CN209689783U - 一种分布式光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种分布式光纤测温系统。包括嵌入式计算机、数字信号处理器、现场可编程逻辑门阵列、双通道模数转换器和时钟电路，数字信号处理器与嵌入式计算机电连接，现场可编程逻辑门阵列同时与数字信号处理器和双通道模数转换器电连接，时钟电路与双通道模数转换器电连接；还包括激光器、光波分复用器、基准光纤环以及测量光纤，激光器与现场可编程逻辑门阵列电连接，激光器安装在光波分复用器的光波输入端口，基准光纤环和测量光纤与光波分复用器的两个光波输出端口连接；还包括两个雪崩光电二极管和两个放大器，两组雪崩光电二极管和放大器分别位于光波分复用器的光波回馈端口与双通道模数转换器的输入端口之间。本实用新型温度测量精确。

Description

一种分布式光纤测温系统

技术领域

本实用新型属于测温设施技术领域，尤其涉及一种分布式光纤测温系统。

背景技术

分布式光纤测温系统是温度测量技术中的一种，其原理是拉曼散射和光时域反射技术，可以实现温度和距离的测定。具体地，拉曼反射是依据光在光纤中传播的过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或者吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克丝光和一个波长较短的斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，系统采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，有两者的比值可以消除光源信号拨动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集，光纤测温的原理是依据后向拉曼散射效应。

光时域反射技术是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础，激光脉冲在光纤中传输时，在时域里入射光经过背向散射返回到光纤入射段所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走的过的路程为2L，则2L＝V*t，V＝c/n，其中V为光在光纤中传输的速度，c为真空中的光速，n为光纤折射率。公式中，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，c为真空中的光速，v₀为入射光频度，T₀为绝对温度。由公式看出，要得知光纤所处环境的实时温度T，必须知道T₀，所以系统中引入一段定标光纤，对于固定的温度(控温模块定标温度)有可以看出，温度信息T只是与光纤固定参数以及定标温度有关的量。对温度测量点的空间定位是通过光时域反射技术实现的，当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生向后散射。则根据公式2L＝V*t，V＝c/n可以计算得到。因此，利用光时域反射技术可以确定沿光纤温度场中每个温度采集点的位置及异常温度点、光纤故障点、断点的距离定位信息。

现有的光纤测温仪采用了上述原理，通过将光纤布设在测温区实现对光纤通路上温度的测量。现有的分布式光纤测温系统一般对温度的测量精度较低，由于拉曼散射光信号极其微弱，信号的信噪比很低，因此若不能对信号进行可靠增强处理，通常无法进行数字信号的精确获取，这也导致了测温精度差的问题。

实用新型内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种温度测量精确的分布式光纤测温系统。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种分布式光纤测温系统包括嵌入式计算机、数字信号处理器、现场可编程逻辑门阵列、双通道模数转换器和时钟电路，数字信号处理器与嵌入式计算机电连接，现场可编程逻辑门阵列同时与数字信号处理器和双通道模数转换器电连接，时钟电路与双通道模数转换器电连接；还包括激光器、光波分复用器、基准光纤环以及铺设在监测现场的测量光纤，激光器与现场可编程逻辑门阵列电连接，激光器安装在光波分复用器的光波输入端口，基准光纤环和测量光纤与光波分复用器的两个光波输出端口连接；还包括两个雪崩光电二极管和两个放大器，其中一组雪崩光电二极管和放大器位于光波分复用器的一个光波回馈端口与双通道模数转换器的一个输入端口之间，另一组雪崩光电二极管和放大器位于光波分复用器的另一个光波回馈端口与双通道模数转换器的另一个输入端口之间。

本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型提供了一种结构设计合理的分布式光纤测温系统，与现有的分布式光纤测温系统相比，本技术方案中通过引入现场可编程逻辑门阵列，实现了多次采集信号并对信号进行累加消噪处理的技术效果，这样能够有效避免“后向拉曼散射光信号极其微弱，信号的信噪比很低”导致的温度测量不精确问题。通过设置时钟电路，为激光器以及双通道模数转换器两者的动作授时，有效保证了两者动作起始时间的一致性，提升了测量的精度。通过在双通道模数转换器与光波分复用器之间设置两路由雪崩光电二极管及放大器构成的回馈信号处理、放大支路，令拉曼散射光的两个分量-斯托克斯光和反斯托克斯光被提取出来后的信号得到可靠读取，进一步提升了温度测量的精度。

优选地：还包括存储器，存储器与数字信号处理器电连接。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例详细说明如下：

请参见图1，本实用新型的分布式光纤测温系统包括嵌入式计算机、数字信号处理器、现场可编程逻辑门阵列、双通道模数转换器和时钟电路，数字信号处理器与嵌入式计算机电连接，现场可编程逻辑门阵列同时与数字信号处理器和双通道模数转换器电连接，时钟电路与双通道模数转换器电连接。

嵌入式计算机是本测温系统的上位计算机，由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序四个部分组成。嵌入式计算机接收数字信号处理器发送来的数字信号，对数字信号进行处理、存储、显示等操作。

数字信号处理器是本测温系统的下位计算机，用于对现场可编程逻辑门阵列进行指令控制，并接收由双通道模数转换器发送的数字信号。数字信号处理器对接收到的数字信号进行前置处理，本实施例中，还包括存储器，存储器与数字信号处理器电连接。存储器用于存储数据，供数字信号处理器随时调用。

现场可编程逻辑门阵列又称FPGA，采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

双通道模数转换器是具有两个通道的模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号，可以采用多款成熟的产品，如AD9268(一款双通道、16位、125MSPS模数转换器(ADC)，设计用来支持需要高性能、低成本、小尺寸且具多功能性的通信应用)等。

时钟电路就是产生像时钟一样准确运动的振荡电路。任何工作都按时间顺序，用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路一般由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。在数字信号处理器的指令下，时钟电路为系统部件进行授时。

还包括激光器、光波分复用器、基准光纤环以及铺设在监测现场的测量光纤，激光器与现场可编程逻辑门阵列电连接，激光器安装在光波分复用器的光波输入端口，基准光纤环和测量光纤与光波分复用器的两个光波输出端口连接。光波分复用器的光波输入端口作为一个标准接口，激光器安装在该标准接口内，激光器发出的激光脉冲射入光波输入端口，经内部线路传导后同时由两个光波输出端口射出，光波输出端口也作为标准接口存在，基准光纤环和测量光纤两者的端头对接连接在两个光波输出端口上。当拉曼散射信号到达时，两个光波输出端口的工作模式反过来，又作为接收拉曼散射信号的光波输入端口。

激光器用于产生激光脉冲(持续时间为10纳秒的激光脉冲)，该激光脉冲通过光波分复用器向基准光纤环及测量光纤输送。

光波分复用器WDM(Wavelength Division Multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。

基准光纤环作为背景技术中所说的定标光纤使用，用于确定相关参数。其制作方式为：将一定长度的光纤成环形盘绕，形成基准光纤环，不会占用过多的空间。由于测量光纤种类繁多，各种因素造成测量光纤拉曼散射系数不同，因此设置基准光纤环的作用是在测温系统内部一个自标定系统。可以在系统内设置一个高精度的数字温度传感器，该数字温度传感器读取基准光纤环所在环境的温度值，通过构成自标定系统来确定系统的诸多参数。这些参数用于代入公式中计算测量光纤不同位置的温度。因此，本测温系统的另一个特性是在接入不同种类的光纤以及长时间的工作中能够保持测温的准确性与稳定性。

测量光纤在待监测区域内铺设，测量光纤感知所在环境的温度。

还包括两个雪崩光电二极管和两个放大器，其中一组雪崩光电二极管和放大器位于光波分复用器的一个光波回馈端口与双通道模数转换器的一个输入端口之间，另一组雪崩光电二极管和放大器位于光波分复用器的另一个光波回馈端口与双通道模数转换器的另一个输入端口之间。上述两个通道分别用于对拉曼散射光的两个分量-斯托克斯光和反斯托克斯光被提取出来后的信号进行读取和放大，将光信号转换为电流信号并最终转换为电压信号，同时提升信号的强度。

雪崩光电二极管指的是在激光通信中使用的光敏元件。在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”即光电流成倍地激增的现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管”。

放大器作为对雪崩光电二极管输出的信号进行放大的元件，放大器的输出端口与双通道模数转换器的输入端口电连接。

本实用新型中系统的工作过程如下：

(1)嵌入计算机根据工作模式定时或者手动对数字信号处理器发出不同的指令，数字信号处理器对现场可编程逻辑门阵列发出启动信号；

(2)现场可编程逻辑门阵列根据启动信号与双通道模数转换器的时钟同步，对激光器发出同步启动信号，激光器发出持续时间为10纳秒的激光脉冲；

(3)激光脉冲经由光波分复用器进入后面的基准光纤环以及测量光纤中，激光脉冲在两个光纤中会产生拉曼散射光；

(4)光纤中的后向散射光进入光波分复用器后，拉曼散射光的两个分量斯托克斯光和反斯托克斯光被提取出来，分别进入两个雪崩光电二极管，经后续放大器后，光信号转换为模拟电流信号再转换为模拟电压信号，之后进入双通道模数转换器并转变为数字信号；

(5)现场可编程逻辑门阵列在收到数字信号处理器发出启动信号后，对激光器发出同步启动信号的同时，启动双通道模数转换器进行信号采集，采集时间间隔由时钟决定，典型值是10纳秒，即与激光脉冲时长一致；

(6)由于后向拉曼散射光信号极其微弱，信号的信噪比很低，现场可编程逻辑门阵列将上述过程重复多次，也就是进行多次信号采集，对得到的多次信号进行累加消噪处理；

(7)达到规定的累加次数后，数据送到数字信号处理器，数字信号处理器通过采集到的数据解算出光纤上对应每点的温度值，温度数据送入到嵌入计算机进行显示、存储及其他相应的处理。

Claims (2)

1.一种分布式光纤测温系统，其特征是：包括嵌入式计算机、数字信号处理器、现场可编程逻辑门阵列、双通道模数转换器和时钟电路，数字信号处理器与嵌入式计算机电连接，现场可编程逻辑门阵列同时与数字信号处理器和双通道模数转换器电连接，时钟电路与双通道模数转换器电连接；

还包括激光器、光波分复用器、基准光纤环以及铺设在监测现场的测量光纤，激光器与现场可编程逻辑门阵列电连接，激光器安装在光波分复用器的光波输入端口，基准光纤环和测量光纤与光波分复用器的两个光波输出端口连接；还包括两个雪崩光电二极管和两个放大器，其中一组雪崩光电二极管和放大器位于光波分复用器的一个光波回馈端口与双通道模数转换器的一个输入端口之间，另一组雪崩光电二极管和放大器位于光波分复用器的另一个光波回馈端口与双通道模数转换器的另一个输入端口之间。

2.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征是：还包括存储器，存储器与数字信号处理器电连接。