专利名称：一种基于fft的分布式光纤测温系统降噪方法
技术领域：
本发明涉及分布式光纤测温系统的技术领域，尤其涉及一种基于FFT的分布式光 纤测温系统降噪方法。
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�。绻� 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 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系统组成一 般包括大功率脉冲激光光源、光纤波分复用稱合器、传感光缆、光电探测器、信号放大模块、 数据采集�？榧跋低持骰�(PC机或工控机)。由于DTS是分布式的，即光缆连续地铺设在 需要监测的现�。揖嗬虢铣�(通常是几公里)，相比与其他测温系统，DTS具有明显的优 势。
目前DTS系统完全满足公路、隧道等测温精度要求比较低的的火灾监控场所的应 用要求；但是对于像电力电厂的动力电缆载流量监测等对温度精度要求比较高的应用场 合，目前国内厂家研制的DTS系统尚不能满足应用要求。因此如何提高DTS系统的测温精 度，也就是如何降低系统噪声，成为国内高校院所及厂家大力研究的重点。
DTS系统根据拉曼散射来原理来解调温度信息，由于拉曼散射光十分微弱，因此光 电转换(一般米用APD作为光电转换器)后产生的电信号也很微弱,信号几乎全部淹没在 噪声中。这些噪声中除了 APD产生的暗电流噪声和光源产生的ASE噪声外，还有APD及电路 系统产生的白噪声。APD暗电流噪声和ASE噪声可以用电路的交流耦合去除一些，而对白噪 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)。但是白噪声是宽带噪声，也就是说其带宽很宽， 通过累加和平均方法，可以消除一部分，但是白噪声的影响还是很明显，系统信噪比还是不 理想，因此系统解调出来的温度信号其噪声也比较大，也就是测温精度不够高。此外，采用 累加后平均的方法，测量时间随着累加次数的增加而增加。
FFT变换(快速傅里叶变换)是数字信号处理领域一种很重要的算法，一般用来分 析信号的频谱，在实际应用中，可以用来对信号进行滤波，例如，用来滤除某一个频段的信号。发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于FFT的分布式光纤测温系 统降噪方法，该方法采用FFT变换，去除系统带宽之外的噪声，有效降低噪声，提高系统信 噪比，从而提高测温精度。
为了达到上述目的，本发明采用一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法，所述一种基于FFT的分布式光纤测温系统包括窄脉冲激光光源、光纤波分复用耦合器、传 感光缆、APD(光电探测器)、小信号放大�？�、数据采集�？榧跋低持骰�(PC机或工控机)。
根据理论分析，DTS系统的噪声主要包含了 APD暗电流噪声、光源ASE噪声和系统 电路产生的白噪声。APD暗电流噪声、光源ASE噪声是接近于直流的低频噪声，可采用交流 耦合电路有效地降低；而白噪声是带宽很宽的噪声，实验表明DTS系统信号的高频分量(主 要是白噪声)有比较高的能量存在；另一方面，DTS系统有效的温度信号其带宽也比较宽， 从低频到高频部分一直都有信号分布，实验表明，温度信号的能量主要集中在几十Hz到几 十MHz范围内。因此，对采集到的信号通过FFT进行滤波，即先进行FFT变换，然后把系统 频带外的信号滤除，再进行FFT反变换，就可以获得滤波后比较干净的信号，从而提高系统 信噪比。
一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法，包括如下步骤
步骤一，当同步信号产生时系统采集一段有效数据，即获得光缆上每个位置(如 每一米)的数据(如温度信号等)；
步骤二，对步骤一采集到的数据做FFT变换，获得信号(包括噪声)的频域信息；
步骤三，对信号的频域信息进一步分析，把接近于直流(如频率小于IOHz)的信号 分量和高频(如频率大于50MHz)信号分量的频谱值置0，其他频带分量的信号的频谱值保 持不变；
这一步把温度信号频带外的噪声滤除，也就是对信号进行滤波；
步骤四，把滤波后的信号的频谱分量进行FFT逆变换，获得滤波后重构的时域信 号;
此时信号已经滤除了信号频带外的噪声，信噪比已获得较大提高；
步骤五，对滤波后的时域信号做传统的累加处理，即重复步骤一至步骤四，并把每 次处理的结果(即步骤四的结果)进行累加，直到累加次数达到系统设定的次数。通常累 加次数高达数万次(也就是重复步骤一至步骤四数万次)。
步骤六对步骤五所获得的累加结果做平均处理，即累加结果除以累加次数。
步骤七，把经过滤波并且经过累加平均处理后的数据送入计算机进行温度解调运 算，获取系统传感光缆所在的每个位置的温度信息。
采用本发明所述的方法的有益效果在于系统噪声大大降低，大幅度提高了系统 信噪比，从而使得系统的测温精度得到了较大的提高。
图1为本发明系统结构示意图。
具体实施式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式
。
本发明采用一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法，所述一种基于FFT的 分布式光纤测温系统包括窄脉冲激光光源1、光纤波分复用耦合器2、传感光缆3、APD (光电 探测器)4、小信号放大�？�5、数据采集�？�6及系统主机7 (PC机或工控机)。
系统各个部分功能如下
所述窄脉冲激光光源I，其功能是产生窄脉冲激光，窄脉冲激光通过光纤波分复用耦合器2进入传感光缆3，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，回到光纤波分复用耦合器2，并进入光电探测器4， 产生光电转换。
所述光纤波分复用耦合器2，其功能是使得窄脉冲激光可以从窄脉冲激光光源I 通过光纤波分复用耦合器2，只能进入到传感光缆3，但不能进入到光电探测器4 ;使得拉曼 散射光可以从传感光缆3通过光纤波分复用耦合器2，只能进入到光电探测器4，但不能进 入到多窄脉冲激光光源I。
所述传感光缆3，其功能是探测光缆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APD (光电探测器)4，其功能是把光信号转变成电信号；通常光信号是功率微 弱的光信号，转变成的电信号也是微弱电信号。
所述小信号放大�？�5,其功能是对光电探测器产生的微弱电信号放大和滤波。
所述数据采集�？�6，其功能是完成电信号模拟到数字的转换(即数据采集)，并 做累加处理，然后把处理好的数据传输到系统主机7。
所述系统主机7(PC机或工控机)，其功能是完成温度信息的解调，温度曲线的显示等处理。
进一步地，所述窄脉冲激光光源I和数据采集�？�6是根据同步信号来协同工作 的，同步信号的作用是使得数据采集�？榈靡栽谡返氖笨滩杉杏眯藕�。同步信号是脉 冲信号，具有一定的重复频率，例如重复频率为2kHz ;同步信号可由光源产生或由数据采 集�？椴�。当同步信号产生时，光源产生脉冲激光，这时数据采集�？椴杉降囊欢问� 是有效的，数据长度与系统所配置的光缆产度有关，例如每一米光缆对应一个数据。
一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法，包括如下步骤
步骤一，当同步信号产生时系统采集一段有效数据，即获得光缆上每个位置(如 每一米)的数据(如温度信号等)。进一步地，数据长度与系统所配置的光缆长度有关，例 如每一米光缆对应一个数据。
步骤二，对步骤一采集到的数据做FFT变换，获得信号(包括噪声)的频域信息。
步骤三，对信号的频域信息进一步分析，把接近于直流(如频率小于IOHz)的信号 分量和高频(如频率大于50MHz)信号分量的频谱值置0，其他频带分量的信号的频谱值保 持不变。这一步把温度信号频带外的噪声滤除，也就是对信号进行滤波。
步骤四，把滤波后的信号的频谱分量进行FFT逆变换，获得滤波后重构的时域信 号。此时信号已经滤除了信号频带外的噪声，信噪比已获得较大提高。
步骤五，对滤波后的时域信号做传统的累加处理，即重复步骤一至步骤四，并把每 次处理的结果(即步骤四的结果)进行累加，直到累加次数达到系统设定的次数。通常累 加次数高达数万次(也就是重复步骤一至步骤四数万次)。
步骤六对步骤五所获得的累加结果做平均处理，即累加结果除以累加次数。
步骤七，把经过滤波并且经过累加平均处理后的数据送入计算机进行温度解调运 算，获取系统传感光缆所在的每个位置的温度信息。
以上显示和描述的是本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解本发明不受上述方法的限制，上述方法和说明书中描述的只是说本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入由本发明所附的权利要求书及其等效物界定的保护范围内 。
权利要求
1.一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法，其特征在于包括以下步骤 步骤一，当同步信号产生时系统采集一段有效数据，即获得光缆上每个位置的数据； 步骤二，对步骤一采集到的数据做FFT变换，获得信号的频域信息； 步骤三，对信号的频域信息进一步分析，把接近于直流的信号分量和高频信号分量的频谱值置O，其他频带分量的信号的频谱值保持不变； 步骤四，把滤波后信号的频谱分量进行FFT逆变换，获得滤波后重构的时域信号；步骤五，对滤波后的时域信号做传统的累加处理，即重复步骤一至步骤四，并把每次处理的结果(即步骤四的结果)进行累加，直到累加次数达到系统设定的次数。
步骤六，对步骤五所获得的累加结果做平均处理，即累加结果除以累加次数。
步骤七，把经过滤波并且经过累加平均处理后的数据送入计算机进行温度解调运算，获取系统传感光缆所在的每个位置的温度信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法，所述方法通过对采集到的信号通过FFT进行滤波，即先进行FFT变换，然后把系统频带外的信号滤除，再进行FFT反变换，就可以获得滤波后比较干净的信号。该方法采用FFT变换，去除系统带宽之外的噪声，有效降低噪声，提高系统信噪比，从而提高测温精度。
文档编号G01K11/32GK103033284SQ201110294759
公开日2013年4月10日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者黄正 申请人:上海华魏光纤传感技术有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
