CN104914895B - 一种分布式光纤测温系统增益稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，采用分布式光纤测温系统进行增益稳定控制，所述系统包括依次连接的激光发生器、带双向耦合器的波分复用器、光纤恒温盒、外接光纤、以及与波分复用器相连的APD放大模块、与APD放大模块相连的采集控制模块，该方法通过标定和增益稳定调节过程同时解决了APD的增益变化与激光源功率随温度变化的问题，从而提高了系统的测温稳定性与测温精度；本发明通过建立温度—光均值对应表，将当前求得的光均值与当前读取的温度所对应的温度—光均值对应表中的光均值作比较，根据差值大小来调节APD的偏压值，确保系统增益保持稳定，该方法可靠性高、操作方便、通用性强，便于工业生产应用。

Description

一种分布式光纤测温系统增益稳定控制方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤温度传感技术领域，具体涉及一种反馈控制的分布式光纤测温系统增益稳定控制方法。

背景技术

分布式光纤测温系统的稳定性经常会受到激光源、APD模块的影响，影响分布式光纤测温系统稳定性和测温精度。分布式光纤测温系统作为典型的光电子系统，要求脉冲激光源具有极高的稳定性，要求激光器的输出功率稳定。激光器被长时间使用，输出功率会自然老化并降低。环境温度的变化也影响着激光器的输出功率稳定。APD模块中的光电二极管内部含有极高的增益，但APD模块增益对温度变化和偏置电压极为敏感。APD模块增益变化必然改变斯托克斯与反斯托克斯的信号强度，从而对测温精度产生影响。为保证探测模块稳定，需要设计合适的温度监测和反馈电路，但维持APD模块、激光源温度稳定或基于温度反馈APD偏压控制方法等措施实现复杂并且长期运行并不可靠。

中国专利文献中，公开号CN102098016A、名称是一种雪崩光电二极管增益稳定的控制装置和控制方法(参见该申请说明书具体实施方式部分)，公开了一种雪崩光电二极管增益稳定的控制装置和控制方法，装置由偏压控制电路、APD探测电路、数据采集卡和计算机构成，控制方法是计算机直接判断数据采集卡采集的平均数字信号与设定信号值的差别大小并由计算机发出雪崩光电二极管偏压调节命令，通过偏压控制电路反馈控制APD偏置电压，整个装置形成一个闭环反馈系统，对APD放大增益进行微调从而达到使采集到的数字信号稳定的目的。但是，上述方法并没有解决因分布式光纤测温系统长期工作导致激光源功率下降而带来的系统测温不准的影响，而且上述方法只提出了将采集的数字信号进行累加平均获得平均数字信号，将该平均数字信号与设定值进行比较，也没有指出设定值的获取方法。

因此，为了同时解决APD的增益变化与激光源功率随温度变化的问题，研究一种可靠性高、操作方便、通用性强的增益稳定控制方法已经成为一项重要任务。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，目的是通过标定和增益稳定调节过程同时解决APD的增益变化与激光源功率随温度变化的问题。

本发明的技术方案为：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，采用分布式光纤测温系统进行增益稳定控制，所述系统包括依次连接的激光发生器、带双向耦合器的波分复用器、光纤恒温盒、外接光纤，还包括与波分复用器相连的APD放大模块、与APD放大模块相连的采集控制模块，所述光纤恒温盒内设置有温度传感器和TEC控制模块，采集控制模块内设置有温度控制电路和偏压控制电路，所述采集控制模块通过温度控制接口与光纤恒温盒连接，并通过偏压调节输出端与APD放大模块的偏压调节输入端相连，其特征在于：所述增益稳定控制方法包括标定过程和增益稳定调节过程，所述标定过程具体包括以下步骤：

步骤a1、采集控制模块通过温度控制电路预先设定好温度，再将预先设定好的温度通过温度控制接口向光纤恒温盒发送至指令，从而使光纤恒温盒稳定在设定好的温度上；

步骤a2、通过设置在采集控制模块内的采集端口采集两路光信号的电压值并进行累加平均；

步骤a3、采集控制模块截取光纤恒温盒中光纤所对应的采集信号中的数据，从而对截取的数据求均值并记录光均值；

步骤a4、改变预设温度，判断系统工作温度是否遍历，若否，则采集控制模块再次向光纤恒温盒发送温度指令，使光纤恒温盒稳定在改变后的预设温度上，重复步骤a2-a3；若是，则进入步骤a5；

步骤a5、当系统工作温度遍历后，取得各个温度下光纤恒温盒内光纤光强的均值，建立一张温度—光均值对应表，从而完成标定过程；

所述增益稳定调节过程具体包括以下步骤：

步骤b1、通过设置在采集控制模块内的采集端口采集两路光信号的电压值并进行累加平均；

步骤b2、采集控制模块截取光纤恒温盒中光纤所对应的采集信号中的数据，从而对截取的数据求均值并记录下当前求得的光均值；

步骤b3、采集控制模块读取当前光纤恒温盒中温度传感器的温度；

步骤b4、采集控制模块将当前求得的光均值与当前读取的温度所对应的温度—光均值对应表中的光均值作比较，若两者差值的绝对值在设定值的允许范围内，不进行APD偏压的调节；若两者差值的绝对值大于设定值的允许范围，采集控制模块将会通过偏压控制电路输出对应的偏压值，对APD放大模块的放大倍数进行调节，从而使系统保持稳定。

与现有技术相比，本发明通过对APD放大模块的偏压值进行反馈调节来控制整个分布式光纤测温系统的增益稳定；通过采集控制模块内的温度控制电路来预先设定好温度，并将预先设好的温度指令通过温度控制接口发送给光纤恒温盒，光纤恒温盒通过TEC控制模块调节光纤恒温盒内温度的高低，从而使光纤恒温盒稳定在设定好的温度上；而温度传感器则用来检测光纤恒温盒内的温度，用于进行偏压调节；采集控制模块通过偏压控制电路输出APD放大模块的偏压值，从而调节APD放大模块的放大倍数。本发明采用的系统具有体积小，功耗低、可靠性高、成本低等优点，同时还能解决APD增益随温度变化和激光源功率随温度变化的问题。

所述光纤恒温盒具有温度调节功能，通过光纤恒温盒内的TEC控制模块使光纤恒温盒内光纤的温度达到指令控制的温度。

所述步骤b3中的设定值的允许范围为读取的温度所对应的温度—光均值对应表中的光均值的0-20％。

所述激光发生器用于发出光脉冲，光脉冲的峰值波长为1550nm，激光发生器的功率可调，发出的光脉冲频率以及脉冲宽度可调。

所述波分复用器用于滤出后向散射光中的拉曼成分，滤出两束光的波长分别为1450nm和1663nm；波分复用器接收激光发生器发出的光脉冲，并将光脉冲打入光纤，1550nm的光脉冲在光纤中发生散射，背向散射光进入波分复用器，波分复用器能够有效滤出背向散射光的拉曼成分，滤出波长分别为1450nm和1663nm的两束光输出给APD放大模块，APD放大模块对两束光信号进行放大并将放大后的信号输出给采集控制模块。

所述采集控制模块包括两个通道的采集端口，用于采集两路光信号的电压值并进行累加平均。

所述采集控制模块具有两个偏压调节输出端口，APD放大模块具有两个偏压调节输入端口，两个偏压调节输出端口用来输出两通道范围为45-50V的偏压值输送至APD放大模块。

本发明的技术效果为：

本发明提供了一种分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，通过标定和增益稳定调节过程同时解决了APD的增益变化与激光源功率随温度变化的问题，从而提高了系统的测温稳定性与测温精度；本发明通过建立温度—光均值对应表，将当前求得的光均值与当前读取的温度所对应的温度—光均值对应表中的光均值作比较，根据差值大小来调节APD的偏压值，确保系统增益保持稳定，该方法可靠性高、操作方便、通用性强，并且便于工业上的生产应用。

附图说明

图1为本发明分布式光纤测温系统结构示意图。

图2为本发明分布式光纤测温系统增益稳定控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图1-图2所示，本发明提供了一种分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，采用分布式光纤测温系统进行增益稳定控制，所述系统包括依次连接的激光发生器、带双向耦合器的波分复用器、光纤恒温盒、外接光纤，还包括与波分复用器相连的APD放大模块、与APD放大模块相连的采集控制模块；所述光纤恒温盒内设置有温度传感器和TEC控制模块，采集控制模块内设置有温度控制电路和偏压控制电路，所述采集控制模块通过温度控制接口与光纤恒温盒连接，并通过偏压调节输出端与APD放大模块的偏压调节输入端相连，采集控制模块具有两个偏压调节输出端口，APD放大模块具有两个偏压调节输入端口，采集控制模块的偏压调节输出端口与APD放大模块的偏压调节输入端口相连，两个偏压调节输出端口用来输出两通道范围为45-50V的偏压值输送至APD放大模块。激光发生器用于发出光脉冲，光脉冲的峰值波长为1550nm，激光发生器的功率可调，发出的光脉冲频率以及脉冲宽度可调。波分复用器用于滤出后向散射光中的拉曼成分，滤出两束光的波长分别为1450nm和1663nm；波分复用器接收激光发生器发出的光脉冲，并将光脉冲打入光纤，1550nm的光脉冲在光纤中发生散射，背向散射光进入波分复用器，波分复用器能够有效滤出背向散射光的拉曼成分，滤出波长分别为1450nm和1663nm的两束光输出给APD放大模块，APD放大模块对两束光信号进行放大并将放大后的信号输出给采集控制模块，采集控制模块包括两个通道的采集端口，用于采集两路光信号的电压值并进行累加平均。

所述增益稳定控制方法包括标定过程和增益稳定调节过程，所述标定过程具体包括以下步骤：

步骤a1、采集控制模块通过温度控制电路预先设定好温度，再将预先设定好的温度通过温度控制接口向光纤恒温盒发送至指令，光纤恒温盒具有温度调节功能，通过TEC控制模块使光纤恒温盒内光纤的温度达到指令控制的温度，从而使光纤恒温盒稳定在设定好的温度上；

步骤a2、通过设置在采集控制模块内的采集端口采集两路光信号的电压值并进行累加平均；激光发生器发出1550nm光脉冲进入波分复用器，波分复用器将激光打入光纤，1550nm激光在光纤中发生散射，背向散射光进入波分复用器分成两路，即斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光与反斯托克斯光分别进入APD放大模块进行放大，APD放大模块将经过放大的斯托克斯光和反斯托克斯光输出给采集控制模块，采集控制模块采集两路光信号的电压值并进行累加平均；

步骤a3、采集控制模块截取光纤恒温盒中光纤所对应的采集信号中的数据，从而对截取的数据求均值并记录光均值；

步骤a4、改变预设温度，判断系统工作温度是否遍历，若否，则采集控制模块再次向光纤恒温盒发送温度指令，使光纤恒温盒稳定在改变后的预设温度上，重复步骤a2-a3；若是，则进入步骤a5；

步骤a5、当系统工作温度遍历后，取得各个温度下光纤恒温盒内光纤光强的均值，建立一张温度—光均值对应表，从而完成标定过程；

所述增益稳定调节过程具体包括以下步骤：

步骤b1、通过设置在采集控制模块内的采集端口采集两路光信号的电压值并进行累加平均；

步骤b2、采集控制模块截取光纤恒温盒中光纤所对应的采集信号中的数据，从而对截取的数据求均值并记录下当前求得的光均值；

步骤b3、采集控制模块读取当前光纤恒温盒中温度传感器的温度；

步骤b4、采集控制模块将当前求得的光均值与当前读取的温度所对应的温度—光均值对应表中的光均值作比较，若两者差值的绝对值在当前读取的温度所对应的温度—光均值对应表中的光均值的20％以内，不进行APD偏压的调节；若两者差值的绝对值大于温度—光均值对应表中的光均值的20％，采集控制模块将会通过偏压控制电路输出对应的偏压值，对APD放大模块的放大倍数进行调节，从而使系统保持稳定。

Claims (7)

1.一种分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，采用分布式光纤测温系统进行增益稳定控制，所述系统包括依次连接的激光发生器、带双向耦合器的波分复用器、光纤恒温盒、外接光纤，还包括与波分复用器相连的APD放大模块、与APD放大模块相连的采集控制模块，所述光纤恒温盒内设置有温度传感器和TEC控制模块，采集控制模块内设置有温度控制电路和偏压控制电路，所述采集控制模块通过温度控制接口与光纤恒温盒连接，并通过偏压调节输出端与APD放大模块的偏压调节输入端相连，其特征在于：所述增益稳定控制方法包括标定过程和增益稳定调节过程，所述标定过程具体包括以下步骤：

步骤a1、采集控制模块通过温度控制电路预先设定好温度，再将预先设定好的温度通过温度控制接口向光纤恒温盒发送至指令，从而使光纤恒温盒稳定在设定好的温度上；

步骤a2、通过设置在采集控制模块内的采集端口采集两路光信号的电压值并进行累加平均；

步骤a3、采集控制模块截取光纤恒温盒中光纤所对应的采集信号中的数据，从而对截取的数据求均值并记录光均值；

步骤a4、改变预设温度，判断系统工作温度是否遍历，若否，则采集控制模块再次向光纤恒温盒发送温度指令，使光纤恒温盒稳定在改变后的预设温度上，重复步骤a2-a3；若是，则进入步骤a5；

步骤a5、当系统工作温度遍历后，取得各个温度下光纤恒温盒内光纤光强的均值，建立一张温度—光均值对应表，从而完成标定过程；

所述增益稳定调节过程具体包括以下步骤：

步骤b1、通过设置在采集控制模块内的采集端口采集两路光信号的电压值并进行累加平均；

步骤b2、采集控制模块截取光纤恒温盒中光纤所对应的采集信号中的数据，从而对截取的数据求均值并记录下当前求得的光均值；

步骤b3、采集控制模块读取当前光纤恒温盒中温度传感器的温度；

步骤b4、采集控制模块将当前求得的光均值与当前读取的温度所对应的温度—光均值对应表中的光均值作比较，若两者差值的绝对值在设定值的允许范围内，不进行APD偏压的调节；若两者差值的绝对值大于设定值的允许范围，采集控制模块将会通过偏压控制电路输出对应的偏压值，对APD放大模块的放大倍数进行调节，从而使系统保持稳定。

2.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，其特征在于：所述光纤恒温盒具有温度调节功能，通过光纤恒温盒内的TEC控制模块使光纤恒温盒内光纤的温度达到指令控制的温度。

3.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，其特征在于：所述步骤b3中的设定值的允许范围为读取的温度所对应的温度—光均值对应表中的光均值的0-20％。

4.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，其特征在于：所述激光发生器用于发出光脉冲，光脉冲的峰值波长为1550nm，激光发生器的功率可调，发出的光脉冲频率以及脉冲宽度可调。

5.如权利要求4所述的分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，其特征在于：所述波分复用器用于滤出后向散射光中的拉曼成分，滤出两束光的波长分别为1450nm和1663nm。

6.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，其特征在于：所述采集控制模块包括两个通道的采集端口，用于采集两路光信号的电压值并进行累加平均。

7.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统增益稳定控制方法，其特征在于：所述采集控制模块具有两个偏压调节输出端口，APD放大模块具有两个偏压调节输入端口，两个偏压调节输出端口用来输出两通道范围为45-50V的偏压值输送至APD放大模块。