采用频率调制技术提高空间分辨率的分布式光纤温度探测器及方法与流程

本发明涉分布式光纤温度探测器技术领域，尤其涉及一种提高分布式光纤温度探测器空间分辨率的方法。

背景技术：

分布式光纤温度探测器是近年来发展的一种用于实时测量空间温度分布的光纤传感系统。目前来说，该传感器相对成熟，但是仍存在不完善的地方。特别是需要高空间分辨率的地方，该系统离需求还有很大差距。

传统的脉冲式分布式光纤传感器的空间分辨率R按照如下公式计算：

R＝Max(R_pulse,R_A/D,R_amp)

其中R_pulse脉冲宽度，R_A/D采样速率，R_amp模拟带宽

a)脉冲宽度：

在脉冲式分布式光纤温度探测器系统中，普遍光纤激光器作为光源输出，其脉冲宽度可以调节，一般从10nS-100nS可调,脉冲宽度越小，理论空间分辨率越高。再往小调整，会造成光功率急剧损耗和非线性效应，为了兼顾空间分辨率和光功率，应用中普遍采用10nS脉冲宽度作为基础脉冲，对应1米的空间分辨率。

b)采样速率：

根据采样定理，采样频率为信号频率的2倍以上，可以捕获信号；要比较完整地恢复原始信号，一般要求采样频率在5倍以上。目前该系统采样频率最高可以做到250MHz，对应0.4米空间分辨率。

c)模拟带宽：

在脉冲式分布式光纤温度探测器系统中，拉曼信号仅为输入光10^-7，信号及其微弱，我们知道，放大电路的增益带宽乘积是固定的，提高了放大倍数就必然降低模拟带宽，模拟带宽低则高速小信号通不过或者剧烈衰减，这样会造成信号大幅度衰减。目前的分布式光纤温度探测器系统中，模拟带宽一般在100MHz左右，对应1米空间分辨率。

脉冲宽度、采样速率和模拟带宽受制于硬件参数，不可能无限提高，为了提高空间分辨率，提出一种采用频率调制技术，提高分布式光纤温度探测器的空间分辨率的方法，本技术实现的分布式光纤温度探测器相对于传统的分布式光纤温度探测器空间分辨率提高到0.1米。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于采用频率调制技术提高分布式光纤温度探测器的空间分辨率。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：

提供一种采用频率调制技术提高空间分辨率的分布式光纤温度探测器，包括电光调制器、DFB激光器、波分复用器、探测光缆、探测电路、采样电路和数字信号处器；其中：

电光调制器输出正弦调制信号，并控制DFB激光器的输出光；DFB激光器的输出光接入波分复用器；波分复用器的第一输出接入探测光缆，波分复用器的第二输出接入探测电路；探测电路的输出接入采样电路；采样电路的输出接入数字信号处器，数字信号处器控制电光调制器的启停；

电光调制器调制输出的正弦调制信号的正弦波从0相位开始启动并携带偏置信号，电光调制器的启动频率为1kHz，步进1kHz，按照步进的方式连续调制；当调制频率切换时，相位保持0相位不变，偏置信号保持不变。

本发明所述的布式光纤温度探测器中，采样电路根据正弦调制信号在探测光缆中的传输时间，对探测光缆反射的光信号进行连续采样16点并做排序筛选，并记录一个中值信号；每个调制频率记录一个采样中值，从1kHz至1GHz，总计记录1M个采样中值，1M个采样中值按照时间先后顺序排列。

本发明所述的布式光纤温度探测器中，1M采样中值数据存储在数字信号处器内，数字信号处器对所有的采样信号进行FFT逆变换把采样信号从频率换算回时域，然后根据拉曼信号解算方法计算出时间间隔上的对应温度，以实现不同距离下光缆的温度探测。

本发明所述的布式光纤温度探测器中，数字信号处器通过FPGA实现，开辟多个通道将1M个数据分为多个通道分布式处理，且采用流水线处理方式，数据不停进入流水处理线，出来的数据采用先进先出存储器存储。

本发明所述的布式光纤温度探测器中，DFB激光器采用1550nm波长的脉冲激光器。

本发明所述的布式光纤温度探测器中，探测电路采用雪崩光电二极管APD作为光电转换器件，拾取反射光信号。

本发明还提供了一种采用频率调制技术提高分布式光纤温度探测器空间分辨率的方法，包括以下步骤：

电光调制器输出正弦调制信号，该正弦调制信号的正弦波从0相位开始启动并携带偏置信号，电光调制器的启动频率为1kHz，步进1kHz，按照步进的方式连续调制；当调制频率切换时，相位保持0相位不变，偏置信号保持不变；

DFB激光器在电光调制器的控制将输出光输入波分复用器；

波分复用器将光信号分别输出到探测光缆和采样电路，采样电路根对探测光缆反射的光信号进行采样，并输出给数字信号处器；

数字信号处器对所有的采样信号进行FFT逆变换，把采样信号从频率换算回时域，然后根据拉曼信号解算方法计算出时间间隔上的对应温度。

本发明所述的方法中，采样电路根据正弦调制信号在探测光缆中的传输时间，对探测光缆反射的光信号进行连续采样16点并做排序筛选，并记录一个中值信号；每个调制频率记录一个采样中值，从1kHz至1GHz，总计记录1M个采样中值，1M个采样中值按照时间先后顺序排列。

本发明所述的方法中，数字信号处器通过FPGA开辟多个通道将1M个数据分为多个通道分布式处理，且采用流水线处理方式，数据不停进入流水处理线，出来的数据采用先进先出存储器存储。

本发明所述的方法中，对于200MHz-1GHz之间的高频正弦信号，电光调制器采用独立工作模式，200MHz以下的高频正弦信号以下采用信号发生器产生，200MHz以上采用压控振荡器产生；为了确保所有频率启动时都是从0相位开始，所有的子模块采用同步复位实现。

本发明产生的有益效果是：(1)光源系统简单。采用电光调制器控制DFB激光器输出正弦信号，只需要电光调制器和DFB激光器，省却了传统脉冲式光源的光放大环节。(2)探测电路简单。采用正弦信号输入探测光缆，近似连续光注入，其反射光能量比传统的脉冲式设备提高2个数量级，更容易探测。(3)空间分辨率高。在传统的脉冲式分布式温度探测器中，空间分辨率收到光脉冲宽度、模拟带宽和采样速率的影响；本系统中，空间分辨率只与正弦信号步进频率有关系，本系统中，步进1kHz，调频至1GHz，对应空间分辨率小于0.1米。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例采用频率调制技术提高空间分辨率的分布式光纤温度探测器的结构示意图；

图2是本发明实施例采用频率调制技术提高分布式光纤温度探测器空间分辨率的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的采用频率调制技术提高空间分辨率的分布式光纤温度探测器，如图1所示，包括电光调制器1、DFB激光器2(Distributed Feedback Laser，即分布式反馈激光器)、波分复用器3、探测光缆4、探测电路5、采样电路6和数字信号处理器7。

DFB激光器2(DFB：Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器。波分复用器3可选用WDM波分复用器，波分复用器3输出有2个方向，一个通向探测光缆4，一个通向探测电路5。如图1所示，波分复用器3的输出out1接入探测光缆4，输出out2接入探测电路5。本发明实施例中，数字信号处理器DSP泛指嵌入式计算机系统，包含了可编程数字逻辑FPGA和高速嵌入式处理器ARM。

电光调制器1驱动DFB激光器2发光；DFB激光器2输出光信号接入波分复用器3；波分复用器3输出光信号接入探测光缆，探测光缆4的反射光接入波分复用器3；波分复用器3输出的反射光接入探测电路5；探测电路5输出接入采样电路6；采样电路6采集的信号送入数字信号处理器7进行处理，最后解调温度信息。数字信号处理器7控制电光调制器1的启停。

优选地，电光调制器1输出精密的正弦信号驱动DFB激光器，电光调制器输出精密的正弦信号以1kHz的间距步进，直到1GHz，总计步进1000000次。

优选地，DFB激光器可采用1550nm波长的脉冲激光器。

进一步，探测电路5可采用雪崩光电二极管APD作为光电转换器件，拾取反射光信号。

本发明的分布式光纤温度探测器工作时，电光调制器1调制正弦信号为精密连续可调信号，步进频率为1kHz，调频至1GHz，步进1000000次。采样电路6对每次反射光信号进行采样，采样时需要多次平均以消除采样误差；记录1000000次采样的光功率信号送入数字信号处理器7；数字信号处理器7对所有的采样信号进行FFT逆变换把采样信号从频率换算回时域，然后根据拉曼信号解算方法计算出时间间隔上的对应温度，在时域系统中，时间对应着距离，这样就可以实现不同距离下光缆的温度探测。

分布式光纤温度探测器工作时，光缆的长度必须输入系统；电光调制器调制正弦波从0相位开始启动并携带偏置信号送至DFB激光器，启动频率为1kHz，步进1kHz，按照1kHz->2kHz………->1GHz的方式连续调制；当调制频率切换时，相位必须0相位不变，偏置信号保持不变；由于已知光缆的长度，被电光调制器调制的正弦光信号在光缆中的传输时间固定，从0相位开始同步计算时间，计算到光信号已经传输到光纤外部时，对反射的光信号进行连续采样16点并做排序筛选，然后记录一个中值信号；每个调制频率记录一个采样中值，从1kHz->1GHz，总计记录1000000个采样中值，1000000个采样值按照时间先后顺序排列。

1000000采样中值数据存储到DSP系统内部，然后对所有的采样信号进行FFT逆变换把采样信号从频率换算回时域，然后根据拉曼信号解算方法计算出时间间隔上的对应温度，在时域系统中，时间对应着距离，这样就可以实现不同距离下光缆的温度探测。

在采用频率调制技术实现的分布式光纤温度探测器中，可以使用的最大长度受到调制频率限制：

L_max＝C/2n_gr*(1/Δf_mod)

注：C是光速，在光纤中传播速度20万公里/秒，n_gr为光纤折射率，一般为1.5，Δfmod为步进频率，本发明中为1kHz。

由上式计算出本系统的最大测量距离是66.7公里。

在采用频率调制技术实现的分布式光纤温度探测器系统中，空间分辨率与系统最大调制频率相关：

S_min＝C/2n_gr*(1/f_max)

注：f_max最大调制频率，本发明中为1GHz。

当调制频率为1GHz时，对应空间分辨率为0.067米。

数字信号处理器7主要进行数据存储、FFT逆变换、时域解算、拉曼强度解算和温度定标。

采样电路采集的反射光信号输入FFT逆变换，将调制频率信号逆变为时域数据，然后经过时域解算模块与光缆的距离对应起来，实现每间隔0.1米一个数据，然后通过温度定标实现光缆沿线所有点的温度校准。

本发明实现的关键点是正弦光信号的精密调制和FFT逆变换。在分布式光纤温度探测器采用的正弦光信号是强度上的调制，为了确保FFT逆变换的成功，必须确保信号频率的单纯性和稳定性，因为根据FFT逆变换原理，频域上的微小变化会映射到时域的距离抖动，造成空间分辨率极具下降。为了确保正弦光信号的单纯性，电光调制器的输入信号采用2级数字可调带通滤波器实现，而且随着调制频率的步进改变截止频率；为了确保正弦光信号的稳定性，采用偏置调制技术使激光器处于预先开通状态，无死角和零电平交互点，偏置信号的选取非常重要，需要让光源处于开通但正弦光信号峰值不能饱和；对于200MHz-1GHz之间的高频正弦信号，本系统采用了独立工作模式，即200MHz以下采用信号发生器产生，200MHz以上采用压控振荡器产生；为了确保所有频率启动时都是从0相位开始，所有的子模块采用同步复位实现。

FFT逆变换是解算的核心技术，一般的FFT逆变换通常都是在计算机上实现，但是本系统为了实时处理，需要在主机内部实现高速解算。为了实现数据高速解算，在FPGA内部开辟多个通道将1000000点的数据分为多个通道分布式处理，且采用流水线处理方式，数据不停进入流水处理线，出来的数据采用先进先出存储器存储。本系统的扫描频率范围是固定的，因此FFT逆变换的辅助参数也是固定，为了减少运算将计算参数作为常数存储到FPGA内部，每次启动时读取到内存中。当存储器满时将FFT逆变换的结果送入CPU进行温度解算。

本发明中，微小的光强抖动会造成反射光信号的抖动，放大到空间分辨率解算就是一个非常大，通常情况下，光强抖动不能大于0.1％；FFT逆变换是计算的核心，在本系统中有多达1000000点的数据需要实时处理，因此高效、准确的FFT逆变换可以提高分布式光纤温度探测器的效应速度，提高设备应用范围。

本发明实施例采用频率调制技术提高分布式光纤温度探测器空间分辨率的方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、电光调制器输出正弦调制信号，该正弦调制信号的正弦波从0相位开始启动并携带偏置信号，电光调制器的启动频率为1kHz，步进1kHz，按照步进的方式连续调制；当调制频率切换时，相位保持0相位不变，偏置信号保持不变；

S2、DFB激光器在电光调制器的控制将输出光输入波分复用器；

S3、波分复用器将光信号分别输出到探测光缆和采样电路，采样电路根对探测光缆反射的光信号进行采样，并输出给数字信号处器；

S4、数字信号处器对所有的采样信号进行FFT逆变换，把采样信号从频率换算回时域，然后根据拉曼信号解算方法计算出时间间隔上的对应温度。

进一步地，采样电路根据正弦调制信号在探测光缆中的传输时间，对探测光缆反射的光信号进行连续采样16点并做排序筛选，并记录一个中值信号；每个调制频率记录一个采样中值，从1kHz至1GHz，总计记录1M个采样中值，1M个采样中值按照时间先后顺序排列。

进一步地，数字信号处器通过FPGA开辟多个通道将1M个数据分为多个通道分布式处理，且采用流水线处理方式，数据不停进入流水处理线，出来的数据采用先进先出存储器存储。

进一步地，对于200MHz-1GHz之间的高频正弦信号，电光调制器采用独立工作模式，200MHz以下的高频正弦信号以下采用信号发生器产生，200MHz以上采用压控振荡器产生；为了确保所有频率启动时都是从0相位开始，所有的子模块采用同步复位实现。

综上，本发明的主要优点有：

(1)光源系统简单。采用电光调制器控制DFB激光器输出正弦信号，只需要电光调制器和DFB激光器，省却了传统脉冲式光源的光放大环节。

(2)探测电路简单。采用正弦信号输入探测光缆，近似连续光注入，其反射光能量比传统的脉冲式设备提高2个数量级，更容易探测。

(3)空间分辨率高。在传统的脉冲式分布式温度探测器中，空间分辨率收到光脉冲宽度、模拟带宽和采样速率的影响；本系统中，空间分辨率只与正弦信号步进频率有关系，本系统中，步进1kHz，调频至1GHz，对应空间分辨率小于0.1米。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。