CN209605977U - 一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温*** - Google Patents

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

一种含自适应滤波电路的分布式光纤测温***

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。