DSP光纤测温.doc

摘要：提出了一种基于数字信号处理器（DSP）的分布式光纤测温系统,系统以DSP为核心,以并行高速流水线式ADC、FIFO和CPLD为主体实现对光纤温度传感器输出信号的高速数据采集与处理,其采样速率可达100MSPS。全面介绍了该系统的原理及实现过程,并讨论了实验结果。关键词：光纤温度传感器;光纤测温;数字信号处理器;信号处理引言--- 分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统。它利用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质,利用光纤后向拉曼（Raman）散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息,利用光纤的光时域反射（OTDR）技术对测量点进行定位。由于系统具有本安性和抗腐蚀、耐高压、抗电磁干扰、能快速多点测量并定位等优点,应用领域十分广泛。目前已用于石油工程、电站、矿井、隧道和大坝等领域的温度监测。国内一般都采用高速瞬态记录仪或高速数据采集卡与微型计算机相结合的上、下位机方式实现。本文提出的分布式光纤测温系统以DSP为核心构成嵌入式信号处理单元,对传感器输出信号实时采集,有效地去除噪声和干扰,并能够直接在主机中快速准确地解调出温度数据。系统组成如图1所示,该系统能在2km 光纤上实时采样2000个测量点, 空间分辨率可达1m,测温范围 -190～460,测温精度小于±2。分布式光纤测温原理1 分布式测量原理分布式光纤测温系统依据OTDR技术实现分布式测量,其原理如图2所示。激光脉冲由光纤始端F处注入,脉冲大部分能传到光纤末端而消失,但一小部分后向散射光会沿着光纤反射回来。设光纤中l处后向散射光返回到入射端F所需的时间为t/2,则可得到式分布式光纤测温原理1 分布式测量原理分布式光纤测温系统依据OTDR技术实现分布式测量,其原理如图2所示。激光脉冲由光纤始端F处注入,脉冲大部分能传到光纤末端而消失,但一小部分后向散射光会沿着光纤反射回来。设光纤中l处后向散射光返回到入射端F所需的时间为t/2,则可得到式（1）。（1）式（1）中v为光在光纤中传播的速度,C为光速,n为光纤折射率。光纤中返回到入射端的后向散射光能量可由式（2）表示。（2）式（2）中S为后向散射因子,α0为单位长度上的光散射系数,α为单位长度上的光损耗系数。由式（1）可推得式（3）。（3）式（3）表示返回到入射端的散射光功率是时间的函数,而由式（1）可知时间的不同对应着光纤上位置的不同,故返回到入射端的光功率即为光纤位置的函数。利用这一原理,可对测量点进行准确的定位,随着l的逐渐增加,可实现对光纤所处温度场的空间分布式测量。2 温度测量原理光纤测温的机理是依据后向拉曼散射光谱的温度效应。拉曼散射光由反斯托克斯（anti-Stokes）光和斯托克斯（Stokes）光两种不同波长的光组成。前者对温度特别敏感,而后者与温度关系很小。为消除光源波动和光纤弯曲等影响,提高测温准确度,采用anti-Stokes光和Stokes光强度的比值来解调温度信号,两者的关系如式（4）所示。（4）式（4）中Ias、λa分别为anti-Stokes光的强度和波长,Is和λs分别为Stokes光的强度和波长,h是普朗克常数,c是光速,μ是波数偏移量,k是波尔兹曼常数,T是绝对温度。式（4）是分布式光纤温度测量的重要理论基础。式（4）中还存在两种不同波长光的衰减差异和探测器对两种波长光信号的响应差异,在实际测量系统中可以通过设置定标区来消除,即采用一段恒温光纤作为参考光纤。设其温度为T0,则可由式（4）推导出式（5）。（5）由式（5）的推导可见,设置定标区后,可以通过测定R（T）来测量光纤上各点的温度。基于DSP的信号处理及实现基于DSP系统的信号处理单元完成对雪崩二极管（APD）光电探测器输出信号的放大、采样和处理,并解调出温度,其组成如图3所示。1 高速数据采集分布式光纤测温系统中,空间分辨率是一个重要参数,它决定了ADC的采样速率。激光脉冲在传感光纤中的传输速率约为2×108m/s,要实现1m的空间分辨率,ADC采样速率要达到100MSPS（这里不考虑系统带宽的影响）。另外,由于光纤测温中ADC采样的时钟对应着光纤上的空间距离,采样时钟频率或相位上的偏移即意味着光纤上测量点位置的偏移。因此,为保证高的空间分辨率和高的空间定位准确度,系统的采样电路采用单片双通道100MSPS的高速流水线式ADC同步对anti-Stokes和Stokes信号进行实时采样。依靠ADC自身的高速模数转换性能和同一的响应特性确保空间分辨率稳定可靠及空间定位准度,满足系统要求。对于高速ADC器件,要想及时读取转换数据,确保不丢失（这在分布式光纤测温中是必须的）,需要高速、可靠的数据传输。一个8bit、100MSPS的ADC的数据传输速率要求达到1