发出，对应光纤上特定的位置，该t0与t1之间的时间差对应特定位置的长度，该长度由激光在光纤中的传播速度和时延计算得出。所述的采样和保持单元中设有求平均值模块和数据保持模块，所述的平均值模块接收采样的电信号并求平均值，所述的数据保持模块将所得的平均值保持一定时间。所述的光电转换器为光电二极管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。

上述的分布式光纤传感系统中数据采集装置进行数据采集的方法，该方法包括如下步骤：

第一步，由触发系统在t0时刻触发激光源发出激光脉冲，激光光脉冲经光耦合器输入至光纤中进行传播；

第二步，光纤中传播的光脉冲反射回背向散射光，该背向散射光经耦合器后输入至滤光片获得相应波长的光信号，该光信号再经光电转换器转换成为电信号；

第三步，触发系统在t1时刻触发数据采集装置中的采样和保持单元，该采样和保持单元采集对应t1时刻所对应光纤上反射回来的光信号值，并将该信号值保存一段时间；

第四步，采样和保持单元在将信号值传输至模拟数字转换器前经过过滤器对信号过滤以减少噪声对信号的影响，模拟数字转换器转换一个信号值时下一个信号值被保持一段时间；

第五步，模拟数字转换器有足够时间将信号值从模拟信号转换为数字信号，转换成的数字信号传输至处理单元处理。

实施例1

图2显示了该发明的一种配置。该配置利用采样和保持单元9代替快速采样器5，同时还有一个触发系统10，该触发系统10控制着脉冲发射的时序。触发系统10会储存预定用户定义的光纤上的特定位置。在该配置中，第一束激光脉冲在t0时发出，而第二束脉冲在t1时发出，对应光纤上特定的位置。t1和t0之间的时间差与特定区域的长度相关，该长度可通过光在光纤中的传播速度和时延计算得出。

该区域的电信号由采样和保持单元9采样并平均。该平均值被保持在系统中，使信号有足够的时间被过滤器11过滤，以此来减少噪声影响，并被传输到模拟数字转换器6，慢速的模拟数字转换器6就有足够的时间来转换这些数据，之后该数字值将被传输到处理单元7。该过程不断的重复，直到形成平均信号以降低噪声的影响。

实施例2

图3是通过单个处理单元处理两个波长的版本。其中分布式光纤传感系统中数据采集的装置有激光源1、光耦合器、光纤、滤光片8、第一光电转换器3、第二光电转换器3`和数据采集装置，所述激光源1发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器后进入滤光片8，经滤光片8后分为两束光分别进入第一光电转换器3和第二光电转换器3`，经第一光电转换器3和第二光电转换器3`的电信号输入至数据采集装置4中，所述的数据采集装置4包括有两套子采集装置，子采集装置均包括有依次连接的采样和保持单元9、过滤器11、模拟数字转换器6和共用的处理单元7，一套子采集装置中的采样和保持单元9一端连接第一光电转换器3以接收数据，采样和保持单元3另一端输出的数据依次经过滤器11和模拟数字转换器6输入至共用的处理单元7，另一套子采集装置中的采样和保持单元9一端连接第一光电转换器3`以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据依次经过滤器11和模拟数字转换器6输入至共用的处理单元7；在每套子采集装置中所述的采样和保持单元9与激光源1之间设有控制脉冲发射时序的触发系统10。

本实施例是基于拉曼散射的分布式测温系统的典型配置，其中拉曼斯托克斯和反斯托克斯光将被过滤出来。这也可以被看作是带有多个采集系统装置。同样，光发射器有多个波长。采样和保持单元多次触发以及多个采集系统的配合，对光纤进行分布式测量。在该配置中，激光脉冲不是由触发系统发出的，而是自生脉冲。触当使用激光束和光学开关（激光束包含巨大的能量时，光学开关会发出输出信号）时，需要先激活触发系统。触发系统一旦发出激光脉冲，采样和保持单元同时启动工作。

图4显示该发明中各项的时序关系，包括激光触发时间，采样和保持电路启动时间，以及模拟数字转换器6转换时间。其中模拟数字转换器6转换时间比抽样时间更长。该时序图显示本发明能够实现激光触发脉冲之间单点位置的测量。激光触发器在t0时将激光脉冲发射入光纤，在t1时采样和保持单元开始采集t2-t1时段的数据。t1-t0的时差取决于光纤测量点的起点位置，而采样时段（t2-t1）决定物理测量的长度。图5显示了该方法也适用于单个激光触发器采集多个物理量测量。

本发明的装置和方法通过设计触发系统来控制激光脉冲的发射时间与采集时间，并采用采样和保持单元代替传统的快速采样器，使系统降低对模拟数字转换器的要求，因此可以使用廉价的集成器件来降低成本而不影响整个系统的采集测量精度。本发明的装置和方法通过控制激光发射、采样和保持单元采样之间的时间间隔，不但可以获取光纤任何位置的定位，还可以达成对整条光纤的全分布式测量。

Claims (7)

1.一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置，所述的分布式光纤传感系统包括有激光源、光耦合器或环行器、光纤、滤光片、光电转换器和数据采集装置，所述激光源发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器或环行器后依次进入滤光片和光电转换器，经光滤波和光电转换的电信号进入至数据采集装置中，其特征在于，所述的数据采集装置包括有依次连接的采样和保持单元、模拟数字转换器以及处理单元，所述的采样和保持单元一端连接光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据经模拟数字转换器输入至处理单元；在所述的采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置，其特征在于，在所述的采样和保持单元与模拟数字转换器之间还设有滤光器。

3.根据权利要求2所述的一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置，其特征在于，所述的触发系统中存储有预定用户定义的光纤上的特定位置，配置的第一束激光脉冲在t0时发出，第二束激光脉冲在t1时发出，对应光纤上特定的位置，该t0与t1之间的时间差对应特定位置的长度，该长度由激光在光纤中的传播速度和时延计算得出。

4.根据权利要求3所述的一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置，其特征在于，所述的采样和保持单元中设有求平均值模块和数据保持模块，所述的平均值模块接收采样的电信号并求平均值，所述的数据保持模块将所得的平均值保持一定时间。

5.根据权利要求1所述的一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置，其特征在于，所述的光电转换器为雪崩光电二极管或PIN光电二极管。

6.一种分布式光纤传感系统中数据采集的装置，其特征在于，所述的分布式光纤传感系统包括有激光源、光耦合器、光纤、滤光片、第一光电转换器、第二光电转换器和数据采集装置，所述激光源发出的激光脉冲经光耦合器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器后进入滤光片，经滤光片后分为两束光分别进入第一光电转换器和第二光电转换器，经第一光电转换器和第二光电转换器的电信号输入至数据采集装置中，所述的数据采集装置包括有两套子采集装置，子采集装置均包括有依次连接的采样和保持单元、过滤器、模拟数字转换器和共用的处理单元，一套子采集装置中的采样和保持单元一端连接第一光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据依次经过滤器和模拟数字转换器输入至共用的处理单元，另一套子采集装置中的采样和保持单元一端连接第二光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据依次经过滤器和模拟数字转换器输入至共用的处理单元；在每套子采集装置中所述的采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统。

7.一种利用权利要求2所述的分布式光纤传感系统中数据采集装置进行数据采集的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，由触发系统在t0时刻触发激光源发出激光脉冲，激光光脉冲经光耦合器输入至光纤中进行传播；

第二步，光纤中传播的光脉冲反射回背向散射光，该背向散射光经耦合器后输入至滤光片获得相应波长的光信号，该光信号再经光电转换器转换成为电信号；

第三步，触发系统在t1时刻触发数据采集装置中的采样和保持单元，该采样和保持单元采集对应t1时刻所对应光纤上反射回来的光信号值，并将该信号值保存一段时间；

第四步，采样和保持单元在将信号值传输至模拟数字转换器前经过过滤器对信号过滤以减少噪声对信号的影响，模拟数字转换器转换一个信号值时下一个信号值被保持一段时间；

第五步，模拟数字转换器有足够时间将信号值从模拟信号转换为数字信号，转换成的数字信号传输至处理单元处理。