专利名称：一种带协处理器的分布式光纤测温系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及分布式光纤测温系统技术领域，尤其涉及一种带协处理器的分布式光纤测温系统技术领域。
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�。绻匪淼�、地铁隧道、电カ电厂的动カ电缆隧道、石油化工储油罐等现场。目前DTS系统的应用领域按测温精度技术指标要求主要分为两种，第一种是要求快速响应但测温精度要求不高(如测温精度为±5°C )的应用，例如公路隧道等消防监测现�。坏诙质嵌圆馕孪煊λ俣让挥幸�(例如要求每30分钟响应一次)，但对测温精度要求很高(如测温精度为±0. 1°C)的应用，例如动カ电缆温度监测、储油罐温度监测、海底油井温度监测。由于第一种应用对测温精度要求比较低，一般厂家制造的DTS系统完全可以满足要求；而第二种应用对测温精度要求比较高，通常需要对信号进行复杂的滤波处理，即提高DTS系统的测温精度，也就是如何降低系统噪声。这ー技术已经成为高校院所及厂家大力研究的重点，这些研究包括对信号进行滤波和系统硬件平台的改进等。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，因此光电转换(一般采用Aro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。传统的信号提取方法是多次采集信号，然后把这些信号累加后再平均，则可以有效降低噪声。但是DTS系统主要噪声是白噪声，白噪声是宽带噪声，也就是其带宽很宽，通过累加和平均方法，可以有效消除大部分，但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，也就是温度精度不够高。为了改善系统信噪比，提高系统DTS系统测温精度，目前主要采用FFT变换、小波变换等算法。但是，这些算法都比较复杂，需要比较好的硬件平台才能使得这些算法付诸实践。因此建立一个硬件平台，使得系统能够灵活地对数据进行处理，既能满足低精度快响应要求，也能满足高精度(支持复杂算法)慢响应要求，这对分布式光纤测温技术的发展具有重要意义。
实用新型内容为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出一种带协处理器的分布式光纤测温系统，以方便系统对信号进行滤波来提高信噪比，提高系统对对信号处理的灵活性。为了达到上述目的，本实用新型采用ー种带协处理器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�？�、高速数据采集及累加�？榧跋低持骰稣龀寮す夤庠床恼龀寮す馔ü庀瞬ǚ指从民詈掀鹘氪泄饫拢谒龃泄饫履诓睦⑸涔饩庀瞬ǚ指从民詈掀鹘牍獾缣讲馄鳎獾缱缓蠼胄⌒藕欧糯竽？榻行藕欧糯螅糯蠛蟮男藕沤敫咚偈莶杉袄奂幽？橥瓿傻缧藕拍Ｄ獾绞值淖徊⑹迪质莶杉缓蠼杉降氖菔淙氲较低持骰涮卣髟诟伤龈咚偈莶杉袄奂幽？榛沽佑懈咚傩砟？�。所述高速协处理�？榘ǖ谝桓咚偈莼捍婺？�、第二高速数据缓存�？橐约案咚俅砥�。系统各个部分功能如下所述窄脉冲激光光源，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进入传感光缆，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，并进入光电探测器，产生光电转换。 所述光纤波分复用耦合器，其功能是1、使得脉冲激光可以从多窄脉冲激光光源通过光纤波分复用耦合器，只能进入到传感光缆，但不能进入到光电探测器；2、使得拉曼散射光可以从传感光缆通过光纤波分复用耦合器，只能进入到光电探测器，但不能进入到多窄脉冲激光光源。所述传感光缆，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。进一步地，所述传感光缆沿着需要监测的防区铺设，其长度通常在几公里到十几公里。所述APD (光电探测器)，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的电信号。所述小信号放大�？椋涔δ苁嵌怨獾缣讲馄鞑奈⑷醯缧藕欧糯�。所述高速数据采集及累加�？椋涔δ苁峭瓿傻缧藕拍Ｄ獾绞值淖徊⑹迪质莶杉蝗绻枰允萁性ご恚虬巡杉降氖菹人偷礁咚傩砟？榻行藕诺脑ご恚缓笤俣允萁欣奂樱蝗绻恍枰允萁性ご恚蛑苯影巡杉降氖萁欣奂�。累加结果输出到系统主机。进一步地，所述高速数据采集及累加�？榘ǜ咚倌Ｊ黄�(ADC)和高速FPGA，高速模数转换器实现模拟信号到数字信号的转换，通常采样率达到IOOMHz ;高速FPGA负责数据采集和数据累加，并根据需要，把数据送入高速协处理�？榻性ご�。进一步地，所述高速数据采集及累加�？橹饕昧� FPGA速度快、并行处理能力强、便于实现流水线处理的特点，适合于进行数据采集、流水线累加以及并行数据传输等处理。所述高速协处理模块，其功能是完成信号的预处理。所述信号预处理通常是对信号进行滤波，例如FFT运算，小波变换等。所述高速协处理�？槭沟孟低扯孕藕诺拇淼牧榛钚源蟠笤黾樱焕缍杂诓馕滤俣纫蟊冉峡於馕戮纫蟛桓叩挠τ�(例如消防现场)，则可以选择对信号不做预处理而直接进行累加；对于测温速度要求比较低而测温精度要求比较高的应用(例如动力电缆温度监测、储油罐温度监测、海底油井温度监测)用选择协处理器对信号进行滤波，例如对信号做小波变换，滤波，然后做小波重构，从而获得信噪比比较高的信号。所述第一高速数据缓存�？楹偷诙咚偈莼捍婺？椋涔δ苁腔捍媸荩ǔ２捎肍IFO(先进先出存储器)实现，使得不同的处理器接口传输速度得到匹配。所述高速数据处理器，其功能是实现信号的预处理，通常是指对信号进行滤波。对DTS系统信号，信号预处理可以采用FFT变换或者小波变换等算法进行滤波，这些算法具有运算量大、结构复杂、内存开销大等特点，因此高速数据处理器通常采用DSP等专用信号处理器件实现。所述系统主机(PC机或エ控机)，其功能是完成温度解调、温度曲线显示、产生报
警信息等处理。进ー步地，所述窄脉冲激光光源和高速数据采集�？槭歉萃叫藕爬葱ぷ鞯模叫藕诺淖饔檬鞘沟酶咚偈莶杉？榈靡栽谡返氖笨滩杉杏眯藕拧Ｍ叫藕攀锹龀逍藕牛哂幸欢ǖ闹馗雌德剩缰馗雌德饰�2kHz ;同步信号可由光源产生或由高速数据采集�？椴�。当同步信号产生时，光源产生脉冲激光，这时高速数据采集模块采集到的一段数据是有效的，数据长度与系统所配置的光缆长度有关，例如每ー米光缆对应一个数据。 所述ー种带协处理器的分布式光纤测温系统通过如下步骤实现第一歩，当同步脉冲产生时，窄脉冲激光光源产生窄脉冲激光，该脉冲激光通过光纤波分复用耦合器后进入传感光缆，并产生拉曼散射光；第二步，拉曼散射光通过传感光缆向后传输，经过光纤波分复用耦合器后到达光电探测器并产生光电转换，从而获得微弱电信号；第三歩，该微弱电信号经小信号放大�？榉糯蠛蠼敫咚偈莶杉袄奂幽？椋坏谒臍i，高速数据采集及累加�？橥瓿啥孕藕诺牟杉竦眯藕诺脑际荩徽庑┦莅杏眯藕藕驮肷坏谖宀剑咚偈莶杉袄奂幽？榘巡杉降男藕诺脑际菟腿敫咚傩砟？榻新瞬ǎ坏诹剑咚傩砟？槔眯藕糯砺瞬ㄋ惴ǘ孕藕诺脑际萁新瞬ǎ韵录父霾街� 步骤I，对原始数据进行某种数学变换，例如FFT变换或小波变换。步骤2，对变换后的数据进行滤波，滤除掉原始信号中的噪声分量。步骤3，对滤波后的信号进行反变换，获得滤波后的时域信号。步骤I 步骤3达到消除部分噪声的目的，即抑制噪声，在实际信号中恢复比较真实的信号。但是，仍有部分噪声混合在信号中，仍需要传统的累加后平均处理方法进行处理；第七歩，高速协处理�？榘崖瞬ê蟮氖莘⒒馗咚偈莶杉袄奂幽？椋坏诎瞬剑咚偈莶杉袄奂幽？榘崖瞬ê蟮氖萁欣奂樱馗吹谝粴i到第八步，直到系统设定的累加次到达；例如系累加次数为10000次，则重复第一歩到第八步10000 次；第九步，累加次数达到后，系统获得ー组经滤波并累加后的数据，高速数据采集及累加模块把这组数据传输给系统主机；第十歩，系统主机用温度解调算法解调出温度信号，并显示在监视器上。本实用新型的有益效果在于采用高速协处理�？椋沟梅植际焦庀瞬馕孪低扯孕藕糯淼牧榛钚源蟠筇岣撸低臣瓤梢圆欢孕藕沤新瞬ǘ愕途瓤煜煊Φ挠τ靡螅灰部梢圆捎眯砥鞫孕藕沤新瞬ǘ岣咝旁氡龋佣岣呦低巢馕戮龋愀呔鹊挠τ靡�。同样的系统，只需要做不同的配置，就可以满足不同的应用场合，从而解决了针对不同的应用要求使用不同系统的问题。
图I为本实用新型结构示意图。主要组件符号说明I、窄脉冲激光光源；7、高速协处理�？椋�2、光纤波分复用耦合器；71、第一高速数据缓存�？椋�3、传感光缆；72、第二高速数据缓存�？椋�4、APD(光电探测器)；73、高速数据处理器；5、小信号放大�？椋�8、系统主机；6、高速数据采集及累加模块；具体实施方式
以下结合附图I进一步说明本实用新型的具体实施步骤。实施例I :针对高精度慢响应的要求，以小波变换滤波作为例子来对具体实施方式
作进一步详细说明。小波变换是一种信号的时频分析，它具有多分辨率的特点，可以方便地从混有强噪声的信号中提取原始信号，被誉为分析信号的显微镜。试验表明，小波变换对弱信号的提取具有良好的效果，即小波变换可以有效地对DTS系统信号进行滤波，提高系统信噪比，从而提高系统精度。采用小波变换作为滤波，具体实现的步骤如下第一步，当同步脉冲产生时，窄脉冲激光光源I产生窄脉冲激光,该脉冲激光通过光纤波分复用耦合器2后进入传感光缆3，并产生拉曼散射光；第二步，拉曼散射光通过传感光缆3向后传输，经过光纤波分复用耦合器2后到达光电探测器4并产生光电转换,从而获得微弱电信号；第三步，该微弱电信号经小信号放大模块5放大后进入高速数据采集及累加�？�6 ；第四步，高速数据采集及累加�？�6完成对信号的采集，获得信号的原始数据，这些数据包含有用信号和噪声；第五步，高速数据采集及累加�？�6把采集到的信号的原始数据送入高速协处理�？�7进行滤波。第六步，高速协处理�？�7对信号的原始数据进行滤波，包含以下几个步骤步骤1，对原始数据进行小波分解，分解层次为N，取N = 4，则噪声部分通常包含在闻频中；步骤2，对小波分解的高频系数进行门限阈值量化处理，例如高频系数大于门限阀值时使之归0 ;步骤3，根据小波分解的第4层低频系数和经过量化后的I 4层高频系数进行小波重构；上述步骤I 步骤3达到消除部分高频噪声的目的，即抑制了噪声，在实际信号中恢复比较真实的信号。但是，那些混合在第4层低频系数中的噪声通过小波变换滤波还没法消除，仍然需要传统的累加后平均处理方法进行处理。第七歩，高速协处理�？�7把滤波后的数据发回高速数据采集及累加�？�6。第八歩，高速数据采集及累加�？�6把滤波后的数据进行累加，重复第一歩到第八步，直到系统设定的累加次到达，例如系累加次数为10000次，则重复第一歩到第八步10000 次；第九步，累加次数达到后，系统获得ー组经滤波并累加后的数据，高速数据采集及累加�？�6把这组数据传输给系统主机8。第九歩，系统主机8用温度解调算法解调出温度信号，并显示在监视器上。实施例2 :下面针对低精度快响应的要求对具体实施方式
作进ー步详细说明。 由于对测温精度要求较低而对响应速度要求较快，DTS系统对信号的处理一般采用直接累加后平均的方式，不需要对原始信号进行滤波处理。具体实现的步骤如下第一歩，当同步脉冲产生时，窄脉冲激光光源I产生窄脉冲激光,该脉冲激光通过光纤波分复用耦合器2后进入传感光缆3，并产生拉曼散射光；第二歩，拉曼散射光通过传感光缆3向后传输，经过光纤波分复用耦合器2后到达光电探测器4并产生光电转换,从而获得微弱电信号；第三步，该微弱电信号经小信号放大�？�5放大后进入高速数据采集及累加�？�6 ；第四步，高速数据采集及累加�？�6完成对信号的采集，获得信号的原始数据；这些数据包含有用信号和噪声。第五歩，高速数据采集及累加�？�6对信号原始数据进行累加。重复第一歩到第五步，直到系统设定的累加次数到达，例如系统累加次数为10000次，则重复第一歩到第五步10000次；第六歩，累加次数达到后，高速数据采集及累加�？�6把这组数据传输给系统主机8。第七歩，系统主机8用温度解调算法解调出温度信号，并显示在监视器上。
权利要求1.一种带协处理器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、光电探测器、小信号放大�？椤⒏咚偈莶杉袄奂幽？榧跋低持骰稣龀寮す夤庠床恼龀寮す馔ü庀瞬ǚ指从民詈掀鹘氪泄饫拢谒龃泄饫履诓睦⑸涔饩庀瞬ǚ指从民詈掀鹘牍獾缣讲馄鳎獾缱缓蠼胄⌒藕欧糯竽？榻行藕欧糯螅糯蠛蟮男藕沤敫咚偈莶杉袄奂幽？橥瓿傻缧藕拍Ｄ獾绞值淖徊⑹迪质莶杉缓蠼杉降氖菔淙氲较低持骰涮卣髟诟伤龈咚偈莶杉袄奂幽？榛沽佑懈咚傩砟？�。
2.根据权利要求I所述的ー种带协处理器的分布式光纤测温系统，其特征在于所述高速协处理�？榘ǖ谝桓咚偈莼捍婺？�、第二高速数据缓存�？橐约案咚俅砥�。
专利摘要本实用新型公开了一种带协处理器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、光电探测器、小信号放大�？�、高速数据采集及累加�？榧跋低持骰涮卣髟谟诨拱ǜ咚傩砟？椤１臼涤眯滦偷挠幸嫘Ч谟谠谙低持胁捎酶咚傩砟？椋沟梅植际焦庀瞬馕孪低扯孕藕糯淼牧榛钚源蟠筇岣撸低臣瓤梢圆欢孕藕沤新瞬ǘ愕途瓤煜煊Φ挠τ靡螅灰部梢圆捎眯砥鞫孕藕沤新瞬ǘ岣咝旁氡龋佣岣呦低巢馕戮龋愀呔鹊挠τ靡�。同样的系统，只需要做不同的配置，就可以满足不同的应用场合，从而解决了针对不同的应用要求使用不同系统的问题。
文档编号G01K11/32GK202420710SQ20112047074
公开日2012年9月5日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22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
