CN109470381A - 基于折叠内插采样的光纤温度监测系统及采样方法 - Google Patents

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王秀亮
王建强
张永臣
沙文广
张凯
乔秋晓
刘永行
纪圣华
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Abstract

本发明提出了基于折叠内插采样的光纤温度监测系统及采样方法，用以提高系统采样分辨率的采样方案，该方案主要适用于ADC采样分辨率受限而系统有较高分辨率要求的系统，如分布式光纤测温系统中拉曼反射光的测量。该采集方案是在ADC采样率不变的前提下，通过FPGA编程来调整ADC的采样时钟的相位以采集不同时刻的数据，直到数据累加并采集完成360°相位后得到多组数据，将这些数据按照相位顺序穿插组合，得到一组内插数据，该组数据相对之前各组数据来说，采样分辨率得到了成倍的提高，同时该方案的采样时间也会同等倍数延长。本采集方案能够成倍的提高分布式光纤温度监测系统的采样分辨率。

Description

基于折叠内插采样的光纤温度监测系统及采样方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤测温技术领域，具体的说是一种针对ADC 采样频率受限而系统对空间分辨率有较高要求的情况，用以提高分布式光纤温度监测系统的采样分辨率，增加测量精度的基于折叠内插采样的光纤温度监测系统及采样方法。
技术背景
分布式光纤温度监测系统作为新型的温度监测系统，能够连续感知光纤外界温度信息，抗电磁干扰、不受恶劣环境影响，实现管道、站场、重要建筑物的温度监测。无论在测量距离、使用寿命、安全性、可靠性、隐蔽性，还是在探测精度上都具有明显优势。其系统灵活简易，成本较低，成为了新一代的温度监测的首选产品。
分布式光纤温度监测系统的工作原理大致如下，当激光脉冲在光纤中传播时，其向后的折射光包含多个频率不同的光，其中有一种折射光叫拉曼散射光，主要包含两部分，分别是斯托克斯光以及反斯托克斯光。这两种折射光的强度与激光脉冲在所处位置的光纤温度成正比例关系。通过对两种折射光的采集与解调并结合采集的时间，可以计算出光纤在特定位置的温度数据。而随着分布式光纤温度监测系统技术及应用的发展，某些特定场合对分布式光纤温度监测系统的测量精度的要求越来越高，提高现有分布式光纤温度监测系统的采样分辨率是一件急需解决的问题。但是对于某些对采样分辨率要求较高的系统来说，或者对已有系统的采样分辨率进行提高时，ADC的采样分辨率时最主要的限制因素，因此本发明提出一种基于折叠内插采样技术的采样方案。
发明内容
本发明针对上述ADC采样分辨率受限而系统对采样分辨率有较高要求的情况，提出一种不改变ADC采样分辨率，仅改变ADC采样时钟相位延时的折叠内插采样方法，以成倍的提高系统的采样分辨率。本发明通过牺牲一定的采样时间，可以同等倍数的提高分布式光纤温度监测系统的采样分辨率。
本发明可以通过以下措施达到：
一种基于折叠内插采样的光纤温度监测系统的采样方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：在脉冲光长度为0.5m、ADC的采样时钟信号为100M MHz的光纤温度监测系统中，为ADC提供两种时钟，其频率仍然是100MHz, 但是其相位是以激光器的触发脉冲为基准，分别相差0°以及180°；
步骤2：首先用第一种延时0°的时钟驱动ADC，其采样时刻测量所得电压信号解调后可得到(0+n×1)m到(0.5+n×1)m的光纤的温度(n为整数)；
步骤3：然后使用第二种延时180°的时钟信号驱动ADC，由于该时钟延时180°相当于延时5ns，结合脉冲光及反射光在光纤中的传播速度，其采样时刻测量所得电压信号解调后可得到(0.5+n×1)m到 (1+n×1)m的光纤的温度(n为整数)；
步骤4：将两组数据按照相位顺序进行穿插组合，就可以得到采样分辨率为0.5m的数据并可测得整段光纤的温度。
本发明还提出了一种基于折叠内插采样的光纤温度监测系统，设有激光器、系统光路、模拟电路、ADC采样电路、内置FPGA的控制器，其中激光器向系统光路输出光信号，同时接收内置FPGA的控制器输出的触发脉冲信号，模拟电路获取系统光路输出的光信号并转换为电信号后输出至ADC采样电路，ADC采样电路将采样信号进行模数转换后上传至内置FPGA的控制器，ADC采样电路接收内置FPGA 的控制器输出的采样时钟信号，其特征在于ADC采样电路采用上述方法进行采样。
本发明通过改变FPGA输出的用于驱动ADC的时钟信号的相位而不改变其采样时钟的方法，来实现多组数据拥有同样采样间隔的同时，具有不同的采样起始点，将这些数据按照相位延时顺序穿插组合，就可以成倍的提高系统采样分辨率，同时牺牲同等倍数的测量时间；每次采集累加完成一组数据后，提供给ADC的时钟信号的频率不变，其相位相对于激光触发脉冲都会有一定角度的不同的延迟，当延迟达到360°时，重新从0°角度开始采集；对每组数据进行温度解调计算并调平后，按照相位顺序对其内插组合，得到采样分辨率更高的一组数据。
本发明的工作原理为，当光在光纤中传播时，由于折射率的存在，其沿光纤的传播速度大约为每秒2×108m，也就是说1ns其仅可以传播 0.2m，结合往返距离，每隔1ns采集一次数据的话其解调所得温度数据仅代表光纤间隔0.1m。目前通常采用的ADC采样时钟频率为 100MHz，其所对应采样分辨率仅为1m。而如果将两次采样时的采样时钟之间的延时调整为180°时，将两组采样数据进行穿插组合，所得新数据的采样分辨率就相当于0.5m。这样通过FPGA编程，为ADC 提供多种时钟信号，这些时钟信号的频率相同，相位相差固定角度。将多次采样所得数据按照其相位延迟顺序进行穿插组合，就可以使系统的采样分辨率得到整数倍的提升。上述例子仅仅是将系统的采样分辨率提高一倍，如果使用三种时钟，其频率相同，相位相差120°，就可以得到三倍与原有方案的采样分辨率，同理相位相差90°，其采样分辨率可变为四倍，采样时间也变为四倍。由此可知，本发明采用的折叠内插采集方案可成倍的提高系统的采样分辨率，但是同时也同等倍数的延长了采样所需时间。
附图说明
附图1本发明的系统框图。
附图2本发明的采样方案示意图。
附图3本发明的FPGA控制电路的程序流程框图。
具体实施方式
如附图1所示，该分布式光纤温度监测系统主要电路包括：1模拟电路；2ADC采样电路；3FPGA数字控制电路；4激光器；5系统光路；6上位机共同构成分布式温度监测系统。
本系统所提到的1模拟电路部分主要实现了光信号到电信号的转换以及电信号的放大功能，模拟部分电路包括跨阻运放电路以及比例运算放大电路。2ADC采集电路，主要实现了模拟信号向数字信号的转换功能，所使用的ADC为12bit精度，采样时钟由FPGA提供。3FPGA数字控制电路，用以完成提供触发信号、接收ADC的数据、对数据进行累加处理、将累加处理后通过USB接口上传上位机的功能。其中触发信号包括提供给激光器的触发脉冲以及提供给ADC的时钟触发信号。4激光器接收到FPGA发送的触发信号，发送激光脉冲。5 系统光路为分布式光纤温度监测系统的光器件及传感光纤。6上位机对上传数据进行计算并按相位顺序进行穿插组合。
当激光器接收到FPGA提供的触发脉冲信号并发出一定宽度的脉冲光，假设该脉冲光长度为0.5m，这样，每个采集到的电压信号相当于该脉冲光在该采样时刻所处的0.5m光纤上的反射光强度，这反映了该段0.5m光纤的实际温度。另假设ADC的采样时钟信号为100MMHz，采样点时间间隔为10ns，考虑到折射率，脉冲光及反射光在光纤中的传播速度约为2×108m，这样两次采样点在光纤上对应的距离间隔为1m。上述假设会出现每个1m的距离，仅能测得0.5m光纤的温度数据，采样分辨率不足以采集光纤上所有温度信息的情况。
解决上述问题的方法就是提高系统的采样分辨率，最简单的办法就是提高ADC芯片的采样率。但由于ADC价格、渠道以及性能等限制，其采样率是有限的，在某些高采样分辨率的系统设计中，可能会出现 ADC的采样率限制了系统性能的情况。本发明提出的折叠内插采样方案在无需改变原有系统架构的基础上，仅在FPGA采集程序及数据处理程序上做修改就可以提高系统的采样分辨率。
在上述脉冲光长度为0.5m、ADC的采样时钟信号为100M MHz 的分布式光纤温度监测系统中，为ADC提供两种时钟，其频率仍然是 100MHz,但是其相位是以激光器的触发脉冲为基准，分别相差0°以及180°。如附图2所示，首先用第一种延时0°的时钟驱动ADC，其采样时刻测量所得电压信号解调后可得到(0+n×1)m到(0.5+n×1)m的光纤的温度(n为整数)。然后使用第二种延时180°的时钟信号驱动ADC，由于该时钟延时180°相当于延时5ns，结合脉冲光及反射光在光纤中的传播速度，其采样时刻测量所得电压信号解调后可得到 (0.5+n×1)m到(1+n×1)m的光纤的温度(n为整数)。将两组数据按照相位顺序进行穿插组合，就可以得到采样分辨率为0.5m的数据并可测得整段光纤的温度。相对于原有采样方案的1m空间分辨率，本发明提出的采样方案相当于将ADC的采样分辨率提高了一倍，系统的空间分辨率达到0.5m，但是同时也将采样时间提高了一倍。

Claims (2)

1.一种基于折叠内插采样的光纤温度监测系统的采样方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：在脉冲光长度为0.5m、ADC的采样时钟信号为100M MHz的光纤温度监测系统中，为ADC提供两种时钟，其频率仍然是100MHz,但是其相位是以激光器的触发脉冲为基准，分别相差0°以及180°；
步骤2：首先用第一种延时0°的时钟驱动ADC，其采样时刻测量所得电压信号解调后可得到(0+n×1)m到(0.5+n×1)m的光纤的温度(n为整数)；
步骤3：然后使用第二种延时180°的时钟信号驱动ADC，由于该时钟延时180°相当于延时5ns，结合脉冲光及反射光在光纤中的传播速度，其采样时刻测量所得电压信号解调后可得到(0.5+n×1)m到(1+n×1)m的光纤的温度(n为整数)；
步骤4：将两组数据按照相位顺序进行穿插组合，就可以得到采样分辨率为0.5m的数据并可测得整段光纤的温度。
2.一种基于折叠内插采样的光纤温度监测系统，设有激光器、系统光路、模拟电路、ADC采样电路、内置FPGA的控制器，其中激光器向系统光路输出光信号，同时接收内置FPGA的控制器输出的触发脉冲信号，模拟电路获取系统光路输出的光信号并转换为电信号后输出至ADC采样电路，ADC采样电路将采样信号进行模数转换后上传至内置FPGA的控制器，ADC采样电路接收内置FPGA的控制器输出的采样时钟信号，其特征在于ADC采样电路采用如权利要求1所述方法进行采样。
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