CN107271075A - 基于光量子反演的光纤传感方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光量子反演的光纤传感系统，包括：脉冲激光器、波分复用器、APD模块、1×4光开关、传感光纤和信号处理模块；其中，脉冲激光器与波分复用器的输入端相连，传感光纤与波分复用器的COM端相连，波分复用器的两个输出端分别接双通道APD模块的输入端，APD模块输出端分别连接到信号处理模块。利用本发明，可以减少测温系统的噪声引入量，提高信噪比，提高光纤传感距离和测温精度。

Description

基于光量子反演的光纤传感方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种基于光量子反演的光纤传感方法及系统。

背景技术

光纤传感的核心技术为光纤激光雷达技术，即利用激光器向光纤中注入激光脉冲，然后对其后向散射光进行采集、分析，就可以实时测得整根光纤沿线的温度变化。体现其性能的指标主要包括传感距离、测温精度、空间分辨率和响应时间等。尤其是传感距离的提升，一直是光纤传感技术的重点发展方向。目前在光纤传感技术领域，提升传感距离的思路一般有三个：一是采用新型传感原理，比如基于受激拉曼散射；二是改变传感系统结构，比如采用双光源；三是优化关键模块性能，比如通过提高光电转换效率来改善信噪比，这也是比较常用的办法。

InGaAs雪崩光电二极管(APD)由于其优异的增益特性在光纤传感的光电转换中被广泛使用，属于典型的模拟检测。一般情况下，我们施加于APD两端的反偏电压都控制在其雪崩击穿电压之下，温度及反偏电压的波动基本对该APD没有损害，从而使光纤系统拥有更长的使用寿命。

然而对基于背向散射原理的光纤传感系统来说，其散射光强度是极其微弱的，当APD两端的反偏电压低于其雪崩电压时，即工作于线性安全模式，增益较小，转换出的电信号也很微弱，这样势必引入较多的噪声，恶化信噪比，增加了后级放大电路设计难度和信号处理难度，延长了系统开发周期，同时也限制了传感距离和测温精度的发展。

发明内容

基于此，本发明实施例的目的在于提供一种基于光量子反演的光纤传感方法及系统，可以减少测温系统的噪声引入量，提高信噪比，提高光纤传感距离和测温精度。

为达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一种基于光量子反演的光纤传感系统，包括：脉冲激光器、波分复用器、APD模块、1×4光开关、传感光纤和信号处理模块；

其中，所述脉冲激光器与所述波分复用器的输入端相连，所述传感光纤与所述波分复用器的COM端(串行端口)相连，所述波分复用器的两个输出端分别接双通道APD模块的输入端，所述APD模块输出端分别连接到所述信号处理模块；所述脉冲激光器发出的脉冲光通过所述波分复用器进入所述传感光纤并进入测温现场，经测温现场沿所述传感光纤返回传输的散射光再进入所述波分复用器，在所述波分复用器中进行滤光输出Stokes光和Anti-Stokes光，所述Stokes光和Anti-Stokes光分别进入两个APD模块完成光量子探测，最后所述信号处理模块根据光量子数量反演得到入射光强，并对入射光强度进行累加平均、小波降噪和分析计算，得出光纤沿线温度分布曲线，完成温度解调。

其中，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，脉冲宽度为10ns，重复频率为10KHz，峰值功率为20W。

其中，所述的波分复用器由中心波长为1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长为1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成。

其中，所述传感光纤为高导热型62.5um多模传感光纤。

其中，所述APD模块由同一型号的两个工作于盖革模式的APD和恒温控制电路等组成，两个APD分别完成Stokes光和Anti-Stokes光双通道光强检测。

本发明还提出一种基于光量子反演的光纤传感方法，包括以下步骤：

令APD模块中的APD长期有效地工作于盖革模式，使其具备光量子响应能力；

根据实际所需传感长度，将激光器输出分为近端脉冲和远端脉冲，其中，远端脉冲功率大于近端脉冲；

先遮盖APD，完成暗计数值的存储，再由信号处理模块控制盖革模式APD，完成背向散射光照下光量子响应电脉冲计数，结合暗计数值，反演得到实际入射光强度；

对实际入射光强度进行累加平均，完成预处理；

对经过预处理的数据做提升小波变换，获得不同尺度下的小波系数；

对含噪信号的小波系数做阈值处理，去掉高频小波系数；

对处理后的小波系数，进行小波逆变换，完成信号重构，得到干净信号；

对干净信号再做一定数量的累加平均，以得到更加好的降噪效果；

分别计算近端脉冲和远端脉冲所负责传感的数据点，最后拼接成一条完整的数据曲线，完成解调工作。

本发明提出的基于光量子反演的光纤传感方法及系统，由于灵敏度的提高，不仅使得系统能够探测到传感光纤更远距离处的微弱散射信号，而且更有效地避免了电路噪声的引入，提高了信噪比，降低了后端电路设计难度和信号处理难度，使系统拥有更良好的测温精度。与此同时，对结构的屏蔽效能也降低了要求。值得一提的是，本发明所述方法，同样可以推广在准分布式光纤光栅传感系统或者其他涉及光强检测的光纤传感技术中，从而促进光纤传感技术领域的发展。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但不应构成对本发明的限制。在附图中，

图1是本发明提出的基于光量子反演的光纤传感系统的结构示意图；

图2是APD模块的整体结构框图；

图3是盖革模式APD门控信号交流耦合原理示意图；

图4是盖革模式APD门控信号工作时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

本发明提出一种基于光量子反演的光纤传感系统，其结构如图1所示，包括：脉冲激光器、波分复用器、APD模块、1×4光开关、传感光纤和信号处理模块；

其中，所述脉冲激光器与所述波分复用器的输入端相连，所述传感光纤与所述波分复用器的COM端相连，所述波分复用器的两个输出端分别接双通道APD模块的输入端，所述APD模块输出端分别连接到所述信号处理模块；所述脉冲激光器发出的脉冲光通过所述波分复用器进入所述传感光纤并进入测温现场，经测温现场沿所述传感光纤返回传输的散射光再进入所述波分复用器，在所述波分复用器中进行滤光输出Stokes光和Anti-Stokes光，所述Stokes光和Anti-Stokes光分别进入两个APD模块完成光量子探测，最后所述信号处理模块根据光量子数量反演得到入射光强，并对入射光强度进行累加平均、小波降噪和分析计算，得出光纤沿线温度分布曲线，完成温度解调。

进一步地，目前市面上，可用于1550nm窗口的具备光量子响应能力的APD器件很有限，经过比对多家厂商，最终选用JDSU公司生产的ETX40-APD，该APD模块内部集成了半导体制冷片TEC，使用非常方便。要使APD模块长期有效地工作于盖革模式，具备光量子响应能力，必须令其工作环境温度恒定。

更进一步地，本实施例中APD模块的恒温控制部分采用ADI公司生产的ADN8831来实现。

其通过外置PID补偿网络控制H桥电路实现电流大小(方向)的调控，形成闭环控制结构，可实现±0.1℃精度的恒温控制，满足本发明需要。

更进一步地，本实施例恒温控制部分中所用H桥电路直接采用集成了一个NMOS管和PMOS管的FDW2520C芯片来实现；温度传感器选用热敏电阻NTC来实现；特别注意的是，为了使探测温度更精准，本实施例将ETX40-APD与NTC紧密接触，置于一个小型坡莫合金腔里面，腔里面填满导热硅脂，以避免腔内热量梯度分布不均的问题；由于本实施例要将温度维持在-55℃，所以在制冷腔上再放置一个小型散热风扇，以达到更好的效果；其示意框图见图2；

进一步地，APD的直流偏置电压源我们选用Linear公司提供的LT3571；这是一款电流模式、升压型DC/DC转换器，专为对光强检测中的APD施加偏置而设计，可以具有一个高达75V的输出电压，非常适用于本实施例。针对本实施例ETX40-APD，通过实测得知其雪崩击穿电压为42V左右，所以我们设置LT3571的偏置电压输出为41V；

更进一步地，因为要使APD工作于盖革模式，完成光量子响应，所以其反偏电压必须大于雪崩击穿电压，本实施例通过交流耦合电路，将3.3V门脉冲叠加在直流偏压41V之上；在“门开启”状态，APD反偏电压为44.3V，工作于盖革模式，完成光量子响应电脉冲输出；在“门关闭”状态，APD反偏电压为41V，小于其雪崩击穿电压，工作于普通线性模式，雪崩效应被淬灭，此时APD不具备光量子响应能力。其电路原理示意图见图3。

更进一步地，在本实施例中，得益于所述光纤测温系统集成了FPGA，所以可以非常容易地直接通过FPGA内部锁相环产生200MHz的窄门脉冲，同时可以非常方便地根据光纤测温系统的不同应用场合修改对应的门脉冲占空比和频率。当需要更高的定位精度时，可以通过提高门脉冲频率来增加“采样点”，当需要更高的测温精度时，可以通过降低门脉冲频率来提高信噪比。其中，在FPGA内部，门控脉冲与激光脉冲的时序根据图4来实现，这里不再详细论述；

更进一步地，由于门脉冲频率非常高，达到了200MHz，会导致APD暗计数概率增加，影响光量子响应脉冲计数精度，针对此问题，本实施例通过以下措施解决：

1)、将APD的输入FC/APC接头遮住，施加高速门脉冲，计算其暗计数值并存储；

2)、FPGA将测量得到的光量子响应脉冲数中减去暗计数数值；

3)、若要根据实际应用场景调整门脉冲频率，只需按同样的方法，遮住其FC/APC接头便可，系统便会自动更新存储暗计数值；

上述措施简单易行，完全没有成本压力，且具有比较显著的效果；

进一步地，对于APD输出的光量子响应电脉冲，需要先做高速放大，再进行比较整形输出，最后直接由FPGA内部对输入电脉冲数进行计数并通过反演得到入射光强。值得注意的是，比较阈值需要通过实际测定取得。

更进一步地，所述反演过程包括如下步骤：

1)、测量得到的电脉冲数记为；暗计数值记为(通过遮盖APD可测得)；则在每个探测点的探测概率为：

p＝N_t-N_d …………(1)

2)、设单位时间内APD光敏面所接收的光量子数为μ，由泊松统计，APD暗计数率为e-φμΔt，其中φ为APD探测效率，对于每一个APD，可根据实验简单测得；那么，每个探测点的探测概率为：

3)、在一个门宽时间Δt内入射的光功率:

P＝μhv ............(3)

4)、联立以上各式便可求得一个门宽时间Δt内的光功率P，这就是光量子响应计数反演原理。

基于光量子响应脉冲数反演来探测入射光功率的方法，利用了弱光照射下盖革模式APD输出电脉冲信号自然离散化的特点，相比于线性模式APD的模拟检测技术，有如下优点：

1)、受APD增益变化等不稳定因素影响较小；

2)、消除了热噪声的影响，大幅提高信噪比；

3)、直接输出数字量，无需模数转换器，直接可以与信号处理模块相连接；

4)、提高门脉冲频率，能有效提高光纤测温系统定位精度、测温精度和传感距离。

进一步地，所述FPGA内部还需要实现一个数据降噪模块，主要包括累加平均和小波变换；考虑到传统的基于Mallat算法的小波变换有较多的局限性，我们采用第二代提升型算法实现小波变换，可以有效降低运算的时间和资源；具体降噪步骤如下：1)、数据预处理。考虑到小波变换对于高频噪声的去噪效果非常好,但其在信噪比较低时去噪效果会降低，故在软件中先对数据做累加平均2000次，提高系统信噪比。累加2000次后,信号的强度增加2000倍,而噪声是随机的,它的强度只增加倍。因此,信噪比的增加为:

2)、提升小波正变换。将含噪信号提升小波分解至j层，得到相应的提升小波分解系数；本实施例中，考虑到分布式光纤测温系统具有一定的响应时间要求，经过多次实验，权衡运算量、能量紧致性等因素，小波基选取DB4，分解层数(尺度)为j＝4；

3)、对含噪信号的小波系数软阈值处理，去除掉一定量的高频小波系数；

4)、由处理后的小波系数，做提升小波逆变换，完成信号重构，得到干净信号；

5)、对干净信号再做10次累加平均，便可得到更优降噪效果。

更进一步地，本实施例所述FPGA选用Lattic公司的LFE3-17EA-6FTN256C，其具有高达17k LUT、24个乘法器以及38个的EBR SRAM块，资源丰富，非常方便直接在FPGA里面完成数据FIFO缓存，可大大简化Verilog的编写难度；

更进一步地，FPGA将降噪后的干净信号通过数据总线传送给单片机进行温度解调，此过程比较简单，不再详细论述；

进一步地，所述单片机采用基于ARM内核的STM32F407ZET6；该芯片最高主频180MHZ；内置1024K Flash和192K SRAM；在分布式光纤测温系统中应用，其性价比要高于常用的F103系列。

其中，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，脉冲宽度为10ns，重复频率为10KHz，峰值功率为20W。

其中，所述的波分复用器由中心波长为1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长为1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成。

其中，所述传感光纤为高导热型62.5um多模传感光纤。

其中，所述APD模块由同一型号的两个工作于盖革模式的APD和恒温控制电路等组成，两个APD分别完成Stokes光和Anti-Stokes光双通道光强检测。

本发明还提出一种基于光量子反演的光纤传感方法，包括以下步骤：

令APD模块中的APD长期有效地工作于盖革模式，使其具备光量子响应能力；

根据实际所需传感长度，将激光器输出分为近端脉冲和远端脉冲，其中，远端脉冲功率大于近端脉冲；

先遮盖APD，完成暗计数值的存储，再由信号处理模块控制盖革模式APD，完成背向散射光照下光量子响应电脉冲计数，结合暗计数值，反演得到实际入射光强度；

对实际入射光强度进行累加平均，完成预处理；

对经过预处理的数据做提升小波变换，获得不同尺度下的小波系数；

对含噪信号的小波系数做阈值处理，去掉高频小波系数；

对处理后的小波系数，进行小波逆变换，完成信号重构，得到干净信号；

对干净信号再做一定数量的累加平均，以得到更加好的降噪效果；

分别计算近端脉冲和远端脉冲所负责传感的数据点，最后拼接成一条完整的数据曲线，完成解调工作。

本发明提出的基于光量子反演的光纤传感方法及系统，由于灵敏度的提高，不仅使得系统能够探测到传感光纤更远距离处的微弱散射信号，而且更有效地避免了电路噪声的引入，提高了信噪比，降低了后端电路设计难度和信号处理难度，使系统拥有更良好的测温精度。与此同时，对结构的屏蔽效能也降低了要求。值得一提的是，本发明所述方法，同样可以推广在准分布式光纤光栅传感系统或者其他涉及光强检测的光纤传感技术中，从而促进光纤传感技术领域的发展。

只要不违背本发明创造的思想，对本发明的各种不同实施例进行任意组合，均应当视为本发明公开的内容；在本发明的技术构思范围内，对技术方案进行多种简单的变型及不同实施例进行的不违背本发明创造的思想的任意组合，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光量子反演的光纤传感系统，其特征在于，包括：脉冲激光器、波分复用器、APD模块、1×4光开关、传感光纤和信号处理模块；

其中，所述脉冲激光器与所述波分复用器的输入端相连，所述传感光纤与所述波分复用器的COM端相连，所述波分复用器的两个输出端分别接双通道APD模块的输入端，所述APD模块输出端分别连接到所述信号处理模块；所述脉冲激光器发出的脉冲光通过所述波分复用器进入所述传感光纤并进入测温现场，经测温现场沿所述传感光纤返回传输的散射光再进入所述波分复用器，在所述波分复用器中进行滤光输出Stokes光和Anti-Stokes光，所述Stokes光和Anti-Stokes光分别进入两个APD模块完成光量子探测，最后所述信号处理模块根据光量子数量反演得到入射光强，并对入射光强度进行累加平均、小波降噪和分析计算，得出光纤沿线温度分布曲线，完成温度解调。

2.如权利要求1所述的基于光量子反演的光纤传感系统，其特征在于，所述脉冲激光器的中心波长为1550nm，脉冲宽度为10ns，重复频率为10KHz，峰值功率为20W。

3.如权利要求1所述的基于光量子反演的光纤传感系统，其特征在于，所述的波分复用器由中心波长为1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长为1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成。

4.如权利要求1所述的基于光量子反演的光纤传感系统，其特征在于，所述传感光纤为高导热型62.5um多模传感光纤。

5.如权利要求1至4任一项所述的基于光量子反演的光纤传感系统，其特征在于，所述APD模块由同一型号的两个工作于盖革模式的APD和恒温控制电路等组成，两个APD分别完成Stokes光和Anti-Stokes光双通道光强检测。

6.一种基于光量子反演的光纤传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

令APD模块中的APD长期有效地工作于盖革模式，使其具备光量子响应能力；

根据实际所需传感长度，将激光器输出分为近端脉冲和远端脉冲，其中，远端脉冲功率大于近端脉冲；

先遮盖APD，完成暗计数值的存储，再由信号处理模块控制盖革模式APD，完成背向散射光照下光量子响应电脉冲计数，结合暗计数值，反演得到实际入射光强度；

对实际入射光强度进行累加平均，完成预处理；

对经过预处理的数据做提升小波变换，获得不同尺度下的小波系数；

对含噪信号的小波系数做阈值处理，去掉高频小波系数；

对处理后的小波系数，进行小波逆变换，完成信号重构，得到干净信号；

对干净信号再做一定数量的累加平均，以得到更加好的降噪效果；

分别计算近端脉冲和远端脉冲所负责传感的数据点，最后拼接成一条完整的数据曲线，完成解调工作。