一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温系统的制作方法

本实用新型涉及分布式光纤测温技术领域，尤其是一种含自适应滤波电 路的分布式光纤测温系统。

背景技术：

分布式光纤测温系统广泛应用于需要对温度进行长距离在线监测的场 所，如天然气石油行业中的油气储罐和输送管线，电力行业中的发电厂、变电 站和电力电缆线路，交通运输行业中的高速公路和铁路隧道，以及城市的地下 综合管廊等。而分布式光纤测温系统受硬件计算能力的限制，其测温精度和响 应速度不能同时达到最优。当测温精度高时，需要更长时间进行信号处理，响 应速度相对较慢。实际应用中，有的场合要求响应速度快，而对测温精度要求 不高，如铁路隧道的火灾监测；有的场合优先要求测温精度高，其次考虑响应 速度，如电力电缆的温度监测。因此，应对不同的场合的要求，灵活调整测温 精度和响应时间，具有实际使用意义。

以下先简述分布式光纤温度传感系统的原理：分布式光纤温度传感系统 基于光的拉曼散射原理和OTDR技术，光纤(通常制作成光缆)既是温度传感 元件，也是信号传输元件。分布式光纤温度传感系统利用了光纤的拉曼散射光 对温度的敏感性，即光纤铺设空间位置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。分布 式光纤温度传感系统的组成一般包括窄脉冲激光器、光调合器、分光器、光滤 波器、光电探测器、信号放大模块、数据采集模块及系统处理器。由于拉曼散 射光十分微弱，因此通常采用有放大作用的APD(雪崩光电二极管)作为光电 探测器。APD输出的电信号仍然是微弱的，淹没在噪声中，信噪比很差。系统 中的噪声包括APD产生的暗电流噪声，光源产生的ASE噪声，以及系统中元件 产生的白噪声等。对于白噪声的消除，传统的方法是多次采集信号，然后把这 些信号累加后再平均。理论分析采用平均方法可以有效降低噪声(噪声互相消 除)，但累加平均的方法耗时较长，且消除白噪声的能力有极限；计算机处理速 度也限制了去噪水平，白噪声的影响仍然明显，系统信噪比不理想。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：提供一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温系 统，其在于提高分布式光纤测温系统信噪比和应对不同使用场景的灵活性。

为了达到上述目的，本实用新型采用一种含自适应滤波电路的分布式光 纤测温系统，其特点是采用了FPGA设计的变步长自适应滤波电路来进行降噪 处理。

本实用新型概括地讲是通过以下措施达到：自适应滤波器的系数是由自 适应算法更新的时变系数，即其系数自动连续地适应于给定信号，以获得期望 响应。自适应滤波器的最重要的特征就在于它能够在未知环境中有效工作，并 能够跟踪输入信号的时变特征。变步长自适应滤波算法的步长调整原则是：当误 差比较大时，采用较大的步长，以加快收敛速度；当误差比较小时，采用较小的 步长，以获取较小的均方误差。与各种串行结构芯片相比，FPGA的设计结构 与自适应滤波器的分布式算法相适应，可以节约资源，提升处理效率，实现其 在对实时性要求更高的系统中使用。

一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温系统，其特征是：窄脉冲激光 器1与光调合器2、参考光纤盒3、传感光纤4依次相连；光调合器2由光纤与分光 器5连接，分光器5的两个输出端分别连接A反斯托克斯光滤波器6和B反斯托克 斯光滤波器7，将A反射光分为斯托克斯光滤波器6和B反斯托克斯光滤波器7的 各自输出端，分别与第一APD放大模块8和第二APD放大模块9的输入端相连； 第一APD放大模块8和第二APD放大模块9的各自输出端与高速AD采集模块10 的两输入端相连；高速AD采集模块10的同步出发端口与窄脉冲激光器1连接； 高速AD采集模块10、FPGA数据处理模块11、FPGA自适应滤波电路12、上位 机13依次连接，其中FPGA数据处理模块11的偏压调接口与第二APD放大模块9 另一端口连接，第二APD放大模块9与第一APD放大模块8连接。

其特征是：所述参考光纤盒3内集成了温度自校准模块和温度传感器， 可以测出现场温度后用于系统标定。

其特征是：所述FPGA数据处理模块11具有两个偏压调接口，第一APD 放大模块8和第二APD放大模块9各具有一个偏压调节输入端口，FPGA数据 处理模块11均可以对第一APD放大模块8和第二APD放大模块9进行偏压节。

其特征是：所述FPGA自适应滤波电路12，基于FPGA设有可调整精度 要求和算法步长的自适应滤波电路。

本实用新型具有以下优点：降低了系统噪声，提高了系统信噪比，提高 了系统的测温精度，信号处理速度快，适用场合广泛。

附图说明

图1是本实用新型原理框线图；图2是本实用新型工作流程框线图。

附图中标记说明：1.窄脉冲激光器；2.光调合器；3.参考光纤盒；4.传 感光纤；5.分光器；6.A反斯托克斯光滤波器；7.B反斯托克斯光滤波器；8.第 一APD放大模块；9.第二APD放大模块；10.高速AD采集模块；11.FPGA 数据处理模块；12.FPGA自适应滤波电路；13.上位机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本发明采用一种基于变步长自适应滤波法的分布式光纤温度传感系统 降噪方法，系统各个部分功能如下：所述窄脉冲激光发生器1用于发出窄脉冲 激光，窄脉冲激光发生器1的功率可调，发出的窄脉冲激光频率以及脉冲宽度 也可调；窄脉冲激光通过光调合器2和参考光纤盒(定型产品，含温度自校准 模块)3进入传感光纤4，并沿着传感光缆向前传输，同时在光缆内部产生后向 传输的拉曼散射光；拉曼散射光向后沿着光缆传输，回到光调合器2，并进入 分光器5；

所述窄脉冲激光器1由高速AD采集模块10产生的同步驱动信号驱动， 使得高速AD采集模块10得以在正确的时刻采集有用信号；

所述参考光纤盒3内集成了温度自校准模块，含有温度传感器，可以测 出现场温度后用于系统标定；

所述光调合器2，其功能是：使得窄脉冲激光可以从窄脉冲激光器1 通过光调合器2，只能进入到参考光纤盒3，但不能进入分光器5内；使得拉曼散 射光可以从参考光纤盒3通过光调合器2，只能进入到分光器5，但不能进入到窄 脉冲激光光源1；

所述传感光纤4，其功能是探测光纤所处环境的温度变化。当光缆所处 环境温度发生变化时，其内部的拉曼散射光强度也发生变化，根据这一变化， 就可以解调出光缆所处环境的温度信息；

所述分光器5，将拉曼散射光传给A反斯托克斯光滤波器6和B斯托克斯 光滤波器7；

所述第一APD放大模块8和第二APD放大模块9，其功能是把光信号转 变成电信号后，进行放大，其偏置电压可调；

所述高速AD采集模块10，具有高速AD采集功能和输出同步触发信号 的功能；

所述FPGA数据处理模块11，具有信号累加平均的功能；所述FPGA数 据处理模块11具有两个偏压调节输出端口，第一APD放大模块8和第二APD放大 模块9各具有一个偏压调节输入端口，FPGA数据处理模块11可以对第一APD放 大模块8和第二APD放大模块9进行偏压调节；

所述FPGA自适应滤波电路12，基于FPGA设计了可调整精度要求和算 法步长的自适应滤波电路；

所述上位机13，其功能是完成温度信息的解调，温度曲线的显示和数 据库管理等功能。

本实用新型工作流程，概括为如下步骤，或如图2所示：

步骤一，设置精度要求和自适应滤波器的初始算法步长；

步骤二，启动系统，第一APD放大模块8和第二APD放大模块9输出同步触 发信号触发窄脉冲激光器1，并采集数据，将模拟电压信号转换为数字信号；

步骤三，FPGA数据处理模块11将采集到的两路光信号的电压值进行累加 平均；

步骤四，FPGA自适应滤波电路12对信号进行自适应滤波；

步骤五，检查精度是否满足条件，若否，则减少算法步长后，重复步骤四； 若是，进入步骤六；

步骤六，将处理后的数据送入上位机13进行温度解调运算，获取传感光缆所 在的每个位置的温度信息，进行温度曲线的显示，并存储在数据库中。

本实用新型采用的变步长自适应滤波算法在误差比较大时，采用较大 的步长，以加快收敛速度；当误差比较小时，采用较小的步长，以获取较小的均 方误差。基于FPGA设计的变步长自适应滤波器，可以调整精度要求和算法步 长，能节约系统资源，提升处理效率，灵活性好。

以上显示和描述的是本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型 的优点，本行业的技术人员应该了解本实用新型不受上述特征的限制，上述特 征和说明书中描述的只是说本实用新型的原理，在不脱离本实用新型原理和范 围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入由本 实用新型所附的权利要求及其等效物界定的保护范围内。