一种大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统及其实现方法与流程

本发明涉及分布式光纤测温技术领域，具体是一种大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统及其实现方法。

背景技术：

分布式光纤测温系统（以下称dts系统）广泛应用于各种火灾监控现场，例如公路隧道、地铁隧道、电力电厂的动力电缆隧道、石油化工储油罐等现场。dts系统是一种基于光时域反射仪（otdr）和拉曼散射原理研制而成的温度测量系统，其温度传感器是光纤（通常制作成光缆），dts系统利用光纤的拉曼效应，即光纤铺设位置（空间）的温度场调制了光纤中传输的后向拉曼散射光，经光电转换及信号处理后就可解调出温度场的实时温度信息。

dts系统根据拉曼散射原理来解调温度信息，由于拉曼散射光十分微弱，因此通常采用雪崩二极管（apd）作为光电转换器，并把雪崩二极管产生的微弱信号进行放大，然后进行数据采集和处理。但是，当系统探测温度范围（量程）变大时，例如探测温度范围为-55°c~350°c时，由于动态范围太大，信号调理电路的动态范围不够，容易导致前端信号饱和而后端信号仍然很弱的情况，采用常规的电子学处理方法，很难满足实际要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统及其实现方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统，包括光学信号模块、stcoks光电转换模块、anti-stocks光电转换模块、第一程控增益信号调理模块、第二程控增益信号调理模块、数据采集及处理模块和工业计算机，所述光学信号模块分别与stcoks光电转换模块、anti-stocks光电转换模块连接，所述stcoks光电转换模块、anti-stocks光电转换模块分别连接第一程控增益信号调理模块、第二程控增益信号调理模块的一端；所述第一程控增益信号调理模块、第二程控增益信号调理模块的另一端分别连接数据采集及处理模块；所述数据采集及处理模块与工业计算机连接。

作为本发明进一步的方案：所述stcoks光电转换模块和anti-stocks光电转换模块均由雪崩二极管和跨导放大器组成。

作为本发明再进一步的方案：所述第一程控增益信号调理模块、第二程控增益信号调理模块具有相同的结构，第一程控增益信号调理模块、第二程控增益信号调理模块均由第一级运算放大器、第二级运算放大器和程控增益放大器组成，所述第一级运算放大器分别与跨导放大器和第二级运算放大器连接，第二级运算放大器连接程控增益放大器；程控增益放大器与数据采集及处理模块连接。

作为本发明再进一步的方案：所述数据采集及处理模块由第一模数转换器、第二模数转换器和fpga组成。所述第一模数转换器、第二模数转换器分别与第一程控增益信号调理模块和第二程控增益信号调理模块的程控增益放大器连接，所述第一模数转换器、第二模数转换器均连接fpga。

作为本发明再进一步的方案：所述fpga包括第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第一数据累加器、第二数据累加器、第一曲线合成器、第二曲线合成器、程控增益控制器及数据输出控制单元，所述第一数据采集控制器、第二数据采集控制器分别连接第一数据累加器和第二数据累加器，第一数据累加器、第二数据累加器分别连接第一曲线合成器和第二曲线合成器，所述程控增益控制器的一端连接第一曲线合成器和第二曲线合成器，程控增益控制器的另一端连接第一程控增益信号调理模块和第二程控增益信号调理模块，所述第一曲线合成器和第二曲线合成器均连接数据输出控制单元，数据输出控制单元连接工业计算机。

本申请的另一个目的在于，提出一种大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统的实现方法，包括以下步骤：

第一步，所述光学信号模块产生具一定重复频率的激光脉冲信号，并接收激光脉冲信号反射回来的stocks和anti-stocks拉曼散射光；

第二步，所述stcoks光电转换模块、anti-stocks光电转换模块完成光电转换并初步放大，输出模拟微弱电压信号；

第三步，所述第一程控增益信号调理模块、第二程控增益信号调理模块分别接收来自stcoks光电转换模块、anti-stocks光电转换模块输出的微弱电压信号，并完成信号放大，输出电压信号。

第四步，所述数据采集及处理模块接收来自第一程控增益信号调理模块、第二程控增益信号调理模块输出的电压信号，完成数据采集、累加和传输。

第五步，所述工业计算机分析拉曼数据并解调出温度信号。

作为本发明再进一步的方案：所述第三步和第四步，用以实现信号的分时程控增益、数据采集、数据累加和曲线合成，其实现步骤为：

第3-1步，所述stcoks光电转换模块、anti-stocks光电转换模块输出模拟微弱电压信号；

第3-2步，所述数据采集及处理模块调节第一程控增益信号调理模块和第二程控增益信号调理模块为低增益模式；

第3-3步，所述数据采集及处理模块采集第一程控增益信号调理模块和第二程控增益信号调理模块输出的电压信号，并完成数据累加；并输出累加后的stocks曲线和anti-stocks曲线；

第3-4步，所述数据采集及处理模块调节第一程控增益信号调理模块和第二程控增益信号调理模块为高增益模式；

第3-5步，所述数据采集及处理模块采集第一程控增益信号调理模块和第二程控增益信号调理模块输出的电压信号，并完成数据累加；并输出累加后的stocks曲线和anti-stocks曲线；

第3-6步，所述数据采集及处理模块完成第3-3步和第3-5步数据累加结果的曲线合成；

第3-7步，输出曲线合成结果的数据到所述工业计算机。

作为本发明再进一步的方案：所述第3-6步，曲线合成的方法为：

第3-6-1步，所述数据采集及处理模块通过所述fpga内部的第一曲线合成器，截取第3-3步的累加结果的stocks曲线的前半部、截取第3-5步累加结果的stocks曲线的后半部，拼接而成一条完整的stocks曲线；

第3-6-2步，所述数据采集及处理模块通过所述fpga内部的第二曲线合成器，截取第3-3步的累加结果的anti-stocks曲线的前半部、截取第3-5步累加结果的anti-stocks曲线的后半部，拼接而成一条完整的anti-stocks曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对大动态测温范围，分布式光纤测温系统测量高温时容易导致信号饱和的现象，采用了程控分时调整增益、分时采集、曲线分段合成的方案，有效地解决了系统测温动态范围不足的难题，本发明结构简单、实用性强、易于使用和推广。

附图说明

图1为大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统的系统结构示意图。

图2为大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统中stcoks、anti-stocks光电转换模块结构示意图。

图3为大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统中第一、第二程控增益信号调理模块结构示意图。

图4为大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统中数据采集及处理模块结构示意图。

图5为大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统中fpga内部结构示意图。

其中：光学信号模块1、stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22、第一程控增益信号调理模块31、第二程控增益信号调理模块32、数据采集及处理模块4、工业计算机5、雪崩二极管201、跨导放大器202、第一级运算放大器301、第二级运算放大器302、程控增益放大器303、第一模数转换器41、第二模数转换器42、fpga43、一数据采集控制器431、第二数据采集控制器432、第一数据累加器433、第二数据累加器434、第一曲线合成器435、第二曲线合成器436、程控增益控制器437、数据输出控制单元438组成。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1～5，本发明实施例中，一种大动态测温范围的分布式光纤测温系统的电子学系统，包括光学信号模块1、stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22、第一程控增益信号调理模块31、第二程控增益信号调理模块32、数据采集及处理模块4和工业计算机5，所述光学信号模块1分别与stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22连接，所述stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22分别连接第一程控增益信号调理模块31、第二程控增益信号调理模块32的一端；所述第一程控增益信号调理模块31、第二程控增益信号调理模块32的另一端分别连接数据采集及处理模块4；所述数据采集及处理模块4与工业计算机5连接。

其中所述光学信号模块1的功能是产生具一定重复频率的激光脉冲信号，并接收激光脉冲信号反射回来的stocks和anti-stocks拉曼散射光；

所述stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22，其功能是利用雪崩二极管完成光电转换，并利用跨导放大器完成电流到电压的转换，输出模拟微弱电压信号；

所述第一程控增益信号调理模块31、第二程控增益信号调理模块32，其功能是分别接收来自stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22输出的微弱电压信号，并对该信号进行增益可设置的放大，然后输出放大后的电压信号；

所述数据采集及处理模块4,其功能是分时调整程控增益信号调理模块的增益；完成模拟信号到数字信号的转换；分时采集；数据累加；曲线分段合成以及数据传输到工业计算机的功能；

所述工业计算机5，其功能是用来对拉曼信号进行计算，解调出温度信号。

具体的，所述stcoks光电转换模块21和anti-stocks光电转换模块22均由雪崩二极管201和跨导放大器202组成，其功能是利用雪崩二极管201完成光电转换，并利用跨导放大器202完成电流到电压的转换，输出模拟微弱电压信号。

具体的，所述第一程控增益信号调理模块31、第二程控增益信号调理模块32具有相同的结构，均由第一级运算放大器301、第二级运算放大器302和程控增益放大器303组成，所述第一级运算放大器301分别与跨导放大器202和第二级运算放大器302连接，第二级运算放大器302和程控增益放大器303连接；程控增益放大器303与所述数据采集及处理模块4连接，第一程控增益信号调理模块31、第二程控增益信号调理模块32的功能是分别接收来自stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22输出的微弱电压信号，利用第一级运算放大器301、第二级运算放大器302实现电压信号的进一步放大，并利用程控增益放大器303实现系统所需的动态范围下的最终放大，输出电压信号。该程控增益放大器303在低增益模式下，使得前端电压信号满足要求而后端信号微弱，前端信号满足应用要求，后端信号不能满足应用要求；在高增益模式下，使得电压信号前端饱和而后端微弱信号被放大，使得前端信号不能应用，而后端信号可以满足应用要求。

所述程控增益放大器303，其功能是可以通过外部设备（如fpga43）对其内部的寄存器进行增益设置，设置不同的放大倍数，使得其增益大小适合应用的要求。

具体的，所述数据采集及处理模块4由第一模数转换器41、第二模数转换器42和fpga43组成。所述第一模数转换器41、第二模数转换器42分别与第一程控增益信号调理模块31和第二程控增益信号调理模块32的程控增益放大器303连接，同时均连接fpga43，其功能是分时调整第一程控增益信号调理模块31和第二程控增益信号调理模块32的增益；完成模拟信号到数字信号的转换；分时采集；数据累加；曲线分段合成以及数据传输到工业计算机5的功能。

具体的，所述fpga43，其内部由第一数据采集控制器431、第二数据采集控制器432、第一数据累加器433、第二数据累加器434、第一曲线合成器435、第二曲线合成器436、程控增益控制器437及数据输出控制单元438组成，第一数据采集控制器431、第二数据采集控制器432分别连接第一数据累加器433、第二数据累加器434，第一数据累加器433、第二数据累加器434分别连接第一曲线合成器435和第二曲线合成器436，所述程控增益控制器437的一端连接第一曲线合成器435和第二曲线合成器436，程控增益控制器437的另一端连接第一程控增益信号调理模块31和第二程控增益信号调理模块32，所述第一曲线合成器435和第二曲线合成器436均连接数据输出控制单元438，数据输出控制单元438连接工业计算机5。

所述fpga43，其功能是完成分时程控增益的设置、数据采集、数据累加、曲线合成和数据传输。

所述fpga43内部的程控增益控制器437，其功能是用于设置所述程控增益放大器303的内部寄存器，设置合适的放大倍数。

实施例2：

一种大动态测温范围的分布式光纤测温系统的实现方法，包括下述步骤：

第一步，所述光学信号模块1产生具一定重复频率的激光脉冲信号，并接收激光脉冲信号反射回来的stocks和anti-stocks拉曼散射光；

第二步，所述stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22完成光电转换并初步放大，输出模拟微弱电压信号；

第三步，所述第一程控增益信号调理模块31、第二程控增益信号调理模块32分别接收来自stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22输出的微弱电压信号，并完成信号放大，输出电压信号。

第四步，所述数据采集及处理模块4接收来自第一程控增益信号调理模块31、第二程控增益信号调理模块32输出的电压信号，完成数据采集、累加和传输。

第五步，所述工业计算机5分析拉曼数据并解调出温度信号。

进一步地，所述第三步和第四步，用以实现信号的分时程控增益、数据采集、数据累加和曲线合成，其具体实现步骤为：

第3-1步，所述stcoks光电转换模块21、anti-stocks光电转换模块22输出模拟微弱电压信号；

第3-2步，所述数据采集及处理模块4调节第一程控增益信号调理模块31和第二程控增益信号调理模块32为低增益模式；

第3-3步，所述数据采集及处理模块4采集第一程控增益信号调理模块31和第二程控增益信号调理模块32输出的电压信号，并完成数据累加；并输出累加后的stocks曲线和anti-stocks曲线；

第3-4步，所述数据采集及处理模块4调节第一程控增益信号调理模块31和第二程控增益信号调理模块32为高增益模式；

第3-5步，所述数据采集及处理模块4采集第一程控增益信号调理模块31和第二程控增益信号调理模块32输出的电压信号，并完成数据累加；并输出累加后的stocks曲线和anti-stocks曲线；

第3-6步，所述数据采集及处理模块4完成第3-3步和第3-5步数据累加结果的曲线合成；

第3-7步，输出曲线合成结果的数据到所述工业计算机5。

进一步地，所述第3-2、3-4步是由所述fpga43内部的程控增益控制器437完成第一程控增益信号调理模块31和第二程控增益信号调理模块32的增益模式设置。

所述第3-3、3-5步，数据采集及处理模块4通过所述fpga43内部的第一数据采集控制器431和第二数据采集控制器432分别完成第一程控增益信号调理模块31和第二程控增益信号调理模块32输出的电压信号的采集；通过所述fpga43内部的第一数据累加器433和第二数据累加器434完成数据累加。

进一步地，所述第3-6步，曲线合成的方法为：

第3-6-1步，所述数据采集及处理模块4通过所述fpga43内部的第一曲线合成器435，截取第3-3步的累加结果的stocks曲线的前半部、截取第3-5步累加结果的stocks曲线的后半部，拼接而成一条完整的stocks曲线；

第3-6-2步，所述数据采集及处理模块4通过所述fpga43内部的第二曲线合成器436，截取第3-3步的累加结果的anti-stocks曲线的前半部、截取第3-5步累加结果的anti-stocks曲线的后半部，拼接而成一条完整的anti-stocks曲线。

上述第3-6-1和3-6-2步，两条曲线截取的位置，是同一个位置；根据实际需要，灵活设定该位置。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。