专利名称：用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统及其监控方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术，尤其涉及分布式光纤温度传感系统的接收子系统及其 监控方法。
背景技术：
分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤光缆作为传感敏感元件和传输信号介 质，采用先进的光时域反射(Optical Time-domain Reflectormetry,0TDR)技术，探测出沿 着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量，是一种能够实现对大长度、 大面积区域进行实时监测的系统。分布式光纤温度传感(DTS)系统主要工作流程如下，大功率窄脉冲脉冲激光在光 纤中传输时产生背向拉曼散射(包括斯托克斯和反斯托克斯等)，然后对散射光信号进行 光电转换、信号放大及信号调理等处理，处理完的模拟信号经过数据采集，由系统软件进行 进一步的数据处理和温度解调。接收子系统主要功能模块一般包括光电转化、信号放大及信号调理。光电转换实 现拉曼散射光信号的接收并将其转化为便于处理的电压或者电流信号；经光电转换模块转 换后的电信号通常非常微弱，需要对其进行至少几百倍的放大，这需要很高的带宽和良好 的增益平坦度，否则会引入信号失真；由于需要对信号进行高倍放大，因此必须对直流进行 隔离，即放大电路必须采用交流耦合的方式，信号调理就是通过匹配网络等对信号进行调 理以达到补偿交流耦合带来的信号失真问题。由此可见，接收子系统直接关系到原始传感 信号的获取，其性能的指标和稳定性将直接决定系统的性能和稳定性。目前的DTS系统一般采用双通道接收电路的方式，每通道电路以固定的增益、固 定的APD高压(采用恒温箱)或者根据温度自动调节APD高压(没有采用恒温箱)的方式 独立的工作。这种方式在通常情况下可以很好的工作，但随着系统工作时间的加长，系统就 会出现性能下降的问题。当系统处于长时间工作的情况下，器件不可避免地会出现一定程 度的老化，再加上环境温度的影响，系统性能不可避免地就会下降。具体在接收电路上表现 为APD增益-高压特性和放大电路增益的改变。在传统的DTS系统中，这个问题一般通过 系统软件进行动态补偿的方法予以解决。但实际上这种方法并不能很好的解决问题，因为 接收电路特性的变化带来的系统性能的变化，如APD增益的变化、放大电路的增益，调理参 数的变化等，是不能通过软件的方法进行补偿的。这里的APD(Avalanche PhotoDiode)是 指雪崩光电二极管。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种用于分布式光纤温度传感系统的接收 子系统及其监控方法，该接收子系统在原有接收电路的基础上，通过引入子系统监控机制， 实现对于子系统工作状态的实时监控和对工作参数的实时调整，从而保证接收子系统长期 稳定、准确运行。DTS系统作为一种基于光强变化的传感系统，对于强度信号的长期准确稳定探测是至关重要的。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，所述分布式光纤温度传感系统 还包括一个主控制系统，所述的接收子系统主要包括APD及其前级放大模块、可变增益主 放大电路、高压控制芯片及监测控制模块；所述APD及其前级放大模块与所述可变增益主放大电路相连，用于将接收到的背 向散射光信号转换为电信号，并对电信号进行初步放大及调理，然后将该电信号输出至所 述可变增益主放大电路；所述可变增益主放大电路用于将接收到的电信号放大输出；所述 高压控制芯片与所述APD及其前级放大模块相连，用于为APD提供偏置电压；所述监测控制模块分别与所述可变增益主放大电路及高压控制芯片相连，用于一 方面监测所述可变增益主放大电路的增益值及所述高压控制芯片输出的高压值，另一方 面，对所述可变增益主放大电路及高压控制芯片进行调节，从而改变其增益值、高压值。进一步地，所述监测控制模块包括:MCU(微控制单元)及与之相连的存储模块， 所述存储模块用于储存增益值及高压值的配置信息；其中，所述存储模块包括FLASH存储
ο进一步地，所述APD及其前级放大模块包括跨阻放大器，所述APD及其前级放大 模块将接收到的背向散射光信号转换为电流信号后，再通过所述跨阻放大器将所述电流信 号转换为电压信号并进行初步放大及调理。进一步地，所述可变增益主放大电路包括可变增益放大器(VGA，variable-gain amplifier)。进一步地，本发明的接收子系统还包括与所述可变增益主放大电路相连的信号 调理电路，用于实现对所述可变增益主放大电路的有效匹配，减少输出电信号的非线性失
直
ο进一步地，本发明的接收子系统还包括与所述监测控制模块相连的温度芯片，用 于实时监测接收子系统的工作温度，并将该工作温度数据上传至所述监测控制模块。进一步地，本发明的接收子系统还包括与所述监测控制模块相连的信息传输接 口，用于一方面向所述主控制系统上传增益值、高压值以及工作温度数据，另一方面，接收 所述主控制系统发出的指令及配置信息，使所述监测控制模块进行相应操作，并对所述可 变增益主放大电路及高压控制芯片进行调节，从而改变其增益值、高压值。另外，本发明还提供了上述接收子系统的监控方法，其包括以下步骤A.所述监测控制模块根据其存储模块中储存的增益值和高压值的配置信息对所 述可变增益主放大电路及高压控制芯片进行调节；B.所述监测控制模块监测调节后的所述可变增益主放大电路的增益值以及所述 高压控制芯片输出的高压值，并读取温度芯片监测到的工作温度数据，然后将该增益值、高 压值以及工作温度数据上传至主控制系统；C.所述监测控制模块根据所述主控制系统发出的配置信息对所述可变增益主放 大电路及高压控制芯片进行调节，从而改变其增益值、高压值，同时保存该配置信息；
D.所述监测控制模块根据所述主控制系统发出的指令进行相应操作。 相较于现有技术，本发明的有益效果在于
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在常规的DTS系统的接收电路模块中，一般只包含APD及其前放、高压芯片、固定 增益放大电路和信号调理电路。本发明通过引入APD高压、电路增益监测及调节模块对现 有的接收电路模块做改进，在改进系统中采用VGA将固定增益放大电路换成可变增益放大 电路，将高压芯片换成高压控制芯片，并引入由MCU、R0M、RAM及FLASH构成的监测控制模块 及温度芯片。MCU可以根据FLASH数据初始化VGA和高压控制芯片，并将当前的增益、高压值及 系统温度等信息由信息传输接口上传，并由信息传输接口接收指令改变VGA及高压值，再 将修改后的配置信息在适当的时候存储到FLASH中。MCU还可以根据主控制系统的指令进 入自动调节模式，保证APD和主放大电路的增益稳定，并实时上传参数信息。当该子系统在 运行期间开始发生一定程度的老化的情况下，系统输出信号发生明显变化时，主控制系统 可以与接收子系统进行一系列的联动，找出当前最合适的参数配置，并将该参数配置信息 传递给接收子系统，接收子系统根据该参数配置信息再次进入自动调节模式。其中MCU主要可以有以下几个功能一、接受DTS主控制系统的配置和控制并按需 上传接收子系统的状态；二、从FLASH中保存和读取接收子系统各部分配置信息；三、读取 接收子系统的工作温度；四、按照配置信息及工作温度，对高压控制芯片、VGA进行监控。综上所述，本发明的接收子系统在MCU的控制和管理下，可以实现与主控制系统 的数据共享，接受主控系统的动态配置，完成控制回路的建立。通过这种智能接收子系统， 主控制系统则能够根据采集数据实时反馈调整接收子系统的工作参数，从而保证接收子系 统的长期准确、稳定工作，也即保证了整个DTS系统的长期高性能稳定运行。
图1为本发明接收子系统的组成示意图；图2为实施例中DTS系统的运行流程图。
具体实施例方式下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例分布式光纤温度传感系统是一种集光、机、电于一体的高技术设备，一般包括大功 率窄脉冲激光器模块、无源光学模块、接收模块、数据处理模块、通用接口模块、报警输出模 块、通道切换模块、数据采集模块、环境监测模块、电源模块、主控制系统等组成。为了实现 DTS各子系统的有机结合，可以在各子系统间加入通讯总线，与主控制系统互联，接收主控 制系统的配置和控制，向主控制系统反馈工作状态。本发明的用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，如图1所示，主要包括 APD及其前级放大模块1、可变增益主放大电路2、高压控制芯片3及监测控制模块4。所述APD及其前级放大模块1与所述可变增益主放大电路2相连，用于将接收到 的背向散射光信号转换为电信号，并对电信号进行初步放大及调理，然后将该电信号输出 至所述可变增益主放大电路2。所述可变增益主放大电路2用于将接收到的电信号稳定放 大输出。所述高压控制芯片3与所述APD及其前级放大模块1相连，用于为APD提供偏置 电压，偏置电压直接影响APD转化效率和倍增因子。所述监测控制模块4分别与所述可变 增益主放大电路2及高压控制芯片3相连，用于一方面监测所述可变增益主放大电路2的增益值及所述高压控制芯片3输出的高压值，另一方面，对所述可变增益主放大电路2及高 压控制芯片3进行调节，从而改变其增益值、高压值。其中，所述监测控制模块4包括MCU (微控制单元)及与之相连的存储模块，所述 存储模块用于储存增益值及高压值的配置信息，其可以包括FLASH、ROM、RAM等存储器。所述APD及其前级放大模块1包括跨阻放大器，所述APD及其前级放大模块1将 接收到的背向散射光信号转换为电流信号后，再通过所述跨阻放大器将所述电流信号转换 为电压信号并进行初步放大及调理。所述可变增益主放大电路2包括可变增益放大器(VGA， variable-gainamplifier)0作为本发明的优选方案，本发明的接收子系统还包括与所述可变增益主放大电 路2相连的信号调理电路5，用于实现对所述可变增益主放大电路2的有效匹配，减少输出 电信号的非线性失真，分布于接收子系统的模拟部分。本发明的接收子系统还包括与所述 监测控制模块4相连的温度芯片6，用于实时监测接收子系统的工作温度，并将该工作温度 数据上传至所述监测控制模块4。上述分布式光纤传感系统的接收子系统，主要包括四种接口，即电源、光纤、信号 输出和信息传输。其中电源接口为子系统所需电源接口 ；光纤接口用于连接DTS系统拉曼 散射通道；信号输出接口一般与DTS采集子系统互联；信息传输接口实际上是一种通讯接 口，用于接入DTS系统通讯总线，进行信息的发送与接收。其中，所述信息传输接口与监测控制模块4相连，一方面，向所述主控制系统上传 增益值、高压值以及工作温度数据，另一方面，接收所述主控制系统发出的指令及配置信 息，使所述监测控制模块4进行相应操作，并对所述可变增益主放大电路2及高压控制芯片 3进行调节，从而改变其增益值、高压值。上述接收子系统的监控方法，包括以下步骤A.所述监测控制模块4根据其存储模块中储存的增益值和高压值的配置信息，对 所述可变增益主放大电路2及高压控制芯片3进行调节；B.所述监测控制模块4监测调节后的所述可变增益主放大电路2的增益值以及所 述高压控制芯片3输出的高压值，并读取温度芯片6监测到的工作温度数据，然后将该增益 值、高压值以及工作温度数据上传至主控制系统；C.所述监测控制模块4根据所述主控制系统发出的配置信息对所述可变增益主 放大电路2及高压控制芯片3进行调节，从而改变其增益值、高压值，同时保存该配置信 息；D.所述监测控制模块4根据所述主控制系统发出的指令进行相应操作。其中，DTS系统的主控制系统通过系统总线及信息传输接口与接收子系统的MCU 实现互联，向MCU发出配置及控制信息并接收MCU关于接收子系统各部分的工作状态。如 图2所示，本实施例中的DTS系统的具体工作流程如下1. DTS系统运行，读取接收子系统配置信息；2.接收子系统MCU读取本地配置信息；3. MCU读取接收子系统工作温度，在工作温度读取正常的情况下继续工作流程的 执行；
4.主控制系统建立与接收子系统的链接，读取接收子系统工作状态信息，并根据 状态信息调整系统工作流程(报错、报警或者正常运行等)。按需求下载配置信息，并在正 常状态下启动接收子系统工作。5. MCU根据工作温度和配置信息，调节高压控制芯片输出偏置电压及VGA增益，同 时保存调节信息；6.定时重复步骤5的执行，并等待主控制系统的指令，根据指令进行相关操作。本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。 这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例 的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精 神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式来实现。在不脱离本发明范围和精神的情 况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
权利要求
一种用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，所述分布式光纤温度传感系统还包括一个主控制系统，其特征在于，所述的接收子系统包括APD及其前级放大模块(1)、可变增益主放大电路(2)、高压控制芯片(3)及监测控制模块(4)；所述APD及其前级放大模块(1)与所述可变增益主放大电路(2)相连，用于将接收到的背向散射光信号转换为电信号，并对电信号进行初步放大及调理，然后将该电信号输出至所述可变增益主放大电路(2)；所述可变增益主放大电路(2)用于将接收到的电信号放大输出；所述高压控制芯片(3)与所述APD及其前级放大模块(1)相连，用于为APD提供偏置电压；所述监测控制模块(4)分别与所述可变增益主放大电路(2)及高压控制芯片(3)相连，用于一方面监测所述可变增益主放大电路(2)的增益值及所述高压控制芯片(3)输出的高压值，另一方面，对所述可变增益主放大电路(2)及高压控制芯片(3)进行调节，从而改变其增益值、高压值。
2.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，其特征在于 所述监测控制模块(4)包括MCU及与之相连的存储模块，所述存储模块用于储存增益值及 高压值的配置信息。
3.根据权利要求2所述的用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，其特征在于 所述存储模块包括FLASH存储器。
4.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，其特征在于 所述APD及其前级放大模块(1)包括跨阻放大器，所述APD及其前级放大模块(1)将接收 到的背向散射光信号转换为电流信号后，再通过所述跨阻放大器将所述电流信号转换为电 压信号并进行初步放大及调理。
5.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，其特征在于 所述可变增益主放大电路(2)包括可变增益放大器。
6.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，其特征在于 还包括与所述可变增益主放大电路(2)相连的信号调理电路(5)，用于实现对所述可变增 益主放大电路(2)的有效匹配，减少输出电信号的非线性失真。
7.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，其特征在于 还包括与所述监测控制模块(4)相连的温度芯片(6)，用于实时监测接收子系统的工作温 度，并将该工作温度数据上传至所述监测控制模块(4)。
8.根据权利要求1所述的用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统，其特征在于 还包括与所述监测控制模块(4)相连的信息传输接口，用于一方面向所述主控制系统上传 增益值、高压值以及工作温度数据，另一方面，接收所述主控制系统发出的指令及配置信 息，使所述监测控制模块(4)进行相应操作，并对所述可变增益主放大电路(2)及高压控制 芯片(3)进行调节，从而改变其增益值、高压值。
9.一种用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统的监控方法，其特征在于，包括以 下步骤A.所述监测控制模块(4)根据其存储模块中储存的增益值和高压值的配置信息，对可 变增益主放大电路(2)及高压控制芯片(3)进行调节；B.所述监测控制模块(4)监测调节后的所述可变增益主放大电路(2)的增益值以及所述高压控制芯片(3)输出的高压值，并读取温度芯片(6)监测到的工作温度数据，然后将该 增益值、高压值以及工作温度数据上传至主控制系统；C.所述监测控制模块(4)根据所述主控制系统发出的配置信息对所述可变增益主放 大电路(2)及高压控制芯片(3)进行调节，从而改变其增益值、高压值，同时保存该配置信 息；D.所述监测控制模块(4)根据所述主控制系统发出的指令进行相应操作。
全文摘要
本发明公开了一种用于分布式光纤温度传感系统的接收子系统及其监控方法，该接收子系统主要包括APD及其前级放大模块、可变增益主放大电路、高压控制芯片及监测控制模块。其监测控制模块分别与所述可变增益主放大电路及高压控制芯片相连，一方面，监测所述可变增益主放大电路的增益值及所述高压控制芯片输出的高压值，另一方面，对所述可变增益主放大电路及高压控制芯片进行调节，从而改变其增益值、高压值。本发明可实现对于子系统工作状态的实时监控和对工作参数的实时调整，从而保证接收子系统长期稳定、准确运行。
文档编号G01K11/32GK101893490SQ201010122488
公开日2010年11月24日 申请日期2010年3月11日 优先权日2010年3月11日
发明者仝芳轩, 周正仙, 席刚, 皋魏, 郭兆坤 申请人:上海华魏光纤传感技术有限公司