[發明專利]一種高空間分辨率高測溫精度的分布式光纖測溫系統

無效

• 申請號: 201010272303.0
• 申請日: 2010-09-02
• 公開（公告）號: CN102095522A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發明（設計）人: 楊斌;皋魏;席剛;仝芳軒;周正仙
• 申請（專利權）人: 上海華魏光纖傳感技術有限公司
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

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分辨率、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，空間分辨率及測溫精度都是十分重要的參數，在測量溫度場信息時，我們總是希望空間分辨率盡可能的小，同時又要求測溫的精度盡可能的高，還需要系統具有快速的探測特性。為改善空間分辨率，必然要提高數據采集卡采樣的速率，激光在傳感光纖中的傳輸速率約為2×10⁸m/s，為滿足1米的空間分辨率，數據采集卡的速率至少達到100Mb/s；由于溫度信號是淹沒于噪聲之中的，所以實際采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。

現有的數據采集卡由A/D轉換器、現場可編輯門陣列組成(FPGA)，然而，這樣的數據采集卡由于采樣速率及處理數據能力有限，使得空間分辨率和測溫精度很難得到提高。

理論上，空間分辨率是由激光脈沖寬度、數據采樣率等決定的；測溫精度受到諸多方面的影響，比如A/D轉換器的位數，采樣速率，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分辨率和測溫精度，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分辨率、高測溫精度的分布式測溫傳感系統，該高空間分辨率、高測溫精度的分布式測溫系統，采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分辨率和系統測溫精度。在100MHz的采樣率下，系統空間分辨率可提高到0.5m以內；測溫精度提到±0.5℃。

本發明要解決的技術問題是通過下述技術方案來實現的：

一種高空間分辨率高測溫精度的分布式光纖測溫系統，由激光器、光纖耦合器(WDM)、參考光纖、探測光纜、雪崩二極管(APD)及其接收電路、數據采集卡、信號處理器及工業計算機組成。其中，脈沖激光器、光纖耦合器、參考光纖、探測光纜依次相連，兩個雪崩二極管一端與光纖耦合器連接，另一端和新型數據采集卡連接，新型數據采集卡和信號處理器相連，信號處理器和工業計算機相連。本發明通過采用新型的數據采集卡，在數據采集卡中加入延時線器件，采用延時線技術和同步相位控制技術，可以明顯提高數據采集卡所用系統的空間分辨率和測溫精度。系統中各模塊的作用如下：

脈沖激光器：以一定的重復頻率(比如10KHz)發出脈沖激光，同時給采集卡提供同步電壓信號；特別地，本方案采用的激光器，其同步信號是由數據采集卡觸發的，而不是激光器輸出同步信號，這種同步方式的優點在于，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)：一般采用1x3WDM，其作用是使得激光器過來的脈沖光能從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耦合濾波之后，Stocks光從WDM的2端出來，Anti-Stocks光從3端出來；參考光纖：主要是用于系統溫度定標。

探測光纜：相當于系統的溫度傳感器，激光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：雪崩二級管用于光電轉換，其接收電路把光電轉換產生的小信號進行放大和濾波。

新型數據采集卡：完成A/D轉換，完成同步信號相位偏移控制、數據采集以及數據累加求和功能。數據采集卡的數據采集和時序控制采用超高速FPGA實現，采用流水線技術可以滿足同時完成數據采集和并累加功能，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：延時線器件主要用于把同步信號延時一段時間(比如1ns)，由于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分辨率和高測溫精度分布式光纖測溫系統的數據采集部分是采用延時線技術通過循環移位的方式來實現數據采集，所用技術路線主要體現在硬件設計和數據處理方法上。