一種高空間解析度高測溫精度的分布式光纖測溫系統的製作方法

2023-05-10 07:29:01 2

專利名稱：一種高空間解析度高測溫精度的分布式光纖測溫系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及分布式光纖測溫技術領域，尤其涉及一種具有高空間解析度、高測溫 精度的分布式光纖測溫系統。
背景技術：
在分布式光纖測溫系統中，空間解析度及測溫精度都是十分重要的參數，在測量 溫度場信息時，我們總是希望空間解析度儘可能的小，同時又要求測溫的精度儘可能的高， 還需要系統具有快速的探測特性。為改善空間解析度，必然要提高數據採集卡採樣的速率， 雷射在傳感光纖中的傳輸速率約為2X108m/s，為滿足1米的空間解析度，數據採集卡的速 率至少達到100Mb/S ；由於溫度信號是淹沒於噪聲之中的，所以實際採樣的對象是帶有噪 聲的信號，要提高測溫精度，就必須想辦法將噪聲濾掉，提高信噪比。現有的數據採集卡由A/D轉換器、現場可編輯門陣列組成(FPGA)，然而，這樣的數 據採集卡由於採樣速率及處理數據能力有限，使得空間解析度和測溫精度很難得到提高。理論上，空間解析度是由雷射脈衝寬度、數據採樣率等決定的；測溫精度受到諸多 方面的影響，比如A/D轉換器的位數，採樣速率，系統信噪比等。當這些因素都確定時，現有 的設計方法就很難提高系統空間解析度和測溫精度，因此也就無法滿足一些要求比較高的 應用場合。

發明內容
為了克服現有分布式光纖測溫系統存在的缺陷和不足，本發明提供一種高空間 解析度、高測溫精度的分布式測溫傳感系統，該高空間解析度、高測溫精度的分布式測溫 系統，採用延時線技術以及同步相位控制技術，可以明顯有效提高系統的空間解析度和系 統測溫精度。在IOOMHz的採樣率下，系統空間解析度可提高到0. 5m以內；測溫精度提到 士0. 5°C。本發明要解決的技術問題是通過下述技術方案來實現的—種高空間解析度高測溫精度的分布式光纖測溫系統，由雷射器、光纖耦合器 (WDM)、參考光纖、探測光纜、雪崩二極體(APD)及其接收電路、數據採集卡、信號處理器及 工業計算機組成。其中，脈衝雷射器、光纖耦合器、參考光纖、探測光纜依次相連，兩個雪崩 二極體一端與光纖耦合器連接，另一端和新型數據採集卡連接，新型數據採集卡和信號處 理器相連，信號處理器和工業計算機相連。本發明通過採用新型的數據採集卡，在數據採集 卡中加入延時線器件，採用延時線技術和同步相位控制技術，可以明顯提高數據採集卡所 用系統的空間解析度和測溫精度。系統中各模塊的作用如下脈衝雷射器以一定的重複頻率(比如IOKHz)發出脈衝雷射，同時給採集卡提供 同步電壓信號；特別地，本方案採用的雷射器，其同步信號是由數據採集卡觸發的，而不是 雷射器輸出同步信號，這種同步方式的優點在於，可以根據需要，把同步信號延時以便調整 在需要的時序上。
光纖耦合器(WDM)—般採用lx3WDM，其作用是使得雷射器過來的脈衝光能從WDM 的1端進去從其com端出來；同時，從com端進來的拉曼散射光，經過WDM耦合濾波之後， Stocks光從WDM的2端出來，Anti-Stocks光從3端出來；參考光纖主要是用於系統溫度 定標。探測光纜相當於系統的溫度傳感器，雷射在光纖中傳輸產生背向拉曼散射，包括 Stocks光和Anti-Stocks光，其中Anti-Stocks光對溫度比較敏感，也就是Anti-Stocks光 攜帶溫度信息。APD及其接收電路雪崩二級管用於光電轉換，其接收電路把光電轉換產生的小 信號進行放大和濾波。新型數據採集卡完成A/D轉換，完成同步信號相位偏移控制、數據採集以及數據 累加求和功能。數據採集卡的數據採集和時序控制採用超高速FPGA實現，採用流水線技術 可以滿足同時完成數據採集和並累加功能，從而大大提高信號的處理速度；同步信號延時 功能由延時線器件實現，延時線可以完成同步信號0. 1納秒級別的延時。延時線器件延時線器件主要用於把同步信號延時一段時間(比如Ins)，由於延 時線器件延時的時間長度是可以通過通信接口來設置，所以可以根據不同的延時要求把同 步信號延時在所需的時序上。信號處理器完成溫度信號的解調以及產生報警信息。工業計算機完成溫度數據及報警信息顯示，產生報警主機需要的聯動信號等。本發明所述的高空間解析度和高測溫精度分布式光纖測溫系統的數據採集部分 是採用延時線技術通過循環移位的方式來實現數據採集，所用技術路線主要體現在硬體設 計和數據處理方法上。硬體設計方面，本發明的數據採集卡使用的採樣時鐘頻率與現有的採樣時鐘頻率 相同，但是，由於同步信號可以通過設定延時線器件來延時，其結果等效於，不同階段的同 步信號，在相位上彼此相差360° /K(K為一個重複周期內同步脈衝的個數)。從長時間數 據採集的角度來看，其結果相當於採樣率提高了 K倍，可見雖然時鐘頻率不變，但實際的採 樣率提高了 K倍。延時線器件延時的時間長度是可以通過通信接口來設置的，所以可以根 據不同的延時要求把同步信號延時在所需的時序上，延時時間可以比較精確設置。數據處理方面，現有技術中，在一米範圍內的信號中，採樣時鐘所對準信號的位置 是若干個位置中的某一個固定位置，由於這個位置處的溫度不能精確、全面的地代表該一 米範圍內的溫度，那麼，按照該種方法採樣採集到的數據是不精確地。為了提高精確度，比 較好的方法就是在一米範圍內採集幾個數據，然後取其平均值來作為這一米範圍內的數 據。數據累加功能。在光纖傳感應用中，由於散射信號十分微弱，完全被淹沒在噪聲 中，系統需要採用弱信號檢測方法，從噪聲中提取待測信號。分布式光纖測溫系統噪聲的主 要成分具有零均值的統計特性，可以利用噪聲的統計特性來達到降噪的目的。因此，為提高 信噪比，後續信號處理採用數字平均的方法，即將一次測量的N點數據依次存儲到內存單 元中，將下一次測量的N點數據與內存對應單元的數據相加，再放回原內存單元，依次循環 M次，然後對各單元求平均。以空間解析度為lm，K = 3為例，說明本發明分布式光纖測溫系統的數據累加處理方法，如下1，首先對同一米內的數據進行橫向平均；2，對1的結果進行數據求和累加。與傳統的數據採集卡相比，本發明的優點為1、採用延時線技術，通過改變同步脈衝相位偏移，等效提高採樣率，從而提高了空 間解析度；2、採用橫向平均方法，提高測溫精度。3、採用超高速FPGA，提高了數據處理能力。


圖1是本發明所述的分布式光纖測溫系統結構圖；圖2是本發明所述的分布式光纖測溫系統採用的延時線技術；圖3是現有分布式光纖測溫系統數據處理方法圖4是本發明所述的分布式光纖測溫系統採用的橫向平均技術的數據處理方法
具體實施例方式本發明公開了一種高空間解析度高測溫精度的分布式光纖測溫系統，下面將結合 附圖與具體實施方式
對本發明做詳細說明。一種高空間解析度高測溫精度的分布式光纖測溫系統，由雷射器1、光纖耦合器 (WDM) 2、參考光纖3、探測光纜4、雪崩二極體(APD) 5，雪崩二極體(APD) 6及其接收電路、新 型數據採集卡7、信號處理器8及工業計算機9組成。其中，脈衝雷射器1、光纖耦合器2、參 考光纖3、探測光纜4依次相連，兩個雪崩二極體5和6 —端與光纖耦合器2連接，另一端和 新型數據採集卡7連接，新型數據採集卡7和信號處理器8相連，信號處理器8和工業計算 機9相連。本發明通過採用新型的數據採集卡7，在數據採集卡中加入延時線器件13，採用 延時線技術和同步相位控制技術，可以明顯提高分布式光纖測溫系統的空間解析度和測溫 精度。本發明的數據採集部分採用延時線技術通過循環移位的方式來實現數據採集，所 用技術方案主要體現在硬體設計和數據處理方法上。硬體設計方面，本發明所述的數據採集卡7使用的採樣時鐘頻率為100Mb/S，與現 有的採樣時鐘頻率相同，但是，由於同步信號可以通過設定延時線器件13來延時，其結果 等效於，不同階段的同步信號，在相位上彼此相差360° /K(K為一個重複周期內同步脈衝 的個數)。以K = 3為例，一個重複周期內每個同步脈衝的相位相差120°，如圖2所示。第 一次採樣，同步脈衝相位是0°，如採樣1 ；第二次採樣，同步脈衝相位偏移120°，如採樣2 ； 第三次採樣，同步脈衝偏移，如採樣3;第四次則循環回到採樣1，依次類推。從長時 間數據採集的角度來看，其結果相當於採樣率提高了 3倍，可見雖然時鐘頻率不變，但實際 的採樣率提高了 3倍。延時線器件13延時的時間長度是可以通過通信接口來設置的，所以 可以根據不同的延時要求把同步信號延時在所需的時序上，延時時間可以比較精確設置。下面以K = 3為例，實現步驟1、採樣1 設置延時線器件13，使之延時時間為0納秒，數據採集卡7在接收電路產生有效信號的同時，同步脈衝信號到達數據採集卡後經延時線器件13延時Ons後輸入到 FPGA 10，FPGA 10開始採集數據，直到本次採樣點結束(達到設定的採樣點數)。2、採樣2 設置延時線器件13，使之延時時間為10/3納秒(IOns為採集卡採樣時 鍾周期)。數據採集卡在接收電路產生有效信號的同時，同步脈衝信號到達數據採集卡後經 延時線器件13延時lOns/3後輸入到FPGA 10，FPGA 10開始採集數據，直到本次採樣點結 束(達到設定的採樣點數)。3、採樣3 設置延時線器件13，使之延時時間為2*10/3納秒(IOns為採集卡採樣 時鐘周期)，數據採集卡在接收電路產生有效信號的同時，同步脈衝信號到達數據採集卡後 經延時線器件13延時2*10/3納秒後輸入到FPGA 10，FPGA 10開始採集數據，直到本次採 樣點結束(達到設定的採樣點數)。循環次數加1。數據處理方面，觀察圖3所示的原始採樣，注意到一米範圍內的信號，採樣時鐘所 對準信號的位置是若干個位置中的某一個，所以按原始採樣採集到的數據是不精確的，為 了提高精確度，比較好的方法就是在一米範圍內採集若干個個數據，然後取其平均值來做 為這一米範圍內的數據。本實例選擇採集3個數據，處理如圖3和圖4所示。數據累加功能。在光纖傳感應用中，由於散射信號十分微弱，完全被淹沒在噪聲 中，系統需要採用弱信號檢測方法，從噪聲中提取待測信號。因此，為提高信噪比，後續信號 處理採用數字平均的方法，即將一次測量的N點數據依次存儲到內存單元中，將下一次測 量的N點數據與內存對應單元的數據相加，再放回原內存單元，依次循環M次，然後對各單 元求平均。以空間解析度為lm，K = 3為例，說明發明數據採集卡的數據累加處理方法，如 下3，首先對同一米內的數據進行橫向平均；4，對1的結果進行數據求和累加。進一步的，如果所述一個重複周期內同步脈衝的個數K越大，空間解析度和測溫 精度指標越高。
權利要求
1.一種高空間解析度高測溫精度的分布式光纖測溫系統，包括雷射器、光纖耦合器、參 考光纖、探測光纜、雪崩二極體及其接收電路、數據採集卡、信號處理器及工業計算機，其特 徵在於所述的數據採集卡內的現場可編輯門陣列連接一個延時線器件。
2.根據權利要求1所述的一種高空間解析度高測溫精度的分布式光纖測溫系統，其特 徵在於所述的延時線器件通過通訊接口和脈衝雷射器發出的同步脈衝信號連接。
全文摘要
本發明公開了一種高空間解析度高測溫精度的分布式光纖測溫系統，屬於光纖傳感技術領域。包括雷射器、光纖耦合器、參考光纖、探測光纜、雪崩二極體及其接收電路、數據採集卡、信號處理器及工業計算機，其特徵在於所述的數據採集卡內的現場可編輯門陣列連接一個延時線器件。本發明主要針對現有技術中分布式光纖傳感測溫系統的空間解析度和測量精度不高等問題，提出利用延時線技術和橫向平均方法，通過改變同步脈衝相位偏移，等效提高採樣率，從而提高系統空間解析度和測量精度。
文檔編號G01K11/32GK102095522SQ20101027230
公開日2011年6月15日 申請日期2010年9月2日 優先權日2010年9月2日
發明者仝芳軒, 周正仙, 席剛, 楊斌, 皋魏 申請人:上海華魏光纖傳感技術有限公司