CN103808401B - 后向散射光分布式放大装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种后向散射光分布式放大装置，接收后向瑞利散射光信号的光电探测器的输入端与光纤连接，信号放大器的输入端与所述光电探测器的输出端连接，所述信号放大器的输出端与输出信号接口连接，所说的信号放大器的控制端连接增益控制器的输出端，所述增益控制器的其中一个输入端与缓冲器的输出端连接，另一个输入端与参数调节器的输出端连接，所述的缓冲器的输入端与增益控制同步信号接口连接。本发明装置提高了末端信号的放大系数降低了前端信号的放大系数，提高了末端信号的质量，从而增大了系统的测量距离，同时使得前端和末端信号的幅度保持一致。
Description
技术领域
本发明涉及后向散射光分布式放大装置，尤其涉及一种用于分布式光纤振动传感系统后向散射信号放大的装置。
背景技术
分布式光纤振动传感系统主要用于交通、电力、煤矿、石化等行业，其作用是对这些重要的场所进行实时监控。它对与保证工业系统设备正常运行，保障生命和财产的安全起着重要的作用。
现有的分布式光纤振动传感系统是由激光器、脉冲调制器、同步控制器、光纤放大器、环形器、滤光器、光电探测器、信号放大器、数据采集器和计算机组成。其工作原理为：激光器连续不断地向传感光纤中发射脉冲光，激光在光纤中传输过程中会发生后向散射，通过环形器和分光器将后向散射光中的瑞利光谱分离出来，再经过光电转换和信号放大处理后进行数据采集，然后再将采集到的数据送往数据处理器计算机进行处理计算，最终得出整条振动曲线数据。
在分布式光纤振动传感系统中,信号放大装置是非常重要的一个部分。由于后向散射光信号很弱，同时分布式光纤振动传感系统一般测量距离都要达到数十公里。因此，数十公里末端返回来的信号非常弱，不采用放大技术手段是无法测量到我们所需要的结果的。现有的放大方法是采用相同的放大系数对整条瑞利后向散射曲线进行放大。但由于瑞利后向散射曲线的分布式成指数衰减的，即前端的信号强后端的信号弱。因此，现有的方法存在如下的缺陷和不足：1.放大系数大会导致曲线前段信号饱和失真，使得测量结果出错；2.放大系数小会导致曲线末端信号放大不够，使得末端信号质量差，最终导致测量结果误差大；3.曲线末端振动信号弱，从而降低了系统的测量距离；4.振动信号的振动幅度不一致，曲线前端信号振动幅度大，曲线末端信号振动幅度小。所以，仍然需要对现有分布式光纤传感系统的放大装置进行进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种可以根据后向散射曲线的位置分布，分时对不同的位置使用不同的放大系数进行放大的放大装置及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种后向散射光分布式放大装置，接收后向瑞利散射光信号的光电探测器的输入端与光纤连接，信号放大器的输入端与所述光电探测器的输出端连接，所述信号放大器的输出端与输出信号接口连接，所说的信号放大器的控制端连接增益控制器的输出端，所述增益控制器的其中一个输入端与缓冲器的输出端连接，另一个输入端与参数调节器的输出端连接，所述的缓冲器的输入端与增益控制同步信号接口连接。
所述的光电探测器采用将瑞利后向散射光信号转换电信号的高灵敏度APD雪崩二极管；所述的增益控制器是采用FPGA作为核心运算单元；所述的信号放大器是采用增益可调信号放大器；所述的输出信号接口和增益控制同步信号接口采用采用SMA接口，所述的参数调节器是采用8位拨码开关模块。
一种后向散射光分布式放大装置的控制方法
步骤1、系统同步控制器通过增益控制同步信号接口和缓冲器向增益控制器发送同步信号；
步骤2、增益控制器根据同步信号的同步时间点，随时间变化赋予信号放大器不同的放大系数；
步骤3、信号放大器根据增益控制器传送来的放大系数参数，对整条瑞利后向散射曲线进行分时放大；
步骤4、被放大后的信号经输出信号接口输送给系统的采集装置中。
所述的增益控制器根据系统同步脉冲信号的同步时刻点将整条后向散射曲线分成若干个10ns宽度，对每个时刻分别赋予不同的放大系数进行放大。
所述的步骤2中，当增益控制器接收到同步脉冲后，从同步信号的同步时刻开始每10ns产生一个指数计算结果，计算公式：y=k*αn，其中y为放大系数计算结果，k为线性放大倍数，k为一个固定的值，α为光纤的每米衰减系数。
所述的增益控制器从参数调节器中读取光纤衰减参数和光纤长度参数。
所述的参数调节器高4位用于光纤衰减参数设置，低4位用于光纤长度设置。
本发明与传统的信号放大装置相比具有如下优点和积极效果：
1、消除了放大系数大时导致的曲线前段信号饱和失真，从而消除了由于信号失真导致的测量结果的错误；
2、提高了曲线末端信号的放大系数，提高了末端信号的质量，从而使得测量结果更加准确；
3、提高了曲线末端信号的信噪比，从而提高了系统的测量距离；
4、整条曲线的振动幅度一致，降低了后期振动事件识别的技术难度。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为后向散射光分布式放大装置系统框图；
图2为同步脉冲和放大系数调节脉冲示意图；
上述图中的标记均为：1、光电探测器；2信号放大器；3、输出信号接口；4、增益控制同步信号接口；5、缓冲器；6、增益控制器；7、参数调节器。
具体实施方式
本发明是一种后向散射光分布式放大装置，该装置根据后向散射曲线的位置分布，分时对不同的位置使用不同的放大系数进行放大，消除了曲线前段的放大饱和现象，同时增加了曲线末端信号的放大倍数，提高了曲线末端信号的质量，同时，通过分时对不同的位置使用不同的放大系数进行放大，实现了曲线前端信号和末端信号的振动幅度保持一致。
参见图1可知，该装置包括光电探测器1、信号放大器2、输出信号接口3、增益控制同步信号接口4、缓冲器5、增益控制器6、参数调节器7，光电探测器1将后向瑞利散射光信号转换电信号，经过信号放大器2放大后由输出信号接口3输出，信号放大器2的放大系数由增益控制器6控制，随时间变化进行调节，增益控制器6通过增益控制同步信号接口4和缓冲器5接收来自系统的同步脉冲信号，增益控制器6根据同步脉冲信号的同步时刻点，产生连续的脉冲宽度为10ns的脉冲信号，并对每一个10ns脉冲时刻内赋予不同的放大系数，用于控制信号放大器2的放大系数。
增益控制器6从参数调节器7中读取参数数据，参数调节器7是8位拨码开关，其中高位用于光纤衰减参数设置，低位用于光纤长度设置；光电探测器1采用高灵敏度APD雪崩二极管来探测瑞利后向散射光信号，将光信号转换电信号；信号放大器2采用增益可调信号放大器2，优选德州仪器公司的VCA824放大模块实现的；输出信号接口3和增益控制同步信号接口4均采用SMA接口，SMA接口可有效隔离外界干扰信号对系统的影响；缓冲器5是采用德州仪器公司的CD4502BE缓冲器5模块；增益控制器6采用FPGA作为核心运算单元，优选Xilinx公司的高速FPGA来实现的。
基于上述后向散射光分布式放大装置的控制方法如下：
步骤1、系统同步控制器通过增益控制同步信号接口4和缓冲器5向增益控制器6发送同步信号；
步骤2、增益控制器6根据同步信号的同步时间点，随时间变化赋予信号放大器2不同的放大系数；
步骤3、信号放大器2根据增益控制器6传送来的放大系数参数，对整条瑞利后向散射曲线进行分时放大；
步骤4、被放大后的信号经输出信号接口3输送给系统的采集装置中。
如图2所示，步骤2中当增益控制器6接收到同步脉冲信号后，根据同步脉冲信号的同步时刻点，产生连续的脉冲宽度为10ns的脉冲信号，并对每一个10ns脉冲时刻内赋予不同的放大系数，用于控制信号放大器2的放大系数。步骤2中当增益控制器6接收到同步脉冲后，从同步信号的同步时刻开始每10ns（纳秒）产生一个指数计算结果，计算公式：y=k*αn。根据光在光纤中的传输速度2*108m/s（米/秒），则10ns的脉冲宽度相当于1米的光纤长度。计算公式中：y为放大系数计算结果，k为线性放大倍数，k为一个固定的值，α为光纤的每米衰减系数（即第一点与下一点的功率比）,计算方法如下：
假设光纤衰减为0.15dB/km，P1、P2分别为第1米处和第2米处的光功率，则计算公式为：
10lg(P1)-10lg(P2)=0.15dB/1000=0.00015dB
=>10lg(P1/P2)=0.00015dB
=>P1/P2=100.000015=1.0000345
由于后向散射光的衰减是来回双向的，当光纤衰减为0.15dB/km时，α的值为：α=102*0.000015=1.00006908。
步骤3中，获得分时放大结果方法与步骤2相同，根据所使用的放大器的放大系数和输入控制电压进行控制，本发明中增益控制器6可计算出某一米的放大倍数后就会根据放大器的对应关系输出一个控制电压来控制。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.后向散射光分布式放大装置，接收后向瑞利散射光信号的光电探测器的输入端与光纤连接，信号放大器的输入端与所述光电探测器的输出端连接，所述信号放大器的输出端与输出信号接口连接，其特征在于：所说的信号放大器的控制端连接增益控制器的输出端，所述增益控制器的其中一个输入端与缓冲器的输出端连接，另一个输入端与参数调节器的输出端连接，所述的缓冲器的输入端与增益控制同步信号接口连接。
2.根据权利要求1所述的后向散射光分布式放大装置，其特征在于：所述的光电探测器采用将后向瑞利散射光信号转换电信号的高灵敏度APD雪崩二极管；所述的增益控制器是采用FPGA作为核心运算单元；所述的信号放大器是采用增益可调信号放大器；所述的输出信号接口和增益控制同步信号接口采用SMA接口，所述的参数调节器是采用8位拨码开关模块。
3.后向散射光分布式放大装置的控制方法，其特征在于：
步骤1、系统同步控制器通过增益控制同步信号接口和缓冲器向增益控制器发送同步信号；
步骤2、增益控制器根据同步信号的同步时间点，随时间变化赋予信号放大器不同的放大系数；
步骤3、信号放大器根据增益控制器传送来的放大系数参数，对整条后向瑞利散射曲线进行分时放大；
步骤4、被放大后的信号经输出信号接口输送给系统的采集装置中。
4.根据权利要求3所述的后向散射光分布式放大装置的控制方法，其特征在于：所述的增益控制器根据系统同步脉冲信号的同步时刻点将整条后向散射曲线分成若干个10ns宽度，对每个时刻分别赋予不同的放大系数进行放大。
5.根据权利要求4所述的后向散射光分布式放大装置的控制方法，其特征在于：所述的增益控制器从参数调节器中读取光纤衰减参数和光纤长度参数。
6.根据权利要求5所述的后向散射光分布式放大装置的控制方法，其特征在于：所述的参数调节器高4位用于光纤衰减参数设置，低4位用于光纤长度设置。
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