CN209605977U - 一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温*** - Google Patents
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Abstract
一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温***,用于测温。特征是:窄脉冲激光器与光调合器、参考光纤盒、传感光纤依次相连;光调合器与分光器连接;分光器分别与A反斯托克斯光滤波器、第一APD放大模块、高速AD采集模块依次相连;分光器分别与B反斯托克斯光滤波器、第二APD放大模块、高速AD采集模块依次相连;高速AD采集模块的同步触发端口与窄脉冲激光器连接;高速AD采集模块、FPGA数据处理模块、FPGA自适应滤波电路、上位机依次连接,其中FPGA数据处理模块的偏压调接口与第二APD放大模块另一端口连接,第二APD放大模块与第一APD放大模块连接。优点:测温精度高,信号处理速度快。
Description
技术领域
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***。
背景技术
分布式光纤测温***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***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***的原理:分布式光纤温度传感*** 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***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***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***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。*** 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***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,***信噪比不理想。
实用新型内容
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***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***,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***中使用。
一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温***,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***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***噪声,提高了***信噪比,提高 了***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*** 降噪方法,***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***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***,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***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。
Claims (4)
1.一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温***,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)另一端口由光纤与分光器(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)的同步触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。
2.如权利要求1所述一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温***,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***标定。
3.如权利要求1所述一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温***,其特征是: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)均可以对第一APD放大模块(8)和第二APD放大模块(9)进行偏压调节。
4.如权利要求1所述一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温***,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。
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CN113899465A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-01-07 | 天津津航技术物理研究所 | 一种消防用光纤感温火灾探测装置 |
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