CN115219059A - 一种高空间分辨率的otdr光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，包括上位机、数据传输线、脉冲光源、波分复用器件、光电探测器、高速采集卡、传感测温光纤；其特征在于：所述高速采集卡外部时钟输入端连接射频信号源输出端，射频信号源发出周期脉冲信号与设定为外触发方式的所述脉冲光源的触发脉冲同步；所述射频信号源可编程，由所述上位机控制射频信号源输出信号的频率；本发明在原有的分布式测温系统硬件结构上，添加了射频信号源，通过调节采集卡采样频率，获取多次采样结果，缩短采样点之间的间隔，重构高空间分辨率温度曲线，实现空间分辨率的提高。

Description

一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统

技术领域

本发明涉及光纤信号检测技术领域，具体涉及一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统。

背景技术

在传统火电行业的未来发展中，新时代大数据处理技术、网络通讯技术、先进检测技术等将扮演重要角色。基于先进检测技术的燃烧优化技术是火电厂锅炉燃烧优化的主要方式，也是智慧电厂建设的重要内容之一。针对火力发电厂高温平行管路这一应用场景下的分布式监测系统为锅炉中主蒸汽的全覆盖式温度监测提供了可能性，对火电厂过热器和再热器的健康运行起到了重要的指导作用。过热器由大量平行管路组成，在火电厂锅炉系统中的作用是吸收烟气的热量，使管路内的水蒸气升温。研究表明，积灰将会导致传热过程中的热阻增加，阻碍烟气流动；受热面金属会出现腐蚀现象，致使管壁变得脆弱。当主蒸汽温度达到650℃以上时，较长时间的运行将发生严重的高温积灰和腐蚀。维持水蒸气的温度在540℃左右，可明显抑制过热器和再热器的管外腐蚀和高温积灰。

目前存在的高温测量手段主要有热电偶传感器、光学辐射法、蓝宝石光纤测温等。光学辐射法能够采集不同波长的能量，以比色法计算温度。该测温方式采用红外光学系统，结构较为复杂，需要花费大量的时间来搭建合理的计算模型；针对大量的平行高温管路，光学系统安装的工作量极为庞大，长距离传输光信号困难。蓝宝石测温光纤采用了蓝宝石单晶光纤作为传感头，采集光纤中的辐射信号实现对温度的测量。蓝宝石测温光纤技术目前有多种发展方向，但是高昂的成本，较大的传感器体积，测量值为环境平均温度等缺点限制了它的应用场景。

现有对火力发电厂中高温换热器和过热器的蒸汽管路的检测通常采用热电偶这种单点式测量技术。热电偶测量高温管路温度的方式存在着缺陷，由于热电偶测温设备的制作材料多为铂、铑等贵金属，造成大范围温度监测的成本较高。复杂环境下，热电偶不具备较好的抗腐蚀、抗电磁干扰性能。对于大量的平行高温管路这一应用场景，存在接线复杂，长距离电信号传输成本高的问题。因检测对象为大量平行管路，管路间隔窄，需求密集的测温点，热电偶测温由于其高昂的成本和复杂的排线技术，致使检测点数量有限，不能表征局部管路的温度变化，影响检测效果。

基于拉曼散射的光纤测温系统，具有分布式测温的优势，可对待测蒸汽管路实现全覆盖式测温，对火电厂的健康运行起到重要的指导作用。系统利用了脉冲光在多模光纤中通过沿线产生的拉曼散射，实现对光纤全长的温度场的在线监测。拉曼散射是光子与分子相互作用引起入射光频率两边出现新的频谱的现象，分别称为斯托克斯光和反斯托克斯光。利用光时域反射原理结合拉曼散射的温敏效应，可以实现分布式光纤测温。国外针对分布式光纤测温系统的研究起步较早，目前英国的Sensonet处于该技术的领先水平，例如该公司研发的Halo-DTS分布式测温系统，在60km的测温距离上，能够实现1m的空间分辨率和0.01℃的温度精度。另外日本的藤仓公司、德国的CESO、美国的Agilent等也都有成熟的产品问世。国内的研究开始于上世纪80年代，中国计量大学、重庆大学等相继开始相关的科研工作。近年来随着该技术的成熟，国内有厂家开始生产相关商品。例如上海森首科技的DTS系统，能够在4km的测量距离上，保证±1℃的测温精度和±1m的定位精度。华光天锐的DTS系统能够达到30km的测量，测温范围在-40℃-120℃。

但是，目前已有的光纤测温技术，因为技术指标中的空间分辨率过宽，即测量单根管路需要的传感光纤段长，无法适应大量高温平行管路温度监测这类特殊应用场景。火电厂中过热器和换热器的大量高温平行管路，由于固有的安装结构及环境限制，单根管路可安装传感光纤的部分长度往往不到1m，且按照区域划分，排布紧凑密集，为了实现精确到每一根管路的温度检测，保证分布式测温系统的全覆盖，需要进一步提高分布式测温系统的空间分辨率，来适应火电厂这一特殊的应用场景。目前提高空间分辨率的方法大多集中在两个角度，提高硬件指标和使用软件算法改善信噪比；直接限制分布式测温系统的空间分辨率的硬件因素有采集卡采样频率，脉冲光源信号脉冲宽度，光电转换电路带宽，这些指标的改善往往需要硬件升级换代，带来巨大的成本；软件算法目前已有较多的研究，但最终效果只能是使分布式测温系统的空间分辨率无限接近硬件限制的理论值，不能有进一步的突破。

发明内容

为了克服现有技术中高温平行管路检测过程中光纤空间分辨率低，测量单根管路需要的传感光纤段长度无法适应安装环境的缺陷，本发明的目的在于提供一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，在原有的分布式测温系统硬件结构上，添加了射频信号源，通过调节采集卡采样频率，获取多次采样结果，缩短采样点之间的间隔，重构高空间分辨率温度曲线，实现空间分辨率的提高。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：包括上位机、数据传输线、脉冲光源、波分复用器件、光电探测器、高速采集卡、传感测温光纤；其特征在于：所述高速采集卡外部时钟输入端连接射频信号源输出端，射频信号源发出周期脉冲信号与设定为外触发方式的所述脉冲光源的触发脉冲同步；所述射频信号源可编程，由所述上位机控制射频信号源输出信号的频率；所述高速采集卡通过射频信号源提供可变的外部时钟信号实现对光纤拉曼背向散射光信号进行变频采样，由此获得不同采样频率下的光纤拉曼背向散射光信号；

所述上位机管理所述高速采集卡与所述射频信号源之间的时序配合，系统工作时：首先，上位机发送一组控制信号，控制射频信号源输出脉冲信号的频率，此时完成一次频率设定；在当前频率下，所述高速采集卡完成数据采集并上传给上位机后，上位机保存该组采集的数据；

然后，上位机发送下一组控制信号，控制射频信号源调整频率输出，由此改变高速采集卡的采样频率，进行下一组数据采集及数据保存；通过多次频率设定，上位机完成了多组不同采样频率下所采集的光信号数据；

利用光时域反射原理，将采集信号的时间信息转换为空间上的位置信息，同时采集卡的采样间隔也从固定的时间间隔转换为空间上基于不同采样频率的固定间隔分布的排列情况，不同采样频率下采样间隔变化导致采样点密集分布；利用重构算法，将分布式测温系统的空间分辨率按照适当的期望值进行设计，寻找到与理想采样点空间距离最近的采样点，并计算获得该点的温度值。

利用重构算法选择各个采样频率下合适位置的采样点重构高空间分辨率信号；根据拉曼散射温敏原理解调出温度信号。

所述测温光纤为带有金属涂覆层的多模光纤，纤芯直径为62.5μm，包层外径125μm，可在高温环境中长时间工作；所述测温光纤通过不锈钢套管固定在高温平行管路上，通过高温胶固定。

所述光时域反射原理即光在光纤中的传播速度为真空中光速除以光纤纤芯的有效折射率，是由光纤的物理属性决定的；光信号射入光纤中，根据入射光发出的时间和接收到后向拉曼散射信号之间存在的时间差，就能够计算出该散射点与光纤入射端的位置关系；根据接收到的散射光的时间，将采样点的时间序列按照公式换算成为距离上的排列，进一步获得整条光纤长度上的测量值；测温系统中，脉冲光源以一定的频率发出固定脉宽的脉冲光，在多模光纤中产生了周期性的背向自发拉曼散射光信号，采样点所在的位置信息可从散射光接收时间中获得；一般来说，脉冲光的脉宽缩减得越窄，其测量结果就会越精确。

所述拉曼散射的温敏原理为当光在光纤中传播时，由于介质的不均匀性，一部分入射光会与光纤材料中分子运动产生相互作用，改变原本的运动轨迹，这种现象被称为光的散射；其中导致散射光的频率发生了增大或减小的改变的过程被称为非弹性散射；在入射光发生散射时，由于相应介质分子振动能级被转移到下一个稳态能级，其中一部分发射出光学分子，产生了比入射光频率小的斯托克斯光，一部分吸收光学分子产生了比入射光频率大的反斯托克斯光；反斯托克斯光相比斯托克斯光对温度有着更高的灵敏度，故测温系统可通过解调出反斯托克斯光中的温度信息，测量出测温光纤沿线的温度场。

所述高速采集卡外时钟输入端接射频信号源信号输出端，选择外时钟作为基准时钟，参数设置中分频因子设为1；所述高速采集卡的采样频率上限为500MHz；所述射频信号源可编程，可按照上位机指令发出动态高频信号作为采集卡的外部时钟，信号频率范围为350-450MHz，信号最小频率变化量为1MHz；上位机通过串口实现与脉冲光源、高速采集卡、射频信号源的通讯，存储多次采集卡上传数据，整合处理并重构出高空间分辨率信号曲线。

所述高速采集卡自带累加算法。由于光信号中掺杂大量由光电探测器和放大电路引起的白噪声，且拉曼信号的光强度非常微弱，在传输和采集过程中容易受到噪声的影响，信噪比低，理论研究表明白噪声计算均值后结果约为零，且上述脉冲光源周期性发射脉冲光信号，容易获得周期性的重复信号，所以采用累加算法来对信号进行去噪处理。

进一步的：所述脉冲光源周期地发出波长为纳秒级脉宽的脉冲光，通过波分复用器射入传感测温光纤，传感测温光纤沿线产生光纤拉曼背向散射光信号回到波分复用器，波分复用器将光纤拉曼背向散射光信号分为斯托克斯光和反斯托克斯光两路，两路散射光信号经过光电转换器被转换成电信号，由高速采集卡上传到上位机。

所述波分复用器能够区分出特定波长的光信号，将多模光纤中复合的背向拉曼散射光信号区分为斯托克斯光和反斯托克斯光两路；所述光电转换器利用了APD雪崩光电二极管的雪崩击穿，将微弱的光信号放大为可被采集卡读取的电信号。

进一步的：所述重构算法获得的测温光纤沿线温度场数据，存在随着光纤距离的增长拉曼信号衰减的现象，且斯托克斯光和反斯托克斯光的衰减趋势存在差异；为保证解调温度数据准确性，采用了补偿算法来消除温度漂移；在实际安装传感光纤前，将测温光纤整体放置在恒温环境下，测得该温度下光纤中斯托克斯光和反斯托克斯光信号，采用最小二乘法拟合两者比值曲线得到的多项式作为补偿公式，预先设置在上位机的程序内，在解调温度过程中进行补偿，消除散射光信号衰减导致的温度漂移。

进一步的：所述射频信号源通过串口实现与上位机的通讯，高速采集卡通过USB3.0实现与上位机的通讯；在变频过程中，射频信号源根据上位机指令发出的控制信号调整输出频率，当输出频率稳定后，射频信号源返回上位机携带频率信息的数据，保证输出信号的准确性。

进一步的：所述变频采样可以获得多个不同的采样频率下的光纤拉曼背向散射光信号数据组，在光时域反射原理的基础上，不同的采样间隔转换为不同的空间间隔；由于传感测温光纤被固定在所需测温的物体上，即采样信号初始位置固定，可按照位置关系重新排列采样点序列；

当所设定的采样频率变化不大的情况下，采样点序列在特定区间内呈现密集分布的现象；根据采样点的分布情况，选择特定位置的采样点集组成理想采样点集，可避免采集卡采样频率对空间分辨率的限制；

采样点的选取方式有多种：(1)选取不同频率下采样点的实际位置来确立理想采样点集；(2)按照固定间隔的期望空间分辨率选取理想采样点集；(3)根据分布式测温系统测温光纤实际测量的位置选择相应的采样点。

进一步的：所述重构算法用于确立特定位置采样点集按照固定间隔的期望空间分辨率分布及期望空间分辨率下理想采样点分布情况，其方法如下：

(1)设传感测温光纤上采样点的位置集为{x_i|i＝1，2，…，k}，其中x_i为从0开始，间隔为Δx的等差数列，表示理想采样点与初始点的距离，即此时期望空间分辨率为Δx；首先计算单一采样频率下，每个理想采样点与和它最接近的实际采样点间的偏差，设各个频率下实际采样点集组成数据集A：

其中a_m，n为频率m下，第n个采样点距离初始点的位置，有各个频率下的采样点索引矩阵：

对任意n∈[1，N]，都满足

其中i∈[1，k]，m∈{390，391，…，400}

(2)在不同采样频率下，找到最接近各理想采样点的实际采样点，得到最终的索引矩阵：

对任意m∈{390，391，392，…，400}，都满足

上式索引矩阵F中，第一行F_1，i表示重构数据曲线第i个点选择的采样频率，第二行F_2，i表示频率F_1，i下第F_2，i个采样点，由此可重构出一组高空间分辨的采样信号。

所述重构算法首先计算出期望空间分辨率下，理想采样点的位置；利用光时域反射原理，将不同采样频率下的采样间隔转换为空间上的分布关系，确定各个采样点的位置，选定与理想采样点最接近的实际采样点，将其对应的采样频率和序号导入采样点索引数组；依据索引数组，对多组数据中的点进行选择和重构。

进一步的：当采样频率的变频范围位于390MHz-400MHz时，所述重构算法在传感测温光纤上存在测温盲区，以50m为一个周期，其中长度为6-45m的区间内，相较于400MHz单一采样频率下采集的数据，有明显的提高分辨率作用，可以在采集到的11组数据中找到位置上偏差小于0.01m的实际测温点，可以达到0.1m的空间分辨率。

进一步的：所述期望空间分辨率下理想采样点之间的间隔为0.1m，且均匀分布；所述高速采集卡的采样频率上限为500MHz，所述脉冲光源的脉冲宽度为1ns，脉冲光波长为1550nm，此脉冲宽度限制的空间分辨率对重构算法优化结果不构成限制条件；所述光电转换器采用APD雪崩光电二极管，光电转换器的带宽对重构算法优化结果不构成限制条件；上位机控制射频信号源，变频范围为350-450MHz，最小频率变化量为1MHz，单次采集数据11组，按照采样点索引矩阵重构出高空间分辨率信号。

脉冲光源的脉冲宽度在1-30ns的周期性脉冲光信号，光信号强度，频率，脉宽均可由上位机控制，设有外部同步信号输入端口。

进一步的：所述传感测温光纤采用高温胶或铁丝固定在火电厂高温平行管路上，每根管路上测温光纤长度不小于光纤测温传感器的定位精度；所述脉冲光源输出接波分复用器1550nm输入端；所述传感测温光纤接波分复用器COM端；所述波分复用器1450nm输出端接光电转换器1450nm光电信号输入端，波分复用器1660nm输出端接光电转换器1660nm光电信号输入端；所述光电转换器1450nm输出端接采集卡CH1模拟信号输入，光电转换器1660nm输出端接采集卡CH2模拟信号输入；所述光纤信号通路均采用FC型光纤接头；所述射频信号源输出端口接采集卡外时钟输入；所述射频信号源接脉冲光源外触发信号输入端和采集卡外触发输入端，用于同步信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明不同于传统的通过改进硬件指标，如缩短脉冲光源的光脉宽、提高高速采集卡采样频率上限，或是添加算法改善信噪比来提高分布式测温系统的空间分辨率，本发明保留了原有的硬件，在系统中加入了一个射频信号源作为采集卡的外部时钟输入，对系统其余的硬件结构不产生影响，改装成本低。

本发明高速采集卡采用了可变的外部时钟，从而具有了不同的采样频率，改变了采样点之间的间隔，调整了采样点对应的空间位置分布，有效地改善了由于高速采集卡采样频率限制导致的空间分辨率过低的问题。在选定的测温光纤段上，可灵活的调整高度采集卡采样频率，选取与设定采样点之间距离最小的采样点，在保障测量准确性的前提下，提高空间分辨率。在火电厂的高温管路温度监测下，能够有效地解决由于安装环境复杂，单根管路可安装长度过短导致的局限性。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明实验装置示意图；

图4为本发明调频采样示意图；

图5为本发明使用的算法流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1至5所示，一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，包括脉冲光源、波分复用器、光电转换器、高速采集卡、射频信号源、传感测温光纤，脉冲光源周期地发出波长为1550nm的脉冲宽度纳秒级脉冲光，通过波分复用器射入传感测温光纤，光纤沿线产生光纤拉曼背向散射光信号回到波分复用器，波分复用器将光纤拉曼背向散射光信号分为斯托克斯光和反斯托克斯光两路，两路散射光信号经过光电转换器被转换成电信号，由高速采集卡采集上传到上位机；射频信号源发出PWM波信号与外触发方式的脉冲光源、高速采集卡同步；射频信号源输出端接高速采集卡外时钟输入端。

其中，针对火电厂中过热器和换热器所处的高温有氧环境，采样了特殊的保护方法来确保光纤长时间稳定工作，将测温光纤嵌套在空心不锈钢管内部，按照火力发电厂中过热器和再热器的高温蒸汽管路具体排布间隔、长度，弯曲成合适形状，利用高温胶贴合在管路表面，每根管路上测温光纤长度应不小于光纤测温传感器的定位精度。

其中，斯托克斯光和反斯托克斯光通过光电转换器后，转换为计算机能够读取的电信号；针对微弱拉曼信号中存在大量白噪声的问题，采用累加平均法对信号进行降噪处理；高速采集卡将当前频率下累加后的数据采集并上传到上位机，完成所有频率的测量后，按照重构算法得到高空间分辨率的斯托克斯光和反斯托克斯光数据。

为避免光源波动以及光纤对弯曲和应力的敏感性，采用斯托克斯光作为参考通道，反斯托克斯光作为主通道进行温度解调；这种解调方式只计算了两路光强的比值，且为同种性质的散射，能避开安装时受到的应力不同而对测量精度产生影响的可能，解调公式如下：

式中，T₀为参考温度，k为玻尔兹曼常数，k＝1.3806505×10^-23J/K，h为普朗克常量，h＝6.62606896×10^-34J·s，Δv是光纤分子的拉曼频移，为13.2THz，P_as为反斯托克斯光光强，P_s为斯托克斯光光强。

由于斯托克斯光和反斯托克斯光的衰减趋势存在差异，要参照恒温环境下的衰减曲线对测量数据进行补偿，本发明采用了最小二乘法对两路信号的比值进行拟合，消除衰减导致的温度漂移，然后解调出温度信息。假设给定数据即拉曼信号斯托克斯光和反斯托克斯光在恒温环境下测量得到的数据，其比值为

其中d_i为测量位置，i＝1，2，3，…，m，建立关于多项式拟合的补偿曲线线性模型，其数学表达式为：

y_i＝a₀+a₁d_i+…+a_kd_i ^k

式中，a₀，a₁，…，a_k为拟合多项式系数，y_i为拟合结果。近似的补偿曲线在点d_i处的偏差为

根据最小二乘法原理，按偏差平方和最小的原则选取拟合曲线，确定系数。

系数确定好后，将补偿曲线写入上位机，对每次的测量结果进行补偿，消除散射光信号衰减对测温精度产生的影响。

其中，调频采集由上位机集成控制实现，分布式测温系统测量部份正常工作时，上位机通过串口发出指令，控制射频信号源输出信号的频率，此时高速采集卡的外部时钟输入即射频信号源的输出，时钟源确定，采样频率确定；采集卡将当前频率的数据累加去除白噪声后上传至上位机，完场单一频率下的一次采集；上位机收到该数据，向射频信号源发送指令，更改射频信号源的输出，从而更改了采集卡的采样频率，采集卡在更新了的采样频率下上传累加去噪后的数据；重复此过程直到整组采样结束。

每组采样过程，以1MHz为变化单位，390-400MHz为变化范围的条件下，上位机依次保存采集卡上传的11次数据；

重构算法根据期望空间分辨率，离线计算出采样点索引矩阵，从采集卡储存的11组数据中选取采样点重构成一组空间分辨率更高的温度曲线；上位机将不同频率的采样数据存储在一个二维矩阵DATA中：

该矩阵的行代表采样频率，列代表采样点按照时间序列排序，通过光时域反射原理转换为按照空间位置的排列。根据索引矩阵，选择与每一理想采样点最为接近的理想采样点，构成高分辨率重构信号。经过仿真计算，本发明可以在测温光纤以50m为周期的测量长度上，长度为6-45m的区间内，相较于400MHz单一频率采集的数据，有明显的提高分辨率作用。

其中，索引矩阵通过重构算法计算获得，需要先设计系统组成信号曲线的理想采样点集；

设计的理想点集为选取的特定位置采样点，设光纤上采样点的位置集为{x_i|i＝1，2，…，k}，其中x_i为预先设置的特定值，表示理想采样点与初始点的距离；

理想采样点集按照期望空间分辨率排布，本发明预设期望空间分辨率为0.1m，设光纤上采样点的位置集为{x_i|i＝1，2，…，k}，其中x_i为从0开始，间隔为0.1m的等差数列，表示理想采样点与初始点的距离。

其中，重构算法，首先计算单一采样频率下，每个理想采样点与和它最接近的实际采样点的偏差，设各个频率下实际采样点集组成数据集A：

其中a_m，n为频率m下，第n个采样点距离初始点的位置，有各个频率下的采样点索引矩阵：

对任意n∈[1，N]，都满足

其中i∈[1，k]，m∈{390，391，…，400}

在不同采样频率下，找到最接近各理想采样点的实际采样点，得到最终的索引矩阵。

对任意m∈{390，391，392，…，400}，都满足

上式索引矩阵F中，第一行F_1，i表示重构数据曲线第i个点选择的采样频率，第二行F_2，i表示频率F_1，i下第F_1，i个采样点。已知不同采样频率下采集的数据组为DATA，由此可重构出一组高空间分辨率采样信号。

{DATA(F_1，0，F_2，0)，DATA(F_1，1，F_2，1)，…，DATA(F_1，i，F_2，i)}，其中i＝1，2，…，k

上式为一组高空间分辨率采样信号构成的行向量，行向量中的元素在空间上按照设定的期望空间分辨率顺序分布，元素值为其序列号对应的空间位置的采样值。

依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，包括上位机、数据传输线、脉冲光源、波分复用器件、光电探测器、高速采集卡、传感测温光纤；其特征在于：所述高速采集卡外部时钟输入端连接射频信号源输出端，射频信号源发出周期脉冲信号与设定为外触发方式的所述脉冲光源的触发脉冲同步；所述射频信号源可编程，由所述上位机控制射频信号源输出信号的频率；所述高速采集卡通过射频信号源提供可变的外部时钟信号实现对光纤拉曼背向散射光信号进行变频采样，由此获得不同采样频率下的光纤拉曼背向散射光信号；

所述上位机管理所述高速采集卡与所述射频信号源之间的时序配合，系统工作时：首先，上位机发送一组控制信号，控制射频信号源输出脉冲信号的频率，此时完成一次频率设定；在当前频率下，所述高速采集卡完成数据采集并上传给上位机后，上位机保存该组采集的数据；

然后，上位机发送下一组控制信号，控制射频信号源调整频率输出，由此改变高速采集卡的采样频率，进行下一组数据采集及数据保存；通过多次频率设定，上位机完成了多组不同采样频率下所采集的光信号数据；

利用光时域反射原理，将采集信号的时间信息转换为空间上的位置信息，同时采集卡的采样间隔也从固定的时间间隔转换为空间上基于不同采样频率的固定间隔分布的排列情况，不同采样频率下采样间隔变化导致采样点密集分布；利用重构算法，将分布式测温系统的空间分辨率按照适当的期望值进行设计，寻找到与理想采样点空间距离最近的采样点，并计算获得该点的温度值。

2.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述脉冲光源周期地发出波长为纳秒级脉宽的脉冲光，通过波分复用器射入传感测温光纤，传感测温光纤沿线产生光纤拉曼背向散射光信号回到波分复用器，波分复用器将光纤拉曼背向散射光信号分为斯托克斯光和反斯托克斯光两路，两路散射光信号经过光电转换器被转换成电信号，由高速采集卡上传到上位机。

3.根据权利要求2所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述拉曼斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号在光纤中传输存在不同的衰减，为保证测温精度添加衰减补偿算法；首先将测温光纤放置在恒温环境采集拉曼散射正常的衰减信号，利用最小二乘法拟合出衰减曲线多项式，再在实际测量时按照拟合曲线对温度信号进行补偿。

4.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述射频信号源通过串口实现与上位机的通讯，高速采集卡通过USB3.0实现与上位机的通讯；在变频过程中，射频信号源根据上位机指令发出的控制信号调整输出频率，当输出频率稳定后，射频信号源返回上位机携带频率信息的数据，保证输出信号的准确性。

5.根据权利要求1所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述变频采样可以获得多个不同的采样频率下的光纤拉曼背向散射光信号数据组，在光时域反射原理的基础上，不同的采样间隔转换为不同的空间间隔；由于传感测温光纤被固定在所需测温的物体上，即采样信号初始位置固定，可按照位置关系重新排列采样点序列；

当所设定的采样频率变化不大的情况下，采样点序列在特定区间内呈现密集分布的现象；根据采样点的分布情况，选择特定位置的采样点集组成理想采样点集，可避免采集卡采样频率对空间分辨率的限制；

采样点的选取方式有多种：(1)选取不同频率下采样点的实际位置来确立理想采样点集；(2)按照固定间隔的期望空间分辨率选取理想采样点集；(3)根据分布式测温系统测温光纤实际测量的位置选择相应的采样点。

6.根据权利要求5所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述重构算法用于确立特定位置采样点集按照固定间隔的期望空间分辨率分布及期望空间分辨率下理想采样点分布情况，其方法如下：

(1)设传感测温光纤上采样点的位置集为{x_i|i＝1，2，…，k}，其中x_i为从0开始，间隔为Δx的等差数列，表示理想采样点与初始点的距离，即此时期望空间分辨率为Δx；首先计算单一采样频率下，每个理想采样点与和它最接近的实际采样点间的偏差，设各个频率下实际采样点集组成数据集A：

其中a_m，n为频率m下，第n个采样点距离初始点的位置，有各个频率下的采样点索引矩阵：

对任意n∈[1，N]，都满足|x_i-a_m，c_m，i|＝min|x_i-a_m，n|，其中i∈[1，k]，m∈{390，391，…，400}

(2)在不同采样频率下，找到最接近各理想采样点的实际采样点，得到最终的索引矩阵：

对任意m∈{390，391，392，…，400}，都满足

上式索引矩阵F中，第一行F_1，i表示重构数据曲线第i个点选择的采样频率，第二行F_2，i表示频率F_1，i下第F_2，i个采样点，由此可重构出一组高空间分辨的采样信号。

7.根据权利要求6所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：当采样频率的变频范围位于390MHz-400MHz时，所述重构算法在传感测温光纤上存在测温盲区，以50m为一个周期，其中长度为6-45m的区间内，相较于400MHz单一采样频率下采集的数据，有明显的提高分辨率作用，可以在采集到的11组数据中找到位置上偏差小于0.01m的实际测温点，可以达到0.1m的空间分辨率。

8.根据权利要求6所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述期望空间分辨率下理想采样点之间的间隔为0.1m，且均匀分布；所述高速采集卡的采样频率上限为500MHz，所述脉冲光源的脉冲宽度为1ns，脉冲光波长为1550nm，此脉冲宽度限制的空间分辨率对重构算法优化结果不构成限制条件；所述光电转换器采用APD雪崩光电二极管，光电转换器的带宽对重构算法优化结果不构成限制条件；上位机控制射频信号源，变频范围为350-450MHz，最小频率变化量为1MHz，单次采集数据11组，按照采样点索引矩阵重构出高空间分辨率信号。

9.根据权利要求4所述的一种高空间分辨率的OTDR光纤测温系统，其特征在于：所述传感测温光纤采用高温胶或铁丝固定在火电厂高温平行管路上，每根管路上测温光纤长度不小于光纤测温传感器的定位精度；所述脉冲光源输出接波分复用器1550nm输入端；所述传感测温光纤接波分复用器COM端；所述波分复用器1450nm输出端接光电转换器1450nm光电信号输入端，波分复用器1660nm输出端接光电转换器1660nm光电信号输入端；所述光电转换器1450nm输出端接采集卡CH1模拟信号输入，光电转换器1660nm输出端接采集卡CH2模拟信号输入；所述光纤信号通路均采用FC型光纤接头；所述射频信号源输出端口接采集卡外时钟输入；所述射频信号源接脉冲光源外触发信号输入端和采集卡外触发输入端，用于同步信号。

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