光纤温度信号自动增益装置及光纤温度解调仪的制作方法

本发明涉及光纤测温系统技术领域，具体而言，涉及一种光纤温度信号自动增益装置及光纤温度解调仪。

背景技术：

在现有的基于拉曼散射效应的光纤测温系统中，由于斯托克斯信号和反斯托克斯信号中包含有对温度敏感的频率成分，因此，对于光纤测温系统而言，斯托克斯信号和反斯托克斯信号的准确与否与计算的温度的精确程密切相关。

对光纤反射回的反射激光信号的解调过程中，仅仅考虑到了光纤材料对光的衰减、微弯引入的衰减、注入光脉冲功率的变化及温度测量仪器对光信号响应的差异等问题造成的温度信息测量误差，未考虑到斯托克斯信号和反斯托克斯信号之间的偏差对温度值计算造成的影响。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种光纤温度信号自动增益装置及光纤温度解调仪，以解决现有技术的不足。

根据本发明的一个实施方式，提供一种光纤温度信号自动增益装置，包括依次连接的激光器、参考环及信号处理模块；

所述激光器用于向光纤发射激光信号；

所述参考环与所述激光器连接，用于接收从所述光纤返回的反射激光信号并将所述反射激光信号发送至所述信号处理模块；

所述信号处理模块与所述参考环连接，用于确定所述反射激光信号中的斯托克斯信号对应的第一电流幅值及反斯托克斯信号对应的第二电流幅值，并计算所述第一电流幅值与所述第二电流幅值之间的差值，根据所述差值不断调整相应的光电参数直至所述差值满足预定条件。

在上述的光纤温度信号自动增益装置中，还包括与所述激光器连接的信号调制模块，所述信号调制模块包括功率控制单元、波长控制单元及同步脉冲单元；

所述功率控制单元用于控制所述激光信号的功率，所述波长控制单元用于控制所述激光信号的波长，所述同步脉冲单元用于控制所述激光信号以同步脉冲方式收发，以使所述激光器发射出信号参数满足预设条件的激光信号。

在上述的光纤温度信号自动增益装置中，还包括信号放大模块：

所述信号放大模块连接在所述参考环与所述信号处理模块之间，用于将所述反射激光信号进行放大处理后发送到所述信号处理模块。

在上述的光纤温度信号自动增益装置中，所述信号处理模块分别将所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号进行光电转换得到相应电信号，将所述斯托克斯信号对应的电信号在预定区域的幅值作为第一电流幅值，及将所述反斯托克斯信号对应的电信号在所述预定区域的幅值作为第二电流幅值。

在上述的光纤温度信号自动增益装置中，所述光电参数包括光电转换过程中的偏置电压；

所述信号处理模块根据所述差值调整所述偏置电压直至调整后得到的第一电流幅值与所述第二电流幅值之间的差值满足所述预定条件。

在上述的光纤温度信号自动增益装置中，所述光电参数包括采集所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号的器件的温度值；

所述信号处理模块根据所述差值调整所述温度值直至调整后得到的第一电流幅值与所述第二电流幅值之间的差值满足所述预定条件。

在上述的光纤温度信号自动增益装置中，所述信号处理模块还根据所述反射激光信号识别出所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号。

在上述的光纤温度信号自动增益装置中，还包括波分复用模块：

所述波分复用模块连接在所述参考环和所述激光器之间，并与与所述信号放大模块连接；

所述激光器将所述激光信号依次通过所述波分复用模块及所述参考环发射至对应光纤；

所述参考环将接收到的所述反射激光信号发送到所述波分复用模块；

所述波分复用模块用于在接收到的所述反射激光信号中识别出所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号，并将所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号发送到所述信号放大模块。

在上述的光纤温度信号自动增益装置中，还包括与所述参考环连接的光开关，所述光开关连接有预定数量的光纤；

所述光开关用于切换所述参考环与光纤的连接状态，以将所述参考环发送的所述激光信号发射至对应的光纤。

在上述的光纤温度信号自动增益装置中，所述预定条件包括所述差值小于预设的幅度阈值。

根据本发明的又一个实施方式，提供一种光纤温度解调仪，所述光纤温度解调仪包括有上述的光纤温度信号自动增益装置。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括如下有益效果：

本发明中一种光纤温度信号自动增益装置及光纤温度解调仪，在基于拉曼散射效应的测温系统中，消除拉曼散射光子信号中斯托克斯信号与反斯托克斯信号之间的差异，为精确测温提供准确的测量参数，实现斯托克斯信号和反斯托克斯信号对应限流信号中增益的自动调节，使不同的光纤接入都能获得最优的测量参数，提高后续温度值计算的精确程度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明第一实施例提供的一种光纤温度信号自动增益装置的结构示意图。

图2示出了本发明第一实施例提供的一种反射激光信号的波形示意图。

图3示出了本发明第一实施例提供的一种调整后的第一电流信号和第二电流信号的波形示意图。

图4示出了本发明第二实施例提供的一种光纤温度信号自动增益装置的结构示意图。

图5示出了本发明第三实施例提供的一种光纤温度信号自动增益装置的结构示意图。

图6示出了本发明第三实施例提供的另一种光纤温度信号自动增益装置的结构示意图。

主要元件符号说明：

10-光纤温度信号自动增益装置；100-激光器；200-参考环；300-信号处理模块；400-信号调制模块；410-功率控制单元；420-波长控制单元；430-同步脉冲单元；500-信号放大模块；600-波分复用模块；700-光开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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

图1示出了本发明第一实施例提供的一种光纤温度信号自动增益装置的结构示意图。

该光纤温度信号自动增益装置10包括激光器100、参考环200及信号处理模块300。

所述激光器100、所述参考环200及所述信号处理模块300依次连接。

所述激光器100用于向光纤发射激光信号。

具体地，所述激光器100发射出激光信号，该激光信号入射至需要测量温度的光纤中。

所述参考环200与所述激光器连接，用于接收从所述光纤返回的反射激光信号，并将所述反射激光信号发送到所述信号处理模块300。

具体地，所述激光信号在光纤内传播时，有一部分激光信号在所述光纤中被反射回来，另外由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，入射的激光信号在所述光纤内会发生散射。从光纤中反射回的反射激光信号中还包括反射回的发生散射的光信号。

该反射激光信号经过参考环200传递到激光器100中的接收器件中。

由于光纤中的散射包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。因此，从光纤中反射回的反射激光信号中包括瑞利散射信号、布里渊散射信号及拉曼散射信号。

所述参考环200接收来自光纤的反射激光信号，将该反射激光信号送入信号处理模块300进行处理。

所述信号处理模块300与所述参考环200连接，用于确定所述反射激光信号中的斯托克斯信号对应的第一电流幅值及反斯托克斯信号对应的第二电流幅值，并计算所述第一电流幅值与所述第二电流幅值之间的差值，根据所述差值不断调整相应的光电参数直至所述差值满足预定条件。

进一步地，所述信号处理模块300还在所述反射激光信号中识别出所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号。

具体地，如图2所示为将所述反射激光信号转换为频域的反射信号后得到的频谱曲线，与来自所述激光器100发射的激光信号频率相同的曲线s1为瑞利散射信号对应的频谱曲线，与瑞利散射信号的频谱曲线s1邻近的两边频谱曲线s2为布里渊散射信号的频谱曲线，布里渊散射信号的频谱曲线s2与瑞利散射信号的频谱曲线s1的频差一般在10^-1～100cm量级。距离瑞利散射信号的频谱曲线s1较远些的频谱曲线为拉曼散射信号的频谱曲线。

在根据瑞利散射信号的频谱范围、布里渊散射信号的频谱范围与拉曼散射信号的频谱范围确定拉曼散射信号后，还根据斯托克斯信号的频率范围和反斯托克斯信号的频率范围确定斯托克斯信号对应的频谱曲线s31和反斯托克斯信号对应的频谱曲线s32。

例如，在频域里，拉曼散射信号分为斯托克斯信号与反斯托克斯信号，其中，斯托克斯信号的频率为：

vs＝v0-δv

其中，vs为斯托克斯信号的频率，v0为光纤中入射的激光信号的频率，δv为光纤声子的震动频率，其中，δv＝1.32×10¹³hz。

反斯托克斯信号的频率为：

va＝v0+δv

其中，va为反斯托克斯信号的频率。

根据上述的斯托克斯信号及反斯托克斯信号对应的频率在所述拉曼散射信号中确定斯托克信号及反斯托克斯信号。

在确定所述斯托克信号及反斯托克斯信号后，由于斯托克斯信号和反斯托克斯信号为均光信号，为方便后续对光信号的分析，所述信号处理模块300首先可通过光电转换器将所述光信号转换为电信号。

例如，所述信号处理模块300通过光电转换方式将所述斯托克斯信号能量传递给电子使其运动形成第一电流信号，将反斯托克斯信号能量传递给电子使其运动形成第二电流信号。如图3所示的两条波形曲线分别为第一电流信号对应的波形曲线及第二电流信号对应的波形曲线。

进一步地，为了使所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号处于同一时间基础上，便于后续分析，所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号为同步采样信号。

由于，所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号中均包含有对光纤温度敏感的频率成分及对光纤温度不敏感的频率成分，因此，所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号对应的电流信号中同样包含对光纤温度敏感的频率成分及对光纤温度不敏感的频率成分。例如，如图3所示，第一电流信号中的对光纤温度敏感的频率成分对应的波形为p31，对光纤温度不敏感的频率成分对应的波形为q31；第二电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的波形为p32，对光纤温度不敏感的频率成分对应的波形为q32。

其中，所述第一电流信号中对光纤温度不敏感的频率成分对应的波形q31(在第一电流信号的波形中另外一个时间区间δt2对应的部分波形)与所述第二电流信号中光纤温度不敏感的频率成分对应的波形q32(在第二电流信号的波形中另外一个时间区间δt2对应的部分波形)之间是分开不重合的，其分开的程度和光纤温度有关，光纤温度越高，分开程度越大，光纤温度越低，分开程度越小。

若第一电流信号中对光纤温度敏感的频率成分的波形p31对应的时间区间为第一时间区间，第二电流信号中对光纤温度敏感的频率成分的波形p32对应的时间区间为第二时间区间，由于所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号为同步采样信号，因此，该第一时间区间与第二时间区间为相同的时间区间，比如，如图3中，δt1为该相同的时间区间。

在第一电流信号及第二电流信号的波形中，将该时间区间δt1对应的波形区域作为预定区域。在第一电流信号预定区域的波形中，选择一个点的电流幅值作为第一电流幅值，或者将该预定区域内的所有点的电流幅值的平均值作为第一电流幅值。在第二电流信号预定区域的波形中，选择一个点的电流幅值作为第二电流幅值，或者将该预定区域内的所有点的电流幅值的平均值作为第二电流幅值。

虽然第一电流信号中对光纤温度敏感的频率成分和第二电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的时间区间相同，由于斯托克斯信号和反斯托克斯信号自身的差异，导致第一电流幅值和第二电力幅值之间存在差异，因此，消除该第一电流幅值和第二电流幅值之间的差异，是实现精确测温的必经的过程。

进一步地，所述信号处理模块300计算第一电流幅值及第二电流幅值之间的差值，若所述差值不小于预设的幅度阈值，可通过调节第一电流信号或第二电流信号对应的光电参数来对整个光纤温度信号自动增益装置10的增益进行微调，使该第一电流信号中对光纤温度敏感频率成分对应的波形(即波形p31)与第二电流信号中对光纤温度敏感频率成分对应的波形(即波形p32)相互重合，以消除斯托克斯信号与反斯托克斯信号之间的差异。

具体地，作为一种调整方式，所述光电参数包括光电转换过程中的偏置电压；

所述信号处理模块300根据所述差值在预定范围内调整光电转换过程中光电转换器件或光电转换电路对应的偏置电压，得到调整后的第一电流幅值和第二电流幅值之间的差值，重新判断该调整后的差值是否满足预定条件，在所述调整后差值仍旧不满足预定条件时，还继续调整光电转换器对应的偏置电压，继续对第一电流信号和第二电流信号进行调整，重复执行上述的调整偏置电压和判断差值是否满足预定条件的步骤。值得注意的是，重复执行的限制条件为该偏置电压的调整不能超出预定范围，在该预定范围内微调第一电流幅值或第二电流幅值，以达到在不改变第一电流信号及第二电流信号的基础上，尽可能的使第一电流信号对应的波形与第二电流信号对应波形相互重合。

然而，由于对偏置电压进行调整时，可能会出现雪崩的现象，导致第一电流信号和/或第二电流信号发生改变。所以，在上述的调整方式，对偏移电压的调整限定在预定范围内，该预定范围的设定以不发生雪崩现象为基准。

进一步地，所述光电参数包括用于采集所述斯托克斯信号及反斯托克斯信号的器件的温度值；

在所述差值不符合预定条件时，所述信号处理模块300还对采集所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号的器件的温度值进行调整，比如，在差值大于预设的幅度阈值时，可增加用于采集所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号的器件的温度值，在差值小于预设的幅度阈值时，可减小采集所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号的器件的温度值，在调整后，得到调整后的第一电流幅值和第二电流幅值之间的差值，重新判断该调整后差值是否满足预定条件，在所述调整后差值仍旧不满足预定条件时，还继续调整采集所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号的器件的温度值，继续对第一电流信号和第二电流信号进行调整，重复执行上述的调整步骤，直至调整后得到的所述差值满足预定条件。

值得注意的是，若通过调节光电转换过程中的偏置电压的方式不能使所述第一电流幅值和所述第二电流幅值之间的差值满足预定条件时，还可以在预定范围内通过调节光电转过程中的偏置电压的方式使所述第一电流幅值和所述第二电流幅值之间的差值与预定条件尽可能的接近，确定最接近预定条件时的第一电流信号及第二电流信号，然后通过调节采集所述斯托克斯信号及反斯托克斯信号的器件的温度值的方式对第一电流信号及第二电流信号进行继续调试，直至调整后得到的所述差值满足预定条件。

值得注意的是，该预定条件可以为该第一电流幅值和第二电流幅值相等，或者该第一电流幅值和第二电流幅值之间的差值小于预设的幅度阈值，最优选地，所述预设的幅度阈值为0。

在所述差值满足预定条件后，意味着该第一电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的波形和第二电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的波形相互重合，在该第一电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的波形和第二电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的波形完全重合后，该第一电流信号与第二电流信号在预定区域δt1内的电流幅值相等，比如3中所示的num1；或者该第一电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的波形和第二电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的波形近乎重合，换言之，通过对第一电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的波形和第二电流信号中对光纤温度敏感的频率成分对应的波形调整使其达到最大程度的重合，消除斯托克斯信号和反斯托克斯信号之间的差异。

实施例2

图4示出了本发明第三实施例提供的一种光纤温度信号自动增益装置的结构示意图。

该光纤温度信号自动增益装置10包括激光器100、参考环200、信号处理模块300、信号调制模块400和信号放大模块500。

所述信号调制模块400、所述激光器100、所述参考环200、所述信号放大模块500及所述信号处理模块300依次连接。

所述信号调制模块400包括功率控制单元410、波长控制单元420及同步脉冲单元430。

所述功率控制单元410用于发出功率控制信号来控制所述激光器100发出的激光信号的功率，所述波长控制单元420用于发出波长控制信号来控制所述激光器100发出的激光信号的波长，所述同步脉冲单元430用于发出同步脉冲控制信号来控制所述激光器100以同步脉冲的方式发出的激光信号，所述激光器100根据所述功率控制信号、所述波长控制信号及所述同步脉冲控制信号来发射出信号参数满足预设条件的激光信号，比如可通过上述的功率控制单元410、波长控制单元420及同步脉冲单元430控制激光器100持续发出1550nm的激光信号。

值得注意的是，在不同的应用场景时，由于各场景中的温度、环境等条件的不同，该信号调制模块400中的功率控制单元410、波长控制单元420或同步脉冲单元430在不同的场景发出的控制信号的内容可能不同。

以下以功率控制信号为例进行说明，波长控制信号和同步脉冲控制信号与功率控制信号相同，在此不做具体说明。例如，在第一场景中，若使激光器100发出满足预设条件的激光信号，功率控制单元410发出的功率控制信号为控制激光器以功率m1发射激光信号。而在第二场景中，由于温度、环境等变化的原因，若使激光器100发出满足预设条件的激光信号，功率控制单元410发出的功率控制信号必须为控制激光器以功率m2发射激光信号。

所述参考环200用于接收从所述光纤返回的反射激光信号，并将所述反射激光信号发送到信号放大模块500。

由于，所述反射激光信号中的携带温度信息的拉曼散射信号非常微弱，所述信号放大模块500还需将所述反射激光信号进行放大处理后发送到所述信号处理模块300。

所述信号处理模块300在所述反射激光信号中识别出斯托克斯信号及反斯托克斯信号，并分别将所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号进行光电转换得到相应电信号，将所述斯托克斯信号对应的电信号在预定区域的幅值作为第一电流幅值，及将所述反斯托克斯信号对应的电信号在所述预定区域的幅值作为第二电流幅值。

所述信号处理模块300确定所述反射激光信号中的斯托克斯信号对应的第一电流幅值及反斯托克斯信号对应的第二电流幅值，并计算所述第一电流幅值与所述第二电流幅值之间的差值，根据所述差值不断调整相应的光电参数直至所述差值满足预定条件。

实施例3

图5示出了本发明第三实施例提供的一种光纤温度信号自动增益装置的结构示意图。

所述该光纤温度信号自动增益装置10包括激光器100、参考环200、信号处理模块300、信号调制模块400、信号放大模块500、波分复用模块600及光开关700。

所述信号调制模块400连接所述激光器100，所述激光器100连接所述波分复用模块600，所述波分复用模块600连接所述参考环200，所述参考环200连接所述光开关700，所述光开关700连接待测温度的多条光纤，比如图5中的a、b、c、d四条光纤。

所述波分复用模块600还连接所述信号放大模块500，所述信号放大模块500连接所述信号处理模块300。

所述信号调制模块400包括功率控制单元410、波长控制单元420及同步脉冲单元430。

所述功率控制单元410用于用于控制所述激光信号的功率，所述波长控制单元420用于控制所述激光信号的波长，所述同步脉冲单元430用于控制所述激光信号以同步脉冲方式收发，以使所述激光器100发射出信号参数满足预设条件的激光信号。

所述激光器100将所述满足预设条件的激光信号发送到波分复用模块600，所述波分复用模块600将接收的激光信号传输到参考环200，所述参考环200将所述激光信号发送到光开关700，所述光开关700用于切换所述参考环200和光纤的连接状态，使所述参考环200将所述激光信号发送到连接的光纤中。

所述光开关700可通过开合状态不断切换其连接的多条光纤与参考环200的连接状态，以使所述参考环200将该激光信号发送到该多条光纤中的其中一条光纤。

所述激光信号在所述光纤中传输，会发生反射，反射回的反射激光信号通过所述参考环200。

所述参考环200接收从所述光纤返回的反射激光信号，并将所述反射激光信号发送到波分复用模块600。

所述波分复用模块600用于在接收到的所述反射激光信号中识别出所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号，并将所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号发送到所述信号放大模块500。

具体地，在反射激光信号中识别出斯托克斯信号及反斯托克斯信号的方式可与实施例1中的识别方式相同。

所述信号放大模块500将所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号进行放大操作后发送至信号处理模块300。

所述信号处理模块300分别将所述斯托克斯信号及所述反斯托克斯信号进行光电转换得到相应电信号，将所述斯托克斯信号对应的电信号在预定区域的幅值作为第一电流幅值，及将所述反斯托克斯信号对应的电信号在所述预定区域的幅值作为第二电流幅值。

所述信号处理模块300确定所述反射激光信号中的斯托克斯信号对应的第一电流幅值及反斯托克斯信号对应的第二电流幅值，并计算所述第一电流幅值与所述第二电流幅值之间的差值，根据所述差值不断调整相应的光电参数直至所述差值满足预定条件。

进一步地，如图6所示，所述信号处理模块300还连接所述信号调制模块400，所述信号处理模块300发出调制指令至所述信号调制模块400，以使所述信号调制模块400控制所述激光器100发出信号参数满足预设条件的激光信号。

本发明实施例还提供了一种光纤温度解调仪，所述光纤温度解调仪包括上述的光纤温度信号自动增益装置10。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。