采用頻率調(diào)制技術(shù)提高空間分辨率的分布式光纖溫度探測器及方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種采用頻率調(diào)制技術(shù)提高空間分辨率的分布式光纖溫度探測器及方法，其中探測器包括電光調(diào)制器、DFB激光器、波分復(fù)用器、探測光纜、探測電路、采樣電路和數(shù)字信號(hào)處器；電光調(diào)制器輸出正弦調(diào)制信號(hào)，并控制激光器的輸出光；激光器的輸出光接入波分復(fù)用器；波分復(fù)用器的兩個(gè)輸出分別接入探測光纜和探測電路；探測電路的輸出接入采樣電路；采樣電路的輸出接入數(shù)字信號(hào)處器，數(shù)字信號(hào)處器控制電光調(diào)制器的啟停；電光調(diào)制器調(diào)制輸出的正弦調(diào)制信號(hào)的正弦波從0相位開始啟動(dòng)并攜帶偏置信號(hào)，電光調(diào)制器的啟動(dòng)頻率為1kHz，步進(jìn)1kHz，按照步進(jìn)的方式連續(xù)調(diào)制；當(dāng)調(diào)制頻率切換時(shí)，相位保持0相位不變，偏置信號(hào)保持不變。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉分布式光纖溫度探測器
，尤其涉及一種提高分布式光纖溫度探測器空間分辨率的方法。
技術(shù)介紹
分布式光纖溫度探測器是近年來發(fā)展的一種用于實(shí)時(shí)測量空間溫度分布的光纖傳感系統(tǒng)。目前來說，該傳感器相對(duì)成熟，但是仍存在不完善的地方。特別是需要高空間分辨率的地方，該系統(tǒng)離需求還有很大差距。傳統(tǒng)的脈沖式分布式光纖傳感器的空間分辨率R按照如下公式計(jì)算：R＝Max(Rpulse,RA/D,Ramp)其中Rpulse脈沖寬度，RA/D采樣速率，Ramp模擬帶寬a)脈沖寬度：在脈沖式分布式光纖溫度探測器系統(tǒng)中，普遍光纖激光器作為光源輸出，其脈沖寬度可以調(diào)節(jié)，一般從10nS-100nS可調(diào),脈沖寬度越小，理論空間分辨率越高。再往小調(diào)整，會(huì)造成光功率急劇損耗和非線性效應(yīng)，為了兼顧空間分辨率和光功率，應(yīng)用中普遍采用10nS脈沖寬度作為基礎(chǔ)脈沖，對(duì)應(yīng)1米的空間分辨率。b)采樣速率：根據(jù)采樣定理，采樣頻率為信號(hào)頻率的2倍以上，可以捕獲信號(hào)；要比較完整地恢復(fù)原始信號(hào)，一般要求采樣頻率在5倍以上。目前該系統(tǒng)采樣頻率最高可以做到250MHz，對(duì)應(yīng)0.4米空間分辨率。c)模擬帶寬：在脈沖式分布式光纖溫度探測器系統(tǒng)中，拉曼信號(hào)僅為輸入光10-7，信號(hào)及其微弱，我們知道，放大電路的增益帶寬乘積是固定的，提高了放大倍數(shù)就必然降低模擬帶寬，模擬帶寬低則高速小信號(hào)通不過或者劇烈衰減，這樣會(huì)造成信號(hào)大幅度衰減。目前的分布式光纖溫度探測器系統(tǒng)中，模擬帶寬一般在100MHz左右，對(duì)應(yīng)1米空間分辨率。脈沖寬度、采樣速率和模擬帶寬受制于硬件參數(shù)，不可能無限提高，為了提高空間分辨率，提出一種采用頻率調(diào)制技術(shù)，提高分布式光纖溫度探測器的空間分辨率的方法，本技術(shù)實(shí)現(xiàn)的分布式光纖溫度探測器相對(duì)于傳統(tǒng)的分布式光纖溫度探測器空間分辨率提高到0.1米。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的專利技術(shù)目的在于采用頻率調(diào)制技術(shù)提高分布式光纖溫度探測器的空間分辨率。本專利技術(shù)為達(dá)到上述目的所采用的技術(shù)方案是：提供一種采用頻率調(diào)制技術(shù)提高空間分辨率的分布式光纖溫度探測器，包括電光調(diào)制器、DFB激光器、波分復(fù)用器、探測光纜、探測電路、采樣電路和數(shù)字信號(hào)處器；其中：電光調(diào)制器輸出正弦調(diào)制信號(hào)，并控制DFB激光器的輸出光；DFB激光器的輸出光接入波分復(fù)用器；波分復(fù)用器的第一輸出接入探測光纜，波分復(fù)用器的第二輸出接入探測電路；探測電路的輸出接入采樣電路；采樣電路的輸出接入數(shù)字信號(hào)處器，數(shù)字信號(hào)處器控制電光調(diào)制器的啟停；電光調(diào)制器調(diào)制輸出的正弦調(diào)制信號(hào)的正弦波從0相位開始啟動(dòng)并攜帶偏置信號(hào)，電光調(diào)制器的啟動(dòng)頻率為1kHz，步進(jìn)1kHz，按照步進(jìn)的方式連續(xù)調(diào)制；當(dāng)調(diào)制頻率切換時(shí)，相位保持0相位不變，偏置信號(hào)保持不變。本專利技術(shù)所述的布式光纖溫度探測器中，采樣電路根據(jù)正弦調(diào)制信號(hào)在探測光纜中的傳輸時(shí)間，對(duì)探測光纜反射的光信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣16點(diǎn)并做排序篩選，并記錄一個(gè)中值信號(hào)；每個(gè)調(diào)制頻率記錄一個(gè)采樣中值，從1kHz至1GHz，總計(jì)記錄1M個(gè)采樣中值，1M個(gè)采樣中值按照時(shí)間先后順序排列。本專利技術(shù)所述的布式光纖溫度探測器中，1M采樣中值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)字信號(hào)處器內(nèi)，數(shù)字信號(hào)處器對(duì)所有的采樣信號(hào)進(jìn)行FFT逆變換把采樣信號(hào)從頻率換算回時(shí)域，然后根據(jù)拉曼信號(hào)解算方法計(jì)算出時(shí)間間隔上的對(duì)應(yīng)溫度，以實(shí)現(xiàn)不同距離下光纜的溫度探測。本專利技術(shù)所述的布式光纖溫度探測器中，數(shù)字信號(hào)處器通過FPGA實(shí)現(xiàn)，開辟多個(gè)通道將1M個(gè)數(shù)據(jù)分為多個(gè)通道分布式處理，且采用流水線處理方式，數(shù)據(jù)不停進(jìn)入流水處理線，出來的數(shù)據(jù)采用先進(jìn)先出存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。本專利技術(shù)所述的布式光纖溫度探測器中，DFB激光器采用1550nm波長的脈沖激光器。本專利技術(shù)所述的布式光纖溫度探測器中，探測電路采用雪崩光電二極管APD作為光電轉(zhuǎn)換器件，拾取反射光信號(hào)。本專利技術(shù)還提供了一種采用頻率調(diào)制技術(shù)提高分布式光纖溫度探測器空間分辨率的方法，包括以下步驟：電光調(diào)制器輸出正弦調(diào)制信號(hào)，該正弦調(diào)制信號(hào)的正弦波從0相位開始啟動(dòng)并攜帶偏置信號(hào)，電光調(diào)制器的啟動(dòng)頻率為1kHz，步進(jìn)1kHz，按照步進(jìn)的方式連續(xù)調(diào)制；當(dāng)調(diào)制頻率切換時(shí)，相位保持0相位不變，偏置信號(hào)保持不變；DFB激光器在電光調(diào)制器的控制將輸出光輸入波分復(fù)用器；波分復(fù)用器將光信號(hào)分別輸出到探測光纜和采樣電路，采樣電路根對(duì)探測光纜反射的光信號(hào)進(jìn)行采樣，并輸出給數(shù)字信號(hào)處器；數(shù)字信號(hào)處器對(duì)所有的采樣信號(hào)進(jìn)行FFT逆變換，把采樣信號(hào)從頻率換算回時(shí)域，然后根據(jù)拉曼信號(hào)解算方法計(jì)算出時(shí)間間隔上的對(duì)應(yīng)溫度。本專利技術(shù)所述的方法中，采樣電路根據(jù)正弦調(diào)制信號(hào)在探測光纜中的傳輸時(shí)間，對(duì)探測光纜反射的光信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣16點(diǎn)并做排序篩選，并記錄一個(gè)中值信號(hào)；每個(gè)調(diào)制頻率記錄一個(gè)采樣中值，從1kHz至1GHz，總計(jì)記錄1M個(gè)采樣中值，1M個(gè)采樣中值按照時(shí)間先后順序排列。本專利技術(shù)所述的方法中，數(shù)字信號(hào)處器通過FPGA開辟多個(gè)通道將1M個(gè)數(shù)據(jù)分為多個(gè)通道分布式處理，且采用流水線處理方式，數(shù)據(jù)不停進(jìn)入流水處理線，出來的數(shù)據(jù)采用先進(jìn)先出存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。本專利技術(shù)所述的方法中，對(duì)于200MHz-1GHz之間的高頻正弦信號(hào)，電光調(diào)制器采用獨(dú)立工作模式，200MHz以下的高頻正弦信號(hào)以下采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，200MHz以上采用壓控振蕩器產(chǎn)生；為了確保所有頻率啟動(dòng)時(shí)都是從0相位開始，所有的子模塊采用同步復(fù)位實(shí)現(xiàn)。本專利技術(shù)產(chǎn)生的有益效果是：(1)光源系統(tǒng)簡單。采用電光調(diào)制器控制DFB激光器輸出正弦信號(hào)，只需要電光調(diào)制器和DFB激光器，省卻了傳統(tǒng)脈沖式光源的光放大環(huán)節(jié)。(2)探測電路簡單。采用正弦信號(hào)輸入探測光纜，近似連續(xù)光注入，其反射光能量比傳統(tǒng)的脈沖式設(shè)備提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，更容易探測。(3)空間分辨率高。在傳統(tǒng)的脈沖式分布式溫度探測器中，空間分辨率收到光脈沖寬度、模擬帶寬和采樣速率的影響；本系統(tǒng)中，空間分辨率只與正弦信號(hào)步進(jìn)頻率有關(guān)系，本系統(tǒng)中，步進(jìn)1kHz，調(diào)頻至1GHz，對(duì)應(yīng)空間分辨率小于0.1米。附圖說明下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步說明，附圖中：圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例采用頻率調(diào)制技術(shù)提高空間分辨率的分布式光纖溫度探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例采用頻率調(diào)制技術(shù)提高分布式光纖溫度探測器空間分辨率的方法流程圖。具體實(shí)施方式為了使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本專利技術(shù)，并不用于限定本專利技術(shù)。本專利技術(shù)實(shí)施例的采用頻率調(diào)制技術(shù)提高空間分辨率的分布式光纖溫度探測器，如圖1所示，包括電光調(diào)制器1、DFB激光器2(DistributedFeedbackLaser，即分布式反饋激光器)、波分復(fù)用器3、探測光纜4、探測電路5、采樣電路6和數(shù)字信號(hào)處理器7。DFB激光器2(DFB：DistributedFeedbackLaser)，即分布式反饋激光器。波分復(fù)用器3可選用WDM波分復(fù)用器，波分復(fù)用器3輸出有2個(gè)方向，一個(gè)通向探測光纜4，一個(gè)通向探測電路5。如圖1所示，波分復(fù)用器3的輸出out1接入探測光纜4，輸出out2接入探測電路5。本專利技術(shù)實(shí)施例中，數(shù)字信號(hào)處理器DSP泛指嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包含了可編程數(shù)字邏輯FPGA和高速嵌入式處理器ARM。電光調(diào)制器1驅(qū)動(dòng)DFB激光器2發(fā)光；DFB激光器2輸出光信本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種采用頻率調(diào)制技術(shù)提高空間分辨率的分布式光纖溫度探測器，其特征在于，包括電光調(diào)制器、DFB激光器、波分復(fù)用器、探測光纜、探測電路、采樣電路和數(shù)字信號(hào)處器；其中：電光調(diào)制器輸出正弦調(diào)制信號(hào)，并控制DFB激光器的輸出光；DFB激光器的輸出光接入波分復(fù)用器；波分復(fù)用器的第一輸出接入探測光纜，波分復(fù)用器的第二輸出接入探測電路；探測電路的輸出接入采樣電路；采樣電路的輸出接入數(shù)字信號(hào)處器，數(shù)字信號(hào)處器控制電光調(diào)制器的啟停；電光調(diào)制器調(diào)制輸出的正弦調(diào)制信號(hào)的正弦波從0相位開始啟動(dòng)并攜帶偏置信號(hào)，電光調(diào)制器的啟動(dòng)頻率為1kHz，步進(jìn)1kHz，按照步進(jìn)的方式連續(xù)調(diào)制；當(dāng)調(diào)制頻率切換時(shí)，相位保持0相位不變，偏置信號(hào)保持不變。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種采用頻率調(diào)制技術(shù)提高空間分辨率的分布式光纖溫度探測器，其特征在于，包括電光調(diào)制器、DFB激光器、波分復(fù)用器、探測光纜、探測電路、采樣電路和數(shù)字信號(hào)處器；其中：電光調(diào)制器輸出正弦調(diào)制信號(hào)，并控制DFB激光器的輸出光；DFB激光器的輸出光接入波分復(fù)用器；波分復(fù)用器的第一輸出接入探測光纜，波分復(fù)用器的第二輸出接入探測電路；探測電路的輸出接入采樣電路；采樣電路的輸出接入數(shù)字信號(hào)處器，數(shù)字信號(hào)處器控制電光調(diào)制器的啟停；電光調(diào)制器調(diào)制輸出的正弦調(diào)制信號(hào)的正弦波從0相位開始啟動(dòng)并攜帶偏置信號(hào)，電光調(diào)制器的啟動(dòng)頻率為1kHz，步進(jìn)1kHz，按照步進(jìn)的方式連續(xù)調(diào)制；當(dāng)調(diào)制頻率切換時(shí)，相位保持0相位不變，偏置信號(hào)保持不變。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布式光纖溫度探測器，其特征在于，采樣電路根據(jù)正弦調(diào)制信號(hào)在探測光纜中的傳輸時(shí)間，對(duì)探測光纜反射的光信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣16點(diǎn)并做排序篩選，并記錄一個(gè)中值信號(hào)；每個(gè)調(diào)制頻率記錄一個(gè)采樣中值，從1kHz至1GHz，總計(jì)記錄1M個(gè)采樣中值，1M個(gè)采樣中值按照時(shí)間先后順序排列。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的布式光纖溫度探測器，其特征在于，1M采樣中值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)字信號(hào)處器內(nèi)，數(shù)字信號(hào)處器對(duì)所有的采樣信號(hào)進(jìn)行FFT逆變換把采樣信號(hào)從頻率換算回時(shí)域，然后根據(jù)拉曼信號(hào)解算方法計(jì)算出時(shí)間間隔上的對(duì)應(yīng)溫度，以實(shí)現(xiàn)不同距離下光纜的溫度探測。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的布式光纖溫度探測器，其特征在于，數(shù)字信號(hào)處器通過FPGA實(shí)現(xiàn)，開辟多個(gè)通道將1M個(gè)數(shù)據(jù)分為多個(gè)通道分布式處理，且采用流水線處理方式，數(shù)據(jù)不停進(jìn)入流水處理線，出來的數(shù)據(jù)采用先進(jìn)先出存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的布式光纖溫度探測器，其特征在于，DFB激光器采用1550nm波長的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：宋珂，董雷，于本化，簡敬元，錢磊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：武漢理工光科股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北;42