CN113108942A - 一种提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统及方法，掺铒光纤放大器与激光器模块连接，波分复用器与掺铒光纤放大器连接，校准光纤盒分别与波分复用器、光开关和工控机连接，光开关分别与工控机和传感光缆连接，双通道APD及多级放大电路分别与波分复用器和采集卡连接，采集卡分别与激光器模块和工控机连接。以此提升采集卡采样率，能够适用于对于空间分辨率要求较高场景的应用，降低了采集卡的采样率技术难度及成本，适用于大规模工程应用。

Description

一种提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统及方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤测温系统领域，尤其涉及一种提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统及方法。

背景技术

拉曼光时域反射计(R-OTDR)是利用光脉冲在光纤中传输产生的后向拉曼散射效应对温度的敏感的一种分布式温度传感技术，具有实时分布式测量、本征安全、防雷防爆、测量距离远、维护成本低、使用寿命长等优点可广泛，可以对电力电缆、油气管道、公路铁路隧道和各类基础设施进行实时、分布式、长距离的高精度温度监测。

在拉曼光时域反射计系统中，空间分辨率是重要指标，而空间分辨率主要取决于探测光脉冲的宽度和采集卡的采样分辨率，其中探测光脉冲的宽度可以通过脉冲编码来进行提升，而采集卡的采样分辨率是无法回避决定因素，由于探测光脉冲在传感光缆中传输的速度约为2×108m/s，且采集的是拉曼后向散射光，所以现有拉曼光时域反射计系统中的较好采集卡采样率为250Mb/s，对应可达到的系统空间分辨率为0.4m，而这就限制了对于空间分辨率要求较高场景的应用，由于采集卡的采样率受到光电转换和多级放大带宽以及AD采样速率、FPGA采集和处理等诸多因素的影响，进一步提高采集卡的采样率技术难度大且成本高昂，不适用于大规模工程应用。

发明内容

本发明针对拉曼光时域反射计系统中的采集卡采样率不高，限制了对于空间分辨率要求较高场景的应用，进一步提高采集卡的采样率技术难度大且成本高昂的问题，提出一种提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用的一种提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统，包括激光器模块、掺铒光纤放大器、波分复用器、校准光纤盒、光开关、传感光缆、双通道APD及多级放大电路、采集卡和工控机，所述掺铒光纤放大器与所述激光器模块连接，所述波分复用器与所述掺铒光纤放大器连接，所述校准光纤盒分别与所述波分复用器、所述光开关和所述工控机连接，所述光开关分别与所述工控机和所述传感光缆连接，所述双通道APD及多级放大电路分别与所述波分复用器和所述采集卡连接，所述采集卡分别与所述激光器模块和所述工控机连接。

其中，所述激光器模块为多个不同波长的激光器或波长可调的激光器。

其中，所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括第一波分复用器，所述第一波分复用器连接于所述激光器模块和所述掺铒光纤放大器之间。

其中，所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括第二波分复用器，所述第二波分复用器连接于所述掺铒光纤放大器与所述波分复用器之间。

其中，所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括滤波器，所述滤波器连接于所述第二波分复用器与所述波分复用器之间。

其中，所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括第三波分复用器，所述第三波分复用器连接于所述滤波器与所述波分复用器之间。

本发明还提供一种采用上述所述的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统的提高拉曼光时域反射计采样分辨率方法，包括如下步骤：

利用所述采集卡向所述激光器模块发出一个电脉冲信号，基于所述电脉冲信号每次驱动一个波长的激光器产生相应宽度和重复频率的激光脉冲信号，然后所述激光脉冲信号经过所述第一波分复用器耦合至一根光纤中进入所述掺铒光纤放大器；

待所述掺铒光纤放大器接收到所述激光脉冲信号后，将所述激光脉冲信号放大到预设的光功率之后入射到所述波分复用器的1550nm光端口，然后从所述波分复用器的COM口出射，经所述校准光纤盒入射到所述光开关及连接的所述传感光缆，获得后向拉曼散射光；

获取的所述后向拉曼散射光依次经过所述传感光缆、所述光开关和所述校准光纤盒原路返回所述波分复用器，之后分别从波分复用器的1660光端口和1450光端口输出斯托克斯光和反斯托克斯光这两路传感光信号到所述双通道APD及多级放大电路；

待所述双通道APD及多级放大电路接收到所述两路传感光信号后，将所述两路传感光信号进行光电转换并多级放大后，传输至所述采集卡进行模数转换和数据采集，并进行两路数据的平均降噪处理，最后发给所述工控机进行温度调解，利用温度传感器在所述校准光纤盒中探测校准光纤的温度，并把实时温度值传给所述工控机。

本发明的有益效果体现在：通过利用所述采集卡向所述激光器模块发出一个电脉冲信号，每次驱动一个波长的激光器产生相应宽度和重复频率的激光脉冲信号，然后所述激光脉冲信号经过所述第一波分复用器耦合至一根光纤中进入所述掺铒光纤放大器；并发送至所述掺铒光纤放大器；待所述掺铒光纤放大器接收到所述激光脉冲信号后，将所述激光脉冲信号放大到预设的光功率之后入射到所述波分复用器的1550nm光端口，然后从所述波分复用器的COM口出射经所述校准光纤盒，入射到所述光开关及连接的所述传感光缆，获得后向拉曼散射光；获取的所述后向拉曼散射光依次经过所述传感光缆、所述光开关和所述校准光纤盒原路返回所述波分复用器的COM口进行滤波，之后分别从波分复用器的1660光端口和1450光端口输出斯托克斯光和反斯托克斯光这两路传感光信号到所述双通道APD及多级放大电路；待所述双通道APD及多级放大电路接收到所述两路传感光信号后，将所述两路传感光信号进行光电转换并多级放大后，传输至所述采集卡进行模数转换和数据采集，并进行两路数据的平均降噪处理，最后发给所述工控机进行温度调解，利用温度传感器在所述校准光纤盒中探测校准光纤的温度，并把实时温度值传给所述工控机。利用温度传感器在所述校准光纤盒中探测校准光纤的温度，并把实时温度值传给处理中心。以此提升采集卡采样率，能够适用于对于空间分辨率要求较高场景的应用，降低了采集卡的采样率技术难度及成本，适用于大规模工程应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统框图。

图2是本发明的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的方法流程图。

1-激光器模块，2-第一波分复用器，3-掺铒光纤放大器，4-第二波分复用器，5-滤波器，6-第三波分复用器，7-波分复用器，8-校准光纤盒，9-光开关，10-传感光缆，11-双通道APD及多级放大电路，12-采集卡，13-工控机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本发明提供了一种提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统，包括激光器模块1、掺铒光纤放大器3、波分复用器7、校准光纤盒8、光开关9、传感光缆10、双通道APD及多级放大电路11、采集卡12和工控机13，所述掺铒光纤放大器3与所述激光器模块1连接，所述波分复用器7与所述掺铒光纤放大器3连接，所述校准光纤盒8分别与所述波分复用器7、所述光开关9和所述工控机13连接，所述光开关9分别与所述工控机13和所述传感光缆10连接，所述双通道APD及多级放大电路11分别与所述波分复用器7和所述采集卡12连接，所述采集卡12分别与所述激光器模块1和所述工控机13连接。

所述激光器模块1为多个不同波长的激光器或波长可调的激光器。

所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括第一波分复用器2，所述第一波分复用器2连接于所述激光器模块1和所述掺铒光纤放大器3之间。

所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括第二波分复用器4，所述第二波分复用器4连接于所述掺铒光纤放大器3与所述波分复用器7之间。

所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括滤波器5，所述滤波器5连接于所述第二波分复用器4与所述波分复用器7之间。

所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括第三波分复用器6，所述第三波分复用器6连接于所述滤波器5与所述波分复用器7之间。

在本实施方式中，所述波分复用器7为1450nm/1550nm/1660nm波分复用器7，所述采集卡12发出一个电脉冲信号给所述激光器模块1，每次驱动一个波长的激光器产生相应宽度和重复频率的激光脉冲信号，然后经过所述第一波分复用器2耦合到一根光纤中进入所述掺铒光纤放大器3，经过放大的光脉冲通过所述第二波分复用器4和滤波器5和所述第三波分复用器6，通过每个对应的波长通道的光纤长度不同，并通过相应的所述滤波器5滤掉多余的ASE噪声。光脉冲入射到所述波分复用器7的1550nm光端口，然后从所述波分复用器7的COM口出射经所述校准光纤盒8，入射到所述光开关9及连接的所述传感光缆10，随着光脉冲在光缆中的向前传输，会与所述传感光缆10发生相互作用产生后向拉曼散射光，分别是1660nm附近的斯托克斯光和1450nm附近的反斯托克斯光，后向拉曼散射光依次经过所述传感光缆10、所述光开关9和所述校准光纤盒8原路返回所述波分复用器7，从所述波分复用器7的1660光端口和1450光端口输出斯托克斯光和反斯托克斯光到所述双通道APD及多级放大电路11，进行光电转换并多级放大后，传给所述采集卡12进行模数转换和数据采集，并进行两路数据的平均降噪处理，最后发给所述工控机13进行温度解调，温度传感器在所述校准光纤盒8中探测校准光纤的温度，并把实时温度值传给所述工控机13，所述工控机13还负责控制所述光开关9进行通道切换实现多通道传感。

请参阅图2，本发明还提供一种采用上述所述的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统的提高拉曼光时域反射计采样分辨率方法，包括如下步骤：

S1：利用所述采集卡12向所述激光器模块1发出一个电脉冲信号，基于所述电脉冲信号每次驱动一个波长的激光器产生相应宽度和重复频率的激光脉冲信号，然后所述激光脉冲信号经过所述第一波分复用器2耦合至一根光纤中进入所述掺铒光纤放大器3；

S2：待所述掺铒光纤放大器3接收到所述激光脉冲信号后，将所述激光脉冲信号放大到预设的光功率之后入射到所述波分复用器7的1550nm光端口，然后从所述波分复用器7的COM口出射，经所述校准光纤盒8入射到所述光开关9及连接的所述传感光缆10，获得后向拉曼散射光；

S3：获取的所述后向拉曼散射光依次经过所述传感光缆10、所述光开关9和所述校准光纤盒8原路返回所述波分复用器7，之后分别从波分复用器7的1660光端口和1450光端口输出斯托克斯光和反斯托克斯光这两路传感光信号到所述双通道APD及多级放大电路11；

S4：待所述双通道APD及多级放大电路11接收到所述两路传感光信号后，将所述两路传感光信号进行光电转换并多级放大后，传输至所述采集卡12进行模数转换和数据采集，并进行两路数据的平均降噪处理，最后发给所述工控机13进行温度调解，利用温度传感器在所述校准光纤盒8中探测校准光纤的温度，并把实时温度值传给所述工控机13。

其中，所述波分复用器7为1450nm/1550nm/1660nm波分复用器7，所述采集卡12发出一个电脉冲信号给所述激光器模块1，每次驱动一个波长的激光器产生相应宽度和重复频率的激光脉冲信号，然后经过所述第一波分复用器2耦合到一根光纤中进入所述掺铒光纤放大器3，经过放大的光脉冲通过所述第二波分复用器4和滤波器5和所述第三波分复用器6，通过每个对应的波长通道的光纤长度不同，并通过相应的所述滤波器5滤掉多余的ASE噪声。光脉冲入射到所述波分复用器7的1550nm光端口，然后从所述波分复用器7的COM口出射经所述校准光纤盒8，入射到所述光开关9及连接的所述传感光缆10，随着光脉冲在光缆中的向前传输，会与所述传感光缆10发生相互作用产生后向拉曼散射光，分别是1660nm附近的斯托克斯光和1450nm附近的反斯托克斯光，后向拉曼散射光依次经过所述传感光缆10、所述光开关9和所述校准光纤盒8原路返回所述波分复用器7，从所述波分复用器7的1660光端口和1450光端口输出斯托克斯光和反斯托克斯光到所述双通道APD及多级放大电路11，进行光电转换并多级放大后，传给所述采集卡12进行模数转换和数据采集，并进行两路数据的平均降噪处理，最后发给所述工控机13进行温度解调，温度传感器在所述校准光纤盒8中探测校准光纤的温度，并把实时温度值传给所述工控机13，所述工控机13还负责控制所述光开关9进行通道切换实现多通道传感。

其中待所述掺铒光纤放大器3接收到所述激光脉冲信号后，将所述激光脉冲信号放大，经过放大的激光脉冲信号依次通过所述第二波分复用器4、所述滤波器5和第三波分复用器6入射到所述波分复用器7的1550nm光端口。

此外，所述第一波分复用器2、所述第二波分复用器4和所述第三波分复用器6可为合波器或分路器；所述第二波分复用器4、所述滤波器5和第三波分复用器6形成的连接关系可用环形器、总波分复用器和对应波长光纤光栅形成的连接关系进行替代，其中总波分复用器的类型与第一波分复用器2、所述第二波分复用器4或所述第三波分复用器6中的任意一个的类型相同。所述激光器模块1、所述第二波分复用器4、所述滤波器5、所述第三波分复用器6实现不同延迟量的光脉冲生成与控制，也可以用一个脉冲激光器、光开关9、合波器来实现不同延迟量的光脉冲生成与控制，还可以直接利用程控光纤延迟线来实现不同延迟量的光脉冲生成与控制。

所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率方法具体为：首先通过控制所述激光器模块1发出一个波长的激光脉冲，设经过所述第二波分复用器4、对应的所述滤波器5、所述第三波分复用器6时经历相应的光程为L。第二个周期时驱动第二个波长的激光器发出光脉冲，并在经过所述第二波分复用器4、对应的所述滤波器5、所述第三波分复用器6时的光程为L+ΔL，依次类推直至第N个周期的第N个波长的激光器经过光程L+(N-1)ΔL后，再从第一个波长的激光器开始循环，其中N为不同延迟的激光脉冲的数量，ΔL为采集卡12采样率决定的系统空间分辨率的N分之一，每发射一个光脉冲就采集到1帧后向拉曼散射光信号，经过N个不同延迟光脉冲的一个完整循环，就得到N帧对应的后向拉曼散射光信号，通过多次采集平均消除噪声后，得到对应不同延迟量的N帧平均的后向拉曼散射光信号，最后将N帧平均的后向拉曼散射光信号交叉合成一帧后向拉曼散射光信号，这样就相当于将系统的采样率提高了N倍。如所述采集卡12的采样率为100Mb/s，对应的理论系统空间分辨率为1m，若利用本发明的方法加入使用10个不同延迟的激光脉冲来提高采样率，则ΔL为0.1m，系统的空间采样率将提高到10倍，即1GHz。

本发明通过控制拉曼光时域反射计探测光脉冲的光程的方法，在所述采集卡12硬件采样率不变的情况下，得到不同延迟量的光脉冲对应的后向拉曼散射光信号，然后通过交叉合成来提高系统的空间分辨率。解决了直接提高采集卡12的采样率技术难度大且成本高昂，限制了拉曼光时域反射计系统的空间分辨率的问题。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统，其特征在于，

包括激光器模块、掺铒光纤放大器、波分复用器、校准光纤盒、光开关、传感光缆、双通道APD及多级放大电路、采集卡和工控机，所述掺铒光纤放大器与所述激光器模块连接，所述波分复用器与所述掺铒光纤放大器连接，所述校准光纤盒分别与所述波分复用器、所述光开关和所述工控机连接，所述光开关分别与所述工控机和所述传感光缆连接，所述双通道APD及多级放大电路分别与所述波分复用器和所述采集卡连接，所述采集卡分别与所述激光器模块和所述工控机连接。

2.如权利要求1所述的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统，其特征在于，

所述激光器模块为多个不同波长的激光器或波长可调的激光器。

3.如权利要求2所述的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统，其特征在于，

所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括第一波分复用器，所述第一波分复用器连接于所述激光器模块和所述掺铒光纤放大器之间。

4.如权利要求3所述的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统，其特征在于，

所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括第二波分复用器，所述第二波分复用器连接于所述掺铒光纤放大器与所述波分复用器之间。

5.如权利要求4所述的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统，其特征在于，

所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括滤波器，所述滤波器连接于所述第二波分复用器与所述波分复用器之间。

6.如权利要求5所述的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统，其特征在于，

所述提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统还包括第三波分复用器，所述第三波分复用器连接于所述滤波器与所述波分复用器之间。

7.采用如权利要求6所述的提高拉曼光时域反射计采样分辨率的系统的提高拉曼光时域反射计采样分辨率方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用所述采集卡向所述激光器模块发出一个电脉冲信号，基于所述电脉冲信号每次驱动一个波长的激光器产生相应宽度和重复频率的激光脉冲信号，然后所述激光脉冲信号经过所述第一波分复用器耦合至一根光纤中进入所述掺铒光纤放大器；

待所述掺铒光纤放大器接收到所述激光脉冲信号后，将所述激光脉冲信号放大到预设的光功率之后入射到所述波分复用器的1550nm光端口，然后从所述波分复用器的COM口出射，经所述校准光纤盒入射到所述光开关及连接的所述传感光缆，获得后向拉曼散射光；

获取的所述后向拉曼散射光依次经过所述传感光缆、所述光开关和所述校准光纤盒原路返回所述波分复用器，之后分别从波分复用器的1660光端口和1450光端口输出斯托克斯光和反斯托克斯光这两路传感光信号到所述双通道APD及多级放大电路；

待所述双通道APD及多级放大电路接收到所述两路传感光信号后，将所述两路传感光信号进行光电转换并多级放大后，传输至所述采集卡进行模数转换和数据采集，并进行两路数据的平均降噪处理，最后发给所述工控机进行温度调解，利用温度传感器在所述校准光纤盒中探测校准光纤的温度，并把实时温度值传给所述工控机。

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