CN110375880A - 分布式光纤测温系统及温度动态测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了分布式光纤测温系统及温度动态测量方法，涉及测温技术领域，系统包括分布式测温主机、测温光纤和终端设备，测温主机包括激光脉冲器、波分复用器、APD探测器、数据采集卡、主控板和温度监测模块；激光脉冲器发射激光脉冲；波分复用器接收激光脉冲后向测温光纤发送激光脉冲信号；测温光纤向波分复用器提供拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；波分复用器将散射光发送至APD探测器；APD探测器将光信号转换为模拟电信号发送至数据采集卡；数据采集卡将模拟电信号转换为电信号通过SPI总线发送给主控板；主控板接收到数字信号和和温度检测模块发送的实时温度后，计算得到待测物体的温度。如此有利于提升温度测量精度。

Description

分布式光纤测温系统及温度动态测量方法

技术领域

本申请涉及测温技术领域，具体地说，涉及一种分布式光纤测温系统及温度动态测量方法。

背景技术

分布式光纤测温系统广泛应用于各种火灾监控现场，例如地下管廊、隧道、电力电缆、地铁、石油化工等现场。分布式光纤测温系统是一种基于光时域反射仪(OTDR)和拉曼散射原理研制而成的分布式温度测量系统，利用光纤的拉曼散射，即提取光纤中传输的后向拉曼散射光(斯托克光和反斯托克光)，经光电转换及信号处理后解调出对应测温光纤实时位置的温度信息。

在实际的工程测量实践中，分布式光纤测温系统设计和实际测量使用方面还有一些无法克服的缺陷：

1、现有的分布式光纤测温系统多数采用数据采集卡的方式采集后向拉曼散射光经过光电转换的电信号，市面上此种数据采集卡采用PCI或者PCIE接口和工控机连接，这就造成了数据采集卡必须支持PCI或者PCIE接口，采集卡成本高。

2、根据拉曼散射原理，温度解调和环境温度是有关联的，特别是受测温主机内部各个器件的温度漂移影响，现有的分布式光纤测温系统使用时采用一次性校准的方法，在后续使用时忽略环境参数，造成环境温度改变时，实时测量精度很难满足实际要求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种分布式光纤测温系统及温度动态测量方法，数据采集卡使用SPI总线传输信号，既能够满足测量速度和精度的要求，还能极大降低采集卡成本；同时，引入了温度监测模块对环境温度进行实时监测，根据实时环境温度对测温光纤的温度信息进行校准，从而有利于提升温度测量精度。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种分布式光纤测温系统，其特征在于，包括：分布式测温主机、测温光纤和终端设备，所述分布式测温主机包括激光脉冲器、波分复用器、APD探测器、数据采集卡、主控板和温度监测模块；

所述波分复用器分别与所述激光脉冲器、所述测温光纤和所述APD探测器连接，所述激光脉冲器提供激光光源，周期性发射激光脉冲；所述波分复用器接收所述激光脉冲后，向所述测温光纤发送激光脉冲信号；所述测温光纤接收到所述激光脉冲信号后，向所述波分复用器提供拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；所述波分复用器将所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光发送至所述APD探测器；

所述APD探测器与所述数据采集卡电连接，所述APD探测器接收到所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光后，将光信号转换为第一路模拟电信号和第二路模拟电信号，并对噪声进行抑制，将经过噪声抑制处理后的第一路模拟电信号和第二路模拟电信号发送至所述数据采集卡；

所述数据采集卡与所述主控板通过SPI总线电连接，所述数据采集卡在接收到所述第一路模拟电信号和所述第二路模拟电信号后，同时对两路电信号进行采集和AD转换，分别转换为第一路数字信号和第二路数字信号，并将所述第一路数字信号和第二路数字信号通过所述SPI总线发送给主控板；

所述温度监测模块，与所述主控板电连接，实时监测所述分布式测温主机内部的实时温度并将实时温度发送至所述主控板；

所述主控板接收到所述第一路数字信号和第二路数字信号和实时温度后，对所述第一路数字信号和第二路数字信号进行处理，得到所述测温光纤的第一温度信息，并根据所述实时温度对所述测温光纤的第一温度信息进行校准，得到所述测温光纤的第二温度信息作为待测物体的温度，并将所述第二温度信息显示到所述终端设备。

可选地，其中：

所述SPI总线包括4个管脚，分别为CLK管脚、CS管脚、MOSI管脚和MISO管脚；所述CLK管脚用于传输数据的同步时钟信号；所述CS管脚用于传输片选信号；所述MOSI管脚用于传输主模式下的输出信号或从模式下的输入信号；所述MISO管脚用于传输主模式下的输入信号或从模式下的输出信号。

可选地，其中：

所述APD探测器至少包括温控电路和两个雪崩光电二极管，两个所述雪崩光电二极管分别用于接收处理所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；所述温控电路用于对所述APD探测器的温度进行控制。

可选地，其中：

所述测温光纤为单模光纤或者多模光纤，所述测温光纤用于紧贴或者缠绕在待测物体的表面。

可选地，其中：

所述数据采集卡包括现场可编程门阵列，并集成有同步动态随机存储器；

所述现场可编程门阵列和同步动态随机存储器用于对第一路数字信号或第二路数字信号进行万次级别的累加计算并对累加值进行存储。

第二方面，本申请还提供一种基于上述分布式光纤测温系统的温度动态测量方法，其中所述分布式光纤测温系统包括：分布式测温主机、测温光纤和终端设备，所述分布式测温主机包括激光脉冲器、波分复用器、APD探测器、数据采集卡、主控板和温度监测模块；

所述温度动态测量方法包括：

启动激光脉冲器，使所述激光脉冲器周期性的发射激光脉冲；

波分复用器接收到所述激光脉冲器发出的激光脉冲后，向测温光纤发送激光脉冲信号；

测温光纤在接收到所述激光脉冲信号后，向所述波分复用器提供拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；

所述波分复用器将所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光发送至APD探测器；

所述APD探测器接收到所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光后，将光信号转换为第一路模拟电信号和第二路模拟电信号，并对噪声进行抑制，将经过噪声抑制处理后的第一路模拟电信号和第二路模拟电信号发送至数据采集卡；

所述数据采集卡在接收到所述第一路模拟电信号和所述第二路模拟电信号后，同时对两路电信号进行采集和AD转换，分别转换为第一路数字信号和第二路数字信号，并将所述第一路数字信号和第二路数字信号通过所述SPI总线发送给主控板；

温度监测模块实时监测所述分布式测温主机内部的温度并将实时温度发送至所述主控板；

所述主控板接收到所述第一路数字信号和第二路数字信号和实时温度后，对所述第一路数字信号和第二路数字信号进行处理，得到所述测温光纤的第一温度信息，并根据所述实时温度对所述测温光纤的第一温度信息进行校准，得到所述测温光纤的第二温度信息作为待测物体的温度，并将所述第二温度信息显示到所述终端设备。

可选地，其中：

根据所述实时温度对所述测温光纤的第一温度信息进行校准，具体为：

根据温度解调公式T＝k*(R1/R2)+b计算待测物体的温度，其中，T为温度，k和b为计算系数，R1为温度T下的拉曼比值，R2为室温下的拉曼比值，R2为常数；假设当温度T≤60℃时，对应的计算系数为k1和b1；当温度60°＜T≤100℃时，对应的计算系数为k2和b2；当温度T＞100℃时，对应的计算系数为k3和b3；

初步预测待测物体的温度T0：

若预测待测物体的温度T0≤60℃，则将温度监测模块监测的温度T1、与温度T1对应的拉曼比值、室温T2以及室温T2对应的拉曼比值代入上述公式中，重新计算得到新的计算系数k4和b4；然后将主控板计算得到的待测物体温度下的拉曼比值、计算系数k4和b4以及室温下的拉曼比值R2代入上述公式中，得到待测物体的实际温度；

若预测待测物体的温度60°＜T0≤100℃，则将k2和b2作为计算系数，将主控板计算得到的待测物体温度下的拉曼比值、计算系数k2和b2以及室温下的拉曼比值R2代入上述公式中，得到待测物体的实际温度；

若预测待测物体的温度T0＞100℃，则将k3和b3作为计算系数，将主控板计算得到的待测物体温度下的拉曼比值、计算系数k3和b3以及室温下的拉曼比值R2代入上述公式中，得到待测物体的实际温度。

可选地，其中：

k1和b1、k2和b2、k3和b3为不同温度范围内对应的初始计算系数，所述初始计算系数的计算方法为：

在对应的温度范围内，选择至少两个温度点，将所述至少两个温度点对应的温度和对应的拉曼比值分别代入公式T＝k*(R1/R2)+b中，计算得到特定温度范围内的初始计算系数。

与现有技术相比，本申请所述的分布式光纤测温系统及温度动态测量方法，达到了如下效果：

1、本申请所提供的分布式光纤测温系统及温度动态测量方法中，数据采集卡与主控板之间通过SPI总线电连接，通过SPI总线实现信号的传输，此种方式在结构上较为简单，而且能够满足测量精度和速度的要求，有利于节约开发时间，同时还降低采集卡的成本。

2、本申请所提供的分布式光纤测温系统及温度动态测量方法中，在分布式测温主机中引入了温度监测模块，能够实时监测分布式测温主机的温度，在计算待测物体的温度时，会考虑分布式测温主机的实时温度，即根据实时温度对温度信息进行校准，从而得到较为精确的待测物体的温度，减小了温度测量结果受分布式测温主机内部的各个器件的温度漂移的影响，因而有利于提升温度测量精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1所示为本申请实施例所提供的分布式光纤测温系统的一种结构示意图；

图2所示为本申请实施例所提供的分布式测温主机的一种构成示意图；

图3所示为本申请实施例中数据采集卡和主控板之间的连接示意图；

图4所示为本申请实施例所提供的APD探测器的一种信号处理示意图；

图5所示为本申请实施例所提供的温度动态测量方法的一种流程图；

图6所示为环境温度与R1/R2的一种对应关系图；

图7所示为主控板进行小波变换的一种过程图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

在实际的工程测量实践中，分布式光纤测温系统设计和实际测量使用方面还有一些无法克服的缺陷：

1、现有的分布式光纤测温系统多数采用数据采集卡的方式采集后向拉曼散射光经过光电转换的电信号，市面上此种数据采集卡采用PCI或者PCIE接口和工控机连接，这就造成了数据采集卡必须支持PCI或者PCIE接口，采集卡成本高。

2、根据拉曼散射原理，温度解调和环境温度是有关联的，特别是受测温主机内部各个器件的温度漂移影响，现有的分布式光纤测温系统使用时采用一次性校准的方法，在后续使用时忽略环境参数，造成环境温度改变时，实时测量精度很难满足实际要求。

有鉴于此，本申请提供一种分布式光纤测温系统及温度动态测量方法，数据采集卡使用SPI总线传输信号，既能够满足测量速度和精度的要求，还能极大降低采集卡成本；同时，引入了温度监测模块对环境温度进行实时监测，根据实时环境温度对测温光纤的温度信息进行校准，从而有利于提升温度测量精度。

以下将结合附图和具体实施例进行详细说明。

图1所示为本申请实施例所提供的分布式光纤测温系统的一种结构示意图，图2所示为本申请实施例所提供的分布式测温主机的一种构成示意图，请参见图1和图2，本申请实施例所提供的分布式光纤测温系统100，包括：分布式测温主机10、测温光纤20和终端设备30，分布式测温主机10包括激光脉冲器11、波分复用器12、APD探测器13、数据采集卡14、主控板15和温度监测模块16；

波分复用器12分别与激光脉冲器11、测温光纤20和APD探测器13连接，激光脉冲器11提供激光光源，周期性发射激光脉冲；波分复用器12接收激光脉冲后，向测温光纤20发送激光脉冲信号；测温光纤20接收到激光脉冲信号后，向波分复用器12提供拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；波分复用器12将拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光发送至APD探测器13；

APD探测器13与数据采集卡14电连接，APD探测器13接收到拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光后，将光信号转换为第一路模拟电信号和第二路模拟电信号，并对噪声进行抑制，将经过噪声抑制处理后的第一路模拟电信号和第二路模拟电信号发送至数据采集卡14；

数据采集卡14与主控板15通过SPI总线电连接，数据采集卡14在接收到第一路模拟电信号和第二路模拟电信号后，同时对两路电信号进行采集和AD转换，分别转换为第一路数字信号和第二路数字信号，并将第一路数字信号和第二路数字信号通过SPI总线发送给主控板15；需要说明的是，数据采集卡14将亮度电信号进行采集和AD转换后，转换为的第一路数字信号和第二路数字信号均体现为万次级别的累加值，数据采集卡14通过SPI总线发送累加值给主控板15；

温度监测模块16，与主控板15电连接，实时监测分布式测温主机10内部的实时温度并将实时温度发送至主控板15；

主控板15接收到第一路数字信号和第二路数字信号和实时温度后，对第一路数字信号和第二路数字信号进行处理，得到测温光纤20的第一温度信息，并根据实时温度对测温光纤20的第一温度信息进行校准，得到测温光纤20的第二温度信息作为待测物体的温度，并将第二温度信息显示到终端设备30。

需要说明的是，本申请实施例所提供的分布式光纤测温系统100中的终端设备30例如可包括显示终端31、鼠标32和键盘33等，通过终端设备30实现操作人员与分布式光纤测温系统100的人机交互功能。

可选地，本申请实施例所提及的测温光纤20例如可以是单模光纤或者多模光纤，测温光纤20通常缠绕在待测物体的表面，待测物体例如可以是电力电缆等。同时，测温光纤20还有一端与波分复用器12连接，用于接收波分复用器12向其发送的激光脉冲信号。测温光纤20在接收到激光脉冲信号后，会向波分复用器12提供拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光，波分复用器12将这两种光纤发送至APD探测器13进行处理，将光信号转换为模拟电信号；数据采集卡14将模拟电信号转换为数字信号发送给主控板15；如此实现了光信号向数字信号一系列转换。特别是，本申请中，数据采集卡14与主控板15之间通过SPI总线电连接，SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface的缩写)，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片上占用的管脚较少，有利于节约芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便；通过SPI总线实现信号的传输时，结构上较为简单，而且能够满足测量精度和速度的要求，有利于节约开发时间，同时还降低采集卡的成本。

此外，本申请所提供的分布式光纤测温系统100中，在分布式测温主机10中引入了温度监测模块16，能够实时监测分布式测温主机10的温度，在计算待测物体的温度时，会考虑分布式测温主机10的实时温度，即根据实时温度对温度信息进行校准，从而得到较为精确的待测问题的温度，减小了温度测量结果受分布式测温主机10内部的各个器件的温度漂移的影响，因而有利于提升温度测量精度。

可选地，请参见图3，图3所示为本申请实施例中数据采集卡14和主控板15之间的连接示意图，SPI总线包括4个管脚，分别为CLK管脚、CS管脚、MOSI管脚和MISO管脚；CLK管脚用于传输数据的同步时钟信号；CS管脚用于传输片选信号(通常为低电平有效)；MOSI管脚用于传输主模式下的输出信号或从模式下的输入信号；MISO管脚用于传输主模式下的输入信号或从模式下的输出信号。

本方案中主控板15作为SPI通讯主机，数据采集卡14作为SPI通讯从机，每次数据通讯由主控板15发起，此时CS片选由主控板15拉成低电平，主控板15通过MOSI发送问询数据帧，采集卡通过MISO发送累加值给主控板15，传输完成之后主控板15将CS片选拉高，传输过程中，CLK为数据的传输提供时钟。当主控板15需要对数据采集板进行管理的时候，通信同样由主控板15发起，此时CS片选由主控板15拉成低电平，主控板15通过MOSI发送管理数据帧，采集卡通过MISO发送应答帧给主控板15，传输完成之后主控板15将CS片选拉高，传输过程中，CLK为数据的传输提供时钟。现有的PCI或者PCIE接口，接口复杂，设计和实现成本高，采用SPI接口技术，与现有技术相比，实现简单且满足测量精度和速度的要求，节约了开发时间和成本。

根据理论计算，假设测温光纤20长度为5km，累加次数为10000次时，可计算出分布式光纤测温系统100中激光脉冲器11发射激光脉冲的间隔时间为：2*5Km/(200000Km/s)，即50us，此时分布式光纤测温系统100完成一次温度扫描的时间为50us*10000＝500ms，即0.5s，分布式光纤测温系统100空间精度在满足±1m的条件下，则系统测量5km测温光纤20需要采集5000个点的数据，一个点累加值数据的长度为2字节，则计算温度需要每次传输的最小单位字节数为2*5000＝10000字节，即传输速率必须大于等于1M字节/秒，即8Mbps/s，SPI总线传输速率可达到20Mbps/s，故在0.5秒的时间内，采用SPI总线完全可以满足传输和计算的总时间要求。

可选地，本申请实施例所提供的分布式光纤测温系统100中，APD探测器13至少包括温控电路和两个雪崩光电二极管，两个雪崩光电二极管分别用于接收处理拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；温控电路用于对APD探测器13的温度进行控制。

请参见图4，图4所示为本申请实施例所提供的APD探测器13的一种信号处理示意图，其中，stock代表拉曼斯托克斯散射光，anti-stock代表拉曼反斯托克斯散射光。两种模拟电信号分别通过两个雪崩光电二极管进行转换，分别转换为第一路模拟电信号(即拉曼斯托克斯散射光对应的模拟电信号)和第二路模拟电信号(即拉曼反斯托克斯散射光对应的模拟电信号)。APD探测器13中除集成雪崩光电二极管外，还会集成低噪声放大器和高压供电模块，考虑到APD探测器13内部增益的温漂特性会导致探测精度恶化，为了保证APD的增益稳定性，本申请还引入高精度的温控电路对APD探测器13进行温度控制，对因温漂导致的噪声进行抑制，从而提升了信号处理的精度。

可选地，数据采集卡14包括现场可编程门阵列，并集成有同步动态随机存储器；现场可编程门阵列和同步动态随机存储器用于对第一路数字信号或第二路数字信号进行万次级别的累加计算并对累加值进行存储。

具体地，现场可编程门阵列，即FPGA(Field－Programmable Gate Array)，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。前者和同步动态随机存储器(SDRAM)，用于对采集并转换的数字信号进行万次级别的累加计算，累加过程中通过SDRAM进行存储，减少FPGA内部资源的使用。

可选地，本申请中的主控板15还可内嵌测温软件，可完成分布式光纤测温系统100的软件管理功能，包括温度标定标准、激光脉冲器11和数据采集卡14FPGA管理，报警IO、防火分区、差定温阈值、网络和第三方通讯协议的配置等等。

基于同一发明构思，本申请还提供一种基于上述任一实施例的分布式光纤测温系统100的温度动态测量方法，请参见图5，图5所示为本申请实施例所提供的温度动态测量方法的一种流程图，其中分布式光纤测温系统100请参见图1和图2，包括：分布式测温主机10、测温光纤20和终端设备30，分布式测温主机10包括激光脉冲器11、波分复用器12、APD探测器13、数据采集卡14、主控板15和温度监测模块16；

温度动态测量方法包括：

步骤101、启动激光脉冲器11，使激光脉冲器11周期性的发射激光脉冲；

步骤102、波分复用器12接收到激光脉冲器11发出的激光脉冲后，向测温光纤20发送激光脉冲信号；

步骤103、测温光纤20在接收到激光脉冲信号后，向波分复用器12提供拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；

步骤104、波分复用器12将拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光发送至APD探测器13；

步骤105、APD探测器13接收到拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光后，将光信号转换为第一路模拟电信号和第二路模拟电信号，并对噪声进行抑制，将经过噪声抑制处理后的第一路模拟电信号和第二路模拟电信号发送至数据采集卡14；

步骤106、数据采集卡14在接收到第一路模拟电信号和第二路模拟电信号后，同时对两路电信号进行采集和AD转换，分别转换为第一路数字信号和第二路数字信号，并将第一路数字信号和第二路数字信号通过SPI总线发送给主控板15；

步骤107、温度监测模块16实时监测分布式测温主机10内部的温度并将实时温度发送至主控板15；

步骤108、主控板15接收到第一路数字信号和第二路数字信号和实时温度后，对第一路数字信号和第二路数字信号进行处理，得到测温光纤20的第一温度信息，并根据实时温度对测温光纤20的第一温度信息进行校准，得到测温光纤20的第二温度信息作为待测物体的温度，并将第二温度信息显示到终端设备30。

具体地，本申请实施例所提供的温度动态测量方法中，激光脉冲器11通过光线发送周期性激光脉冲给波分复用器12，波分复用器12在接收到激光脉冲后将其发送到测温光纤20，并将测温光纤20背向拉曼散射中的斯托克光和反斯托克光过滤出来，将过滤出来的光送到APD探测器13，APD探测器13将光电转换并放大的模拟电信号发送给数据采集卡14，数据采集卡14经过采集和AD转换，将万次级别的累计值通过SPI总线送到主控板15，主控板15经过一系列处理之后将结果显示到显示终端31，同时主控板15可对脉冲激光器进行管理。特别是，上述方法中引入了对分布式测温主机10内部的温度进行实时监测的功能，温度监测模块16将实时温度发送给主控板15，主控板15根据实时温度对测温光纤20的温度信息进行校准后得到待测物体的温度并显示到终端设备30。

因此，本申请中，数据采集卡14与主控板15之间通过SPI总线电连接，通过SPI总线实现信号的传输时，结构上较为简单，而且能够满足测量精度和速度的要求，有利于节约开发时间，同时还降低采集卡的成本。

此外，在分布式测温主机10中引入了温度监测模块16，能够实时监测分布式测温主机10的温度，在计算待测物体的温度时，会考虑分布式测温主机10的实时温度，即根据实时温度对温度信息进行校准，从而得到较为精确的待测问题的温度，减小了温度测量结果受分布式测温主机10内部的各个器件的温度漂移的影响，因而有利于提升温度测量精度。

可选地，上述步骤108中，根据实时温度对测温光纤20的第一温度信息进行校准，具体为：

根据温度解调公式T＝k*(R1/R2)+b计算待测物体的温度，其中，T为温度，k和b为计算系数，R1为温度T下的拉曼比值，R2为室温下的拉曼比值，R2为常数；假设当温度T≤60℃时，对应的计算系数为k1和b1；当温度60°＜T≤100℃时，对应的计算系数为k2和b2；当温度T＞100℃时，对应的计算系数为k3和b3；

初步预测待测物体的温度T0：

若预测待测物体的温度T0≤60℃，则将温度监测模块16监测的温度T1、与温度T1对应的拉曼比值、室温T2以及室温T2对应的拉曼比值代入上述公式中，重新计算得到新的计算系数k4和b4；然后将主控板15计算得到的待测物体温度下的拉曼比值、计算系数k4和b4以及室温下的拉曼比值R2代入上述公式中，得到待测物体的实际温度；

若预测待测物体的温度60°＜T0≤100℃，则将k2和b2作为计算系数，将主控板15计算得到的待测物体温度下的拉曼比值、计算系数k2和b2以及室温下的拉曼比值R2代入上述公式中，得到待测物体的实际温度；

若预测待测物体的温度T0＞100℃，则将k3和b3作为计算系数，将主控板15计算得到的待测物体温度下的拉曼比值、计算系数k3和b3以及室温下的拉曼比值R2代入上述公式中，得到待测物体的实际温度。

在首次校准时，我们可根据拉曼比值实际测量效果，即在不同温度下是否具有线性拟合特征(R1/R2为横坐标，T为纵坐标)确定不同的线性拟合段的计算系数k和b，并请其写入主控板15的存储，请参见图6，图6所示为环境温度与R1/R2的一种对应关系图。根据图6所示，首次校准过程根据实际的情况，划分为不同的标定温度范围，例如0℃～60℃，60℃～100℃，100℃～200℃，假设此时温度检测模块监测到的温度为28℃，我们可以选取20℃、28℃、40℃三个温度点来计算出标定温度区间0℃～60℃的温度解调计算系数k1和b1，同理还可选取其它标定温度区间的三个不同温度点计算不同温度区间的温度解调计算系数。当待测物体的温度处于60℃以下，例如在0～60℃之间时，此时与环境温度较为接近，待测物体的实际温度将会受到实际环境温度的影响，因此，在实际使用的过程中，引入环境温度参数(即温度监测模块16所监测到的实时温度)，在利用不同标定区间的温度解调系数进行温度的解调之前，利用实时温度和室温两个相对固定的值，重新动态调整温度标定区间的温度解调系数，以消除分布式光纤测温系统100在测温过程中环境温度变化所引起的器件的温漂或者其它由温度所引起的温度解调的误差，因而有利于提升测量精度。考虑到测温主机工作环境为机房，实际主机内部温度维持在60℃及以下，因此当温度大于等于60℃时，环境温度变化所引起的器件的温漂对实际测量结果影响很小，因此当温度60°＜T≤100℃时，可按照计算系数k2和b2进行计算，当温度T＞100℃时，可按照计算系数为k3和b3进行计算，无需再进行系数调整。

以下将以具体案例说明动态调整解调系数的过程：如果首次校准时环境温度为28℃(需要说明的是，本申请中的环境温度指的是温度监测模块16所监测到的实时温度)，校准的标定温度区间(包含环境温度和室温两个温度点)的温度解调系数为k1和b1；当校准完毕实际使用时，温度监测模块16监测到的环境温度变化为30℃，则使用新的环境温度(30℃)和室温(固定值)重新计算温度解调计算系数k4和b4，当被测温度落入对应的标度标定区间(即R1/R2的比值落入对应的区间)，则利用新计算的k2和b2进行计算。

可选地，k1和b1、k2和b2、k3和b3为不同温度范围内对应的初始计算系数，初始计算系数的计算方法为：

在对应的温度范围内，选择至少两个温度点，将至少两个温度点对应的温度和对应的拉曼比值分别代入公式T＝k*(R1/R2)+b中，计算得到特定温度范围内的初始计算系数。

可选地，上述步骤108中，主控板15得到测温光纤20的第二温度信息的具体过程为：

主控板15接收数据采集卡14通过SPI总线发送的累计值，主控板15接收到该累计值之后，对其进行取平均、小波变换和温度解调之后得出被测光线的温度信息，即上述第二温度信息，其中，小波变换的方法可参见图7，图7所示为主控板15进行小波变换的一种过程图，小波分解能够有效去除拉曼信号中所含噪声，分布式光线测温系统中，斯托克和反斯托克信号，能量主要集中在幅度较大的小波系数中，而拉曼信号含有的白噪声，能量却在变换域中平均分布。在对信号进行小波变换且经过简单的阈值判定，能对白噪声进行最大程度的抑制。其中小波变换的公式可参照现有技术中常规的小波变换的公式执行，本申请对此不进行具体限定。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

1、本申请所提供的分布式光纤测温系统及温度动态测量方法中，数据采集卡与主控板之间通过SPI总线电连接，通过SPI总线实现信号的传输，此种方式在结构上较为简单，而且能够满足测量精度和速度的要求，有利于节约开发时间，同时还降低采集卡的成本。

2、本申请所提供分布式光纤测温系统及温度动态测量方法中，在分布式测温主机中引入了温度监测模块，能够实时监测分布式测温主机的温度，在计算待测物体的温度时，会考虑分布式测温主机的实时温度，即根据实时温度对温度信息进行校准，从而得到较为精确的待测物体的温度，减小了温度测量结果受分布式测温主机内部的各个器件的温度漂移的影响，因而有利于提升温度测量精度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种分布式光纤测温系统，其特征在于，包括：分布式测温主机、测温光纤和终端设备，所述分布式测温主机包括激光脉冲器、波分复用器、APD探测器、数据采集卡、主控板和温度监测模块；

所述波分复用器分别与所述激光脉冲器、所述测温光纤和所述APD探测器连接，所述激光脉冲器提供激光光源，周期性发射激光脉冲；所述波分复用器接收所述激光脉冲后，向所述测温光纤发送激光脉冲信号；所述测温光纤接收到所述激光脉冲信号后，向所述波分复用器提供拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；所述波分复用器将所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光发送至所述APD探测器；

所述APD探测器与所述数据采集卡电连接，所述APD探测器接收到所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光后，将光信号转换为第一路模拟电信号和第二路模拟电信号，并对噪声进行抑制，将经过噪声抑制处理后的第一路模拟电信号和第二路模拟电信号发送至所述数据采集卡；

所述数据采集卡与所述主控板通过SPI总线电连接，所述数据采集卡在接收到所述第一路模拟电信号和所述第二路模拟电信号后，同时对两路电信号进行采集和AD转换，分别转换为第一路数字信号和第二路数字信号，并将所述第一路数字信号和第二路数字信号通过所述SPI总线发送给主控板；

所述温度监测模块，与所述主控板电连接，实时监测所述分布式测温主机内部的实时温度并将实时温度发送至所述主控板；

所述主控板接收到所述第一路数字信号和第二路数字信号和实时温度后，对所述第一路数字信号和第二路数字信号进行处理，得到所述测温光纤的第一温度信息，并根据所述实时温度对所述测温光纤的第一温度信息进行校准，得到所述测温光纤的第二温度信息作为待测物体的温度，并将所述第二温度信息显示到所述终端设备。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述SPI总线包括4个管脚，分别为CLK管脚、CS管脚、MOSI管脚和MISO管脚；所述CLK管脚用于传输数据的同步时钟信号；所述CS管脚用于传输片选信号；所述MOSI管脚用于传输主模式下的输出信号或从模式下的输入信号；所述MISO管脚用于传输主模式下的输入信号或从模式下的输出信号。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述APD探测器至少包括温控电路和两个雪崩光电二极管，两个所述雪崩光电二极管分别用于接收处理所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；所述温控电路用于对所述APD探测器的温度进行控制。

4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述测温光纤为单模光纤或者多模光纤，所述测温光纤用于紧贴或者缠绕在待测物体的表面。

5.根据权利要求1所述的一种分布式光纤测温系统，其特征在于，所述数据采集卡包括现场可编程门阵列，并集成有同步动态随机存储器；

所述现场可编程门阵列和同步动态随机存储器用于对第一路数字信号或第二路数字信号进行万次级别的累加计算并对累加值进行存储。

6.一种基于权利要求1至5之任一所述的分布式光纤测温系统的温度动态测量方法，其特征在于，所述分布式光纤测温系统包括：分布式测温主机、测温光纤和终端设备，所述分布式测温主机包括激光脉冲器、波分复用器、APD探测器、数据采集卡、主控板和温度监测模块；

所述温度动态测量方法包括：

启动激光脉冲器，使所述激光脉冲器周期性的发射激光脉冲；

波分复用器接收到所述激光脉冲器发出的激光脉冲后，向测温光纤发送激光脉冲信号；

测温光纤在接收到所述激光脉冲信号后，向所述波分复用器提供拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光；

所述波分复用器将所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光发送至APD探测器；

所述APD探测器接收到所述拉曼反斯托克斯散射光和拉曼斯托克斯散射光后，将光信号转换为第一路模拟电信号和第二路模拟电信号，并对噪声进行抑制，将经过噪声抑制处理后的第一路模拟电信号和第二路模拟电信号发送至数据采集卡；

所述数据采集卡在接收到所述第一路模拟电信号和所述第二路模拟电信号后，同时对两路电信号进行采集和AD转换，分别转换为第一路数字信号和第二路数字信号，并将所述第一路数字信号和第二路数字信号通过所述SPI总线发送给主控板；

温度监测模块实时监测所述分布式测温主机内部的温度并将实时温度发送至所述主控板；

所述主控板接收到所述第一路数字信号和第二路数字信号和实时温度后，对所述第一路数字信号和第二路数字信号进行处理，得到所述测温光纤的第一温度信息，并根据所述实时温度对所述测温光纤的第一温度信息进行校准，得到所述测温光纤的第二温度信息作为待测物体的温度，并将所述第二温度信息显示到所述终端设备。

7.根据权利要求6所述的温度动态测量方法，其特征在于，根据所述实时温度对所述测温光纤的第一温度信息进行校准，具体为：

根据温度解调公式T＝k*(R1/R2)+b计算待测物体的温度，其中，T为温度，k和b为计算系数，R1为温度T下的拉曼比值，R2为室温下的拉曼比值，R2为常数；假设当温度T≤60℃时，对应的计算系数为k1和b1；当温度60°＜T≤100℃时，对应的计算系数为k2和b2；当温度T＞100℃时，对应的计算系数为k3和b3；

初步预测待测物体的温度T0：

若预测待测物体的温度T0≤60℃，则将温度监测模块监测的温度T1、与温度T1对应的拉曼比值、室温T2以及室温T2对应的拉曼比值代入上述公式中，重新计算得到新的计算系数k4和b4；然后将主控板计算得到的待测物体温度下的拉曼比值、计算系数k4和b4以及室温下的拉曼比值R2代入上述公式中，得到待测物体的实际温度；

若预测待测物体的温度60°＜T0≤100℃，则将k2和b2作为计算系数，将主控板计算得到的待测物体温度下的拉曼比值、计算系数k2和b2以及室温下的拉曼比值R2代入上述公式中，得到待测物体的实际温度；

若预测待测物体的温度T0＞100℃，则将k3和b3作为计算系数，将主控板计算得到的待测物体温度下的拉曼比值、计算系数k3和b3以及室温下的拉曼比值R2代入上述公式中，得到待测物体的实际温度。

8.根据权利要求7所述的温度动态测量方法，其特征在于，k1和b1、k2和b2、k3和b3为不同温度范围内对应的初始计算系数，所述初始计算系数的计算方法为：

在对应的温度范围内，选择至少两个温度点，将所述至少两个温度点对应的温度和对应的拉曼比值分别代入公式T＝k*(R1/R2)+b中，计算得到特定温度范围内的初始计算系数。