一种基于IIR数字滤波器的分布式温度检测系统及方法与流程

本发明属于光纤温度传感技术领域，具体涉及一种基于iir数字滤波器的分布式温度检测系统及方法。

背景技术：

分布式温度传感系统(dts)，是通过发送一束激光到光纤内，系统采集光纤产生的背向散射光信号，解析光纤所有位置点的温度值，由于背向散射光非常微弱，信噪比很小，影响温度分辨率的指标。温度分辨率是dts的一项重要指标，表征系统能够测量最小温度变化的能力，现有技术中，一般采用多次信号采集再平均来提高信噪比，减少随机噪声，但同时也延长了测量时间。

dts通常有多达几万个位置点的数据，每个位置点的信号互不相关，由于光时域反射的特性，距离越长，噪声越大。降噪处理需要对每个位置点的历史数据进行处理，计算量很大，耗时较长。

对于测量时间比较敏感的情况(如消防领域)，在较短的时间内测温，噪声大，虽然可以采用更好的降噪算法，但是dts需要高速数据采集，实时信号处理占用cpu资源多，耗时长，无法代替常规的数据平均降噪技术。因此，受限于实时性要求或成本的考虑，目前常用的信号处理器(dsp或fpga)难以对于每帧数据实时进行复杂的降噪处理，限制了进一步提升dts的温度分辨率性能。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于iir数字滤波器的分布式温度检测系统，本发明能够在相同的测量时间下，有效提高温度分辨率指标。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种基于iir数字滤波器的分布式温度检测系统，包括依次连接的信号接收单元、光电转换单元、信号放大单元、a/d转换单元、数据处理单元、温度解析单元、iir数字滤波器及数据输出单元，

所述信号接收单元用于接收温度信号，所述光电转换单元将接收单元接收的弱光信号转化为高频弱电信号，所述信号放大单元将高频弱电信号进行放大，所述a/d转换单元用于将温度信号由电信号转化为数字信号，所述数据处理单元实时对温度原始数据进行累加平均以降低随机噪声，所述温度解析单元用于将含有温度信息的原始数据，通过算法解析出对应的温度数值，所述iir数字滤波器用于对输出的温度数值进行降噪，所述数据输出单元用于输出降噪后的温度数值。

作为优选的技术方案，所述数据处理单元为dsp处理器或fpga处理器。

作为优选的技术方案，所述iir数字滤波器连接外部ram。

本发明的第二方面，提供一种基于iir数字滤波器的分布式温度检测方法，包括以下步骤：

步骤一、温度信号接收；通过信号接收单元接收光纤上各个点的温度信号；

步骤二、光电转换；将步骤一接收到的温度信号由弱光信号转换为高频弱电信号；

步骤三、信号放大；将步骤二中的弱电信号通过信号放大单元进行放大；

步骤四、信号转换；将放大后的温度信号由电信号转化为数字信号；

步骤五、累加平均；对步骤四得到的数字信号进行累加平均降低随机噪声；

步骤六、温度解析；将步骤五中累加平均后的温度信号解析转换为对应的温度数值；

步骤七、滤波降噪；iir数字滤波器对步骤六中的温度数值进行低通滤波，降低输出温度数值的噪声；

步骤八、数据输出；数据输出单元输出降噪后的温度数值。

作为优选的技术方案，所述步骤七iir数字滤波器运算的中间数据存放于外部ram中，递归运算后刷新历史数据。

作为优选的技术方案，系统每次运行之前，iir数字滤波器存储于外部ram中的数据清零。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明在累加平均随机降噪之后增加对信号的数字滤波，进一步降低了噪声，在相同的测量时间下，能够获得更好的温度分辨率指标。

(2)本发明能够有效提高温度分辨率指标，经计算，温度分辨率平均可提升3db。

(3)本发明中iir数字滤波器不受环境温度影响，性能可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明一种基于iir数字滤波器分布式温度检测系统的结构示意图。

图2为图1中iir数字滤波器的结构示意图。

其中，附图标记具体说明如下：信号接收单元1、光电转换单元2、信号放大单元3、a/d转换单元4、数据处理单元5、温度解析单元6、iir数字滤波器7及数据输出单元8、外部ram9。

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付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。

如图1所示，本实施例提供一种基于iir数字滤波器的分布式温度检测系统，依次连接的信号接收单元1、光电转换单元2、信号放大单元3、a/d转换单元4、数据处理单元5、温度解析单元6、iir数字滤波器7及数据输出单元8。iir数字滤波器7连接外部ram9。

所述信号接收单元1用于接收温度信号，含输入光纤、拉曼信号分离用光学滤波器。所述光电转换单元2将接收单元1接收的弱光信号转化为高频弱电信号，所述信号放大单元3将高频弱电信号进行放大，所述a/d转换单元4用于将温度信号由电信号转化为数字信号，所述数据处理单元5实时对温度原始数据进行累加平均以降低随机噪声，所述温度解析单元6用于将含有温度信息的原始数据，通过算法解析出对应的温度数值。iir数字滤波器7用于对输出的温度数值进行滤波降噪，低通数字滤波的参数根据实际使用情况确定，以确保iir数字滤波器7运行稳定，滤波系数兼顾降噪特性及温升响应时间，采用定点位数的运算和二级级联的iir数字滤波器7，能够高效快速运算并减少误差。数据输出单元8用于输出降噪后的温度数值。其检测方法包括以下步骤：

步骤一、温度信号接收；通过信号接收单元1接收光纤上各个点的温度信号。

步骤二、光电转换；光电转换单元2将步骤一接收到的温度信号由弱光信号转换为高频弱电信号。

步骤三、信号放大；将步骤二中的弱电信号通过信号放大单元3进行放大。

步骤四、信号转换；将放大后的温度信号由电信号转化为数字信号。

步骤五、累加平均；对步骤四得到的数字信号进行累加平均降低随机噪声。

步骤六、温度解析；将步骤五中累加平均后的温度信号解析转换为对应的温度数值。

步骤七、滤波降噪；iir数字滤波器7对步骤六中的温度数值进行低通滤波，降低输出温度数值的噪声。iir数字滤波器7运算的中间数据存放于外部ram9中，递归运算后刷新历史数据。系统每次运行之前，iir数字滤波器7存储于外部ram9中的数据清零，避免出现异常数据后导致iir数字滤波器7中间变量饱和。如图2所示，iir数字滤波器7对于每列的历史数据进行运算，全长光纤共计l个点，iir数字滤波器7的低通截止频率应满足实际应用中最大温升变化的需求，同时有效滤除高频噪声。

步骤八、数据输出；数据输出单元8输出降噪后的温度数值。

本发明在不更改设备硬件性能的条件下，通过使用iir数字滤波器7，成本增加很少，大幅度提高了温度分辨率，有很强的实用性。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。