CN105806510A - 基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统 - Google Patents

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梁涛
魏茂安
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Abstract

本发明提供了一种基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统，包括用于采集、传输传感信号的单模光纤，机箱，以及固设于机箱内部的光源、用于对光源发出的光信号进行滤波和导光的波分复用器、用于对传感信号进行光电转换的光电探测器、用于对经过光电转换的传感信号进行模数转换的A/D转换器、用于对传感信号进行分析处理的信号处理单元，所述光源为可发送激光脉冲信号的脉冲光源，其根据FPGA处理器发送的触发脉冲序列同步发送激光脉冲信号，所述FPGA处理器基于光源编码逐行发生触发脉冲序列。在不影响测量时间的前提下，大幅度提高了DTS的信噪比，达到了30km以上响应快速的大范围温度监测，系统工程适用性大大提高。

Description

基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统
技术领域
本发明涉及分布式光纤温度监测技术领域，具体涉及一种基于Simplex矩阵光源编码的长距离嵌入式单模分布式光纤温度传感系统。
背景技术
分布式光纤温度传感系统(以下简称DTS)是光纤传感大家庭中最重要的一员，DTS基于光纤中拉曼散射原理进行温度测量。
现有的DTS一般采用多模光纤作为敏感部件，遗憾的是多模光纤会因为自身的模式色散问题导致远端的空间分辨能力大幅度降低，所以一般的多模DTS测量距离都在7km以内，以保证良好的空间测量精度。单模DTS可以克服多模系统的上述缺点，能够传输很长的距离仍保持极低的色散。但基于单模光纤作为敏感部件的DTS要面临另外一个难题，那就是单模光纤较多模光纤更为微弱的拉曼散射强度，单模DTS的拉曼散射信号一般会被完全淹没在各种噪声中，即使经过数十万次的累加平均也很难得到良好的信噪比水平，而且大量的累加平均又会带来测量时间过长的问题。
另外，当前的DTS一般是采集系统和信号处理系统一体化，这种方式不利于进行海量数据处理，在现场工程应用中也有着很大的局限性，对机房配置要求苛刻，不利于DTS的推广应用。
发明内容
本发明提供了一种基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统，以解决单模DTS测量距离较长，但传感信号微弱、信号信噪比低的矛盾，以及单模DTS工程应用适用性差的问题。
本发明提供的基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统，包括用于采集、传输传感信号的单模光纤，机箱，以及固设于机箱内部的光源、用于对光源发出的光信号进行滤波和导光的波分复用器、用于对传感信号进行光电转换的光电探测器、用于对经过光电转换的传感信号进行模数转换的A/D转换器、用于对传感信号进行分析处理的信号处理单元。
在现有技术的基础上，本发明还作出如下改进：所述光源为可发送激光脉冲信号的脉冲光源，其根据FPGA处理器发送的触发脉冲序列同步发送激光脉冲信号，所述FPGA处理器基于光源编码逐行发生触发脉冲序列。
进一步的，所述FPGA处理器基于Simplex矩阵光源编码逐行发生触发脉冲序列。
更进一步的，所述FPGA处理器还用于对经过A/D转换器转换的传感信号进行预处理。
进一步的，所述信号处理单元包括用于对经过FPGA处理器预处理的传感信号进行解码的DSP处理器。
更进一步的，所述信号处理单元还包括用于对经过DSP处理器解码后的传感信号进行打包、校验、上传的ARM处理器。
进一步的，所述温度传感系统通过有线或无线方式接入互联网或局域网并上传温度监控数据，由上位机完成温度信息的解调。
本发明的有益效果：
在不影响测量时间的前提下，基于FPGA编码和DSP解码大幅度提高了DTS的信噪比，达到了30km以上响应快速的大范围温度监测；
编码技术采用N阶Simplex编码，解码后的光信号能恢复出单脉冲触发时的检测信号，能够在不影响空间分辨率的基础上，提高传感系统的信噪比达
DSP作为专用高效数字信号处理器，可快速完成大规模矩阵运算，确保DTS工作的时效性，基于ARM的嵌入式DTS可独立完成传感信号的采集、处理，这在提高DTS适用性方面关系重大，有利于分布式光纤传感网络的布局和容量的扩展；
编解码操作均在下位机完成，可快速进行海量数据处理，上位机只需完成温度解调过程，突破了大量数据上传的速度限制，保证了DTS测温的实时性。
附图说明
图1是本发明系统结构框图，
图2是本发明系统3阶Simplex编解码的仿真效果图，
图3是本发明系统31阶Simplex编解码的仿真效果图，
图4是本发明系统组网示意图。
附图标注：
1、单模光纤，2、机箱，3、脉冲光源，4、FPGA处理器，5、波分复用器，6、光电探测器，7、A/D转换器，8、信号处理单元，9、DSP处理器，10、ARM处理器；
1-1、DTS主机，1-2、DTS主机，1-3、DTS主机，1-4、DTS主机，2-1、无线路由器，3-1、交换机，3-2、交换机，4-1、局域网/互联网，5-1、监控主机。
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仅用于解释本发明，不能理解为对本发明具体保护范围的限定。
实施例一
参照图1，本实施例的基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统包括用于采集、传输传感信号的单模光纤1，机箱2，以及固设于机箱2内部的可发送激光脉冲信号的脉冲光源3、用于向脉冲光源3发送触发脉冲序列的FPGA处理器4、用于对脉冲光源3发出的激光脉冲信号进行滤波和导光的波分复用器5、用于对传感信号进行光电转换的光电探测器6、用于对经过光电转换的传感信号进行模数转换的A/D转换器7、用于对传感信号进行分析处理的信号处理单元8。在所述信号处理单元8对传感信号进行处理之前还需要通过FPGA处理器4对经过A/D转换器7光电转换的传感信号进行预处理。所述信号处理单元8包括用于对经过FPGA处理器4预处理的传感信号进行解码的DSP处理器9，以及用于对经过DSP处理器9解码后的传感信号进行打包、校验、上传的ARM处理器10。
所述FPGA处理器4向脉冲光源3发送基于Simplex矩阵的触发脉冲序列对脉冲光源3进行触发，脉冲光源3工作在1550nm波长，根据触发脉冲序列在一个重复周期内一次性可以发送几十上百个激光脉冲，激光脉冲通过波分复用器5的1550nm端口滤波后，经由com端口注入到单模光纤1中，激光脉冲在单模光纤1传输过程中由于光纤分子分布的微观不均匀性产生拉曼散射，拉曼散射光在散射点向所有方向发生，其中携带温度信息的后向拉曼散射信号(传感信号)是由若干个激光脉冲触发散射叠加后的结果，将通过单模光纤1回传到波分复用器5，经由波分复用器5的com端口、1450nm端口进入光电探测器6。传感信号在光电探测器6中进行光信号到模拟电信号的转换，模拟电信号经过A/D转换器7变成数字信号，数字信号先进入FPGA处理器4预处理后送入DSP处理器9进行解码处理，解码后的传感信号送入ARM处理器10中进行信号的打包、校验，并通过有线或无线方式上传至上位机进行温度解调。
本实施例模拟基于3阶Simplex编码31km单模G.625D光纤的温度传感系统，仿真结果如图2所示，图2上图显示触发脉冲序列包含两个短脉冲组成的脉冲序列，两个脉冲序列依次触发脉冲光源3发射激光脉冲，激光脉冲在单模光纤1中产生自发拉曼散射，返回的后拉曼散射原始信号采集结果如图2中图所示，可见后拉曼散射原始信号为两次激光脉冲诱导拉曼散射叠加后的结果，经过DSP处理器9对后拉曼散射原始信号进行解码后的结果如图2下图所示，可见经过解码后的信号恢复了单脉冲触发时的信号形态，但噪声幅度已大幅度降低，信噪比有了明显的改善，若采用更高阶的Simplex编码，将会有更好的改善。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于对码长为31bit的Simplex矩阵编解码进行了仿真，仿真效果如图3所示，相对3bitSimplex编码，DTS回波信号更强，信噪比改善更为显著，动态范围有了更大提高。需要说明的是，根据编码原理，长编码对信噪比改善作用更大，但长编码会增加DTS编解码过程，增加测量时间，实际应用中应根据需求进行权衡，选择合适的编码长度。
实施例三
参照图4，本实施例以将基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统应用于实际工程中为例，来说明本发明传感系统的独特优势。图4中包括DTS主机1-1、1-2、1-3、1-4(也就是本发明的基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统)，无线路由器2-1，交换机3-1、3-2，局域网/互联网4-1，监控主机5-1，所述DTS主机1-1、1-2通过网线，DTS主机1-3、1-4通过无线路由方式接入网络并上传温度监控数据，由监控主机进行温度解调，不需要在每个光纤接入点都配套服务器，这样既节省了成本，也提高了传感网络搭建的灵活性，提高了分布式光纤传感系统的适用性。

Claims (6)

1.一种基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统，包括用于采集、传输传感信号的单模光纤，机箱，以及固设于机箱内部的光源、用于对光源发出的光信号进行滤波和导光的波分复用器、用于对传感信号进行光电转换的光电探测器、用于对经过光电转换的传感信号进行模数转换的A/D转换器、用于对传感信号进行分析处理的信号处理单元，其特征在于：所述光源为可发送激光脉冲信号的脉冲光源，其根据FPGA处理器发送的触发脉冲序列同步发送激光脉冲信号，所述FPGA处理器基于光源编码逐行发生触发脉冲序列。
2.根据权利要求1所述的基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述FPGA处理器基于Simplex矩阵光源编码逐行发生触发脉冲序列。
3.根据权利要求2所述的基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述FPGA处理器还用于对经过A/D转换器转换的传感信号进行预处理。
4.根据权利要求1所述的基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述信号处理单元包括用于对经过FPGA处理器预处理的传感信号进行解码的DSP处理器。
5.根据权利要求4所述的基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述信号处理单元还包括用于对经过DSP处理器解码后的传感信号进行打包、校验、上传的ARM处理器。
6.根据权利要求5所述的基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统，其特征在于：所述温度传感系统通过有线或无线方式接入互联网或局域网并上传温度监控数据，由上位机完成温度信息的解调。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110146191A (zh) * 2019-06-21 2019-08-20 国网河北省电力有限公司电力科学研究院 一种分布式光纤测温降噪系统及其降噪方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102359763A (zh) * 2011-08-09 2012-02-22 中国计量学院 脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器
CN202177385U (zh) * 2011-08-09 2012-03-28 中国计量学院 一种脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器
CN202195825U (zh) * 2011-08-09 2012-04-18 中国计量学院 一种超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器
CN102706475A (zh) * 2012-05-25 2012-10-03 中国计量学院 采用循环脉冲编码解码和瑞利解调的分布式光纤拉曼温度传感器
KR101207345B1 (ko) * 2010-08-05 2012-12-05 한국표준과학연구원 자동보정 기능을 갖는 광섬유 분포 온도 센서 시스템 및 이를 이용한 온도 측정방법
CN102980683A (zh) * 2012-11-22 2013-03-20 威海北洋电气集团股份有限公司 脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器及测温装置和方法
WO2015136487A1 (en) * 2014-03-14 2015-09-17 Babin Sergey A Device and method for high precision fiber-optic temperature profile measurements in long length areas
CN105136337A (zh) * 2015-05-28 2015-12-09 华中科技大学 一种基于模式复用的拉曼分布式测温系统和测温方法
EP2977734A1 (en) * 2014-07-16 2016-01-27 Yokogawa Electric Corporation Optical fiber temperature distribution measuring device
CN205719331U (zh) * 2016-04-20 2016-11-23 青岛派科森光电技术股份有限公司 基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101207345B1 (ko) * 2010-08-05 2012-12-05 한국표준과학연구원 자동보정 기능을 갖는 광섬유 분포 온도 센서 시스템 및 이를 이용한 온도 측정방법
CN102359763A (zh) * 2011-08-09 2012-02-22 中国计量学院 脉冲编码光纤激光器全分布式光纤拉曼与瑞利光子传感器
CN202177385U (zh) * 2011-08-09 2012-03-28 中国计量学院 一种脉冲编码超远程全分布式光纤瑞利与拉曼散射传感器
CN202195825U (zh) * 2011-08-09 2012-04-18 中国计量学院 一种超远程脉冲编码分布式光纤拉曼与布里渊光子传感器
CN102706475A (zh) * 2012-05-25 2012-10-03 中国计量学院 采用循环脉冲编码解码和瑞利解调的分布式光纤拉曼温度传感器
CN102980683A (zh) * 2012-11-22 2013-03-20 威海北洋电气集团股份有限公司 脉冲编码自校正分布式光纤温度传感器及测温装置和方法
WO2015136487A1 (en) * 2014-03-14 2015-09-17 Babin Sergey A Device and method for high precision fiber-optic temperature profile measurements in long length areas
EP2977734A1 (en) * 2014-07-16 2016-01-27 Yokogawa Electric Corporation Optical fiber temperature distribution measuring device
CN105136337A (zh) * 2015-05-28 2015-12-09 华中科技大学 一种基于模式复用的拉曼分布式测温系统和测温方法
CN205719331U (zh) * 2016-04-20 2016-11-23 青岛派科森光电技术股份有限公司 基于光源编码的嵌入式单模分布式光纤温度传感系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110146191A (zh) * 2019-06-21 2019-08-20 国网河北省电力有限公司电力科学研究院 一种分布式光纤测温降噪系统及其降噪方法

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