分布式光纤传感系统中的数据采集装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种分布式光纤传感系统中的数据采集装置，所述的分布式光纤传感系统包括有激光源、光耦合器或环行器、光纤、滤光片、光电转换器和数据采集装置，所述的数据采集装置包括有依次连接的采样和保持单元、过滤器、模拟数字转换器以及处理单元，在采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统；进行数据采集的方法通过控制激光发射、采样和保持单元采样之间的时间间隔，来获取光纤任何位置的定位，以及达成对整条光纤的全分布式测量。本实用新型的数据采集装置降低对模拟数字转换器的转换速度要求，使用廉价的低性能集成器件就能够达到更高的测量精度，并且还能够可控地获得光纤上任意位置的定位以及整条光纤的分布式测量。
【专利说明】分布式光纤传感系统中的数据采集装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及到信息数据采集，具体地说，是对分布式光纤传感器的数据进行采集的装置。
【背景技术】
[0002]分布式温度传感器、分布式应力传感器和光时域反射仪都是用来从光纤中收集物理参数数据的反射系统。该系统中激光源向光纤中发射光脉冲，光纤上的每个点都会产生微弱的散射光。一些散射光会背向散射回激光源。背向反射回来的光包含不同波长的光。通过探测这些背向散射光的波长和强度，可以测量出温度，应力或损耗等物理参数。既然光在光纤中的传播速度以及脉冲输入开始时间都是已知的，那么可以计算出背向散射光从光纤中产生的位置。上述系统中背向散射光返回到激光源，通过光耦合器或环行器传至光电探测器。背向散射光转换成的电信号必须通过模拟数字转换器(ADC)转换为数字信号。之后，PC或微处理器可将该原始信号转换为物理数据，如温度或应力。背向反射信号是连续的且与整个光纤的状况相关，因此可以对整个光纤进行分布式的物理量测量。
[0003]在现有技术中的数据采集系统如图1所示，图1是传统的数据采集方法的系统结构示意图。该系统结构上包括有激光源1、光纤、光滤波器2、光电转换器3、数据采集系统
4。所述的采集系统4包括快速采样器5、模拟数字转换器6、处理单元7。激光源I连接一根光纤并向光纤中发射激光脉冲。光滤波器2过滤背向散射回来的光，将拉曼光、布里渊光或瑞利光提取出来，传输至光电转换器3。光电转换器3接收到波长为激光干涉信号并将其转换成有效的电压信号，快速采样器5根据触发信号进行数据采集。
[0004]现有技术的数据采集系统中，假若为使PC或微处理器连续获取间隔Im的光纤上的数据，模拟数字转换器的转换速度必须达到100M/S，那么采样分辨率由模拟数字转换器的采样速度决定。若要求系统的测量精度达到Im(即空间采样率)，那么模拟数字转换器的采集间隔必须达到10ns，因此模拟数字转换器的采样频率需达到100MHz。如果采样分辨率为2m，采集间隔可以为20ns，那么模拟数字转换器的采样频率为50MHZ。这将大大提高了模拟数字转换器的要求，将增加系统的成本。
[0005]另外，由于数据传输速度高，需要高性能的电子设备计算出平均分布数据，并通过计算将光能转换为温度或其他的物理量。因此如果要降低分布式温度传感系统的成本和功耗，可以通过降低系统的性能来解决，然而若单单降低数据采集速度，例如从IOOMHz降到50MHz，会使采样间隔从Im增加到2m，2m的采样分辨率不如Im的采样分辨率包含的信息详细，大大限制了其应用精度和应用范围。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种新的分布式光纤传感系统中数据采集的装置和方法。本实用新型的数据采集装置要能够降低对模拟数字转换器的转换速度要求，使用廉价的低性能集成器件就能够达到更高的测量精度，并且还能够可控地获得光纤上任意位置的定位以及整条光纤的分布式测量。
[0007]为了达到上述发明目的，本实用新型专利提供的技术方案如下:
[0008]一种分布式光纤传感系统中的数据采集装置，所述的分布式光纤传感系统包括有激光源、光耦合器或环行器、光纤、滤光片、光电转换器和数据采集装置，所述激光源发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器或环行器后依次进入滤光片和光电转换器，经光滤波和光电转换的电信号进入至数据采集装置中，其特征在于，所述的数据采集装置包括有依次连接的采样和保持单元、模拟数字转换器以及处理单元，所述的采样和保持单元一端连接光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据经模拟数字转换器输入至处理单元；在所述的采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统。
[0009]在本实用新型分布式光纤传感系统中的数据采集装置中，在所述的采样和保持单元与模拟数字转换器之间还设有滤光器。
[0010]在本实用新型分布式光纤传感系统中的数据采集装置中，所述的触发系统中存储有预定用户定义的光纤上的特定位置，配置的第一束激光脉冲在to时发出，第二束激光脉冲在ti时发出，对应光纤上特定的位置，该to与tl之间的时间差对应特定位置的长度，该长度由激光在光纤中的传播速度和时延计算得出。
[0011]在本实用新型分布式光纤传感系统中的数据采集装置中，所述的采样和保持单元中设有求平均值�？楹褪荼３帜？椋龅钠骄的？榻邮詹裳牡缧藕挪⑶笃骄担龅氖荼３帜？榻玫钠骄当３忠欢ㄊ奔洹�
[0012]在本实用新型分布式光纤传感系统中的数据采集装置中，所述的光电转换器为光电二极管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。
[0013]一种利用上述的分布式光纤传感系统中数据采集装置进行数据采集的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤:
[0014]第一步，由触发系统在t0时刻触发激光源发出激光脉冲，激光光脉冲经光耦合器输入至光纤中进行传播；
[0015]第二步，光纤中传播的光脉冲反射回背向散射光，该背向散射光经耦合器后输入至滤光片获得相应波长的光信号，该光信号再经光电转换器转换成为电信号；
[0016]第三步，触发系统在tl时刻触发数据采集装置中的采样和保持单元，该采样和保持单元采集对应tl时刻所对应光纤上反射回来的光信号值，并将该信号值保存一段时间；
[0017]第四步，采样和保持单元在将信号值传输至模拟数字转换器前经过过滤器对信号过滤以减少噪声对信号的影响，模拟数字转换器转换一个信号值时下一个信号值被保持一段时间；
[0018]第五步，模拟数字转换器有足够时间将信号值从模拟信号转换为数字信号，转换成的数字信号传输至处理单元处理。
[0019]一种分布式光纤传感系统中的数据采集装置，其特征在于，所述的分布式光纤传感系统包括有激光源、光稱合器、光纤、滤光片、第一光电转换器、第二光电转换器和数据米集装置，所述激光源发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器后进入滤光片，经滤光片后分为两束光分别进入第一光电转换器和第二光电转换器，经第一光电转换器和第二光电转换器的电信号输入至数据采集装置中，所述的数据采集装置包括有两套子采集装置，子采集装置均包括有依次连接的采样和保持单元、过滤器、模拟数字转换器和共用的处理单元，一套子采集装置中的采样和保持单元一端连接第一光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据依次经过滤器和模拟数字转换器输入至共用的处理单元，另一套子采集装置中的采样和保持单元一端连接第一光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据依次经过滤器和模拟数字转换器输入至共用的处理单元；在每套子采集装置中所述的采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统。
[0020]基于上述技术方案，本实用新型分布式光纤传感系统中的数据采集装置在实践使用中取得了如下技术效果:
[0021]1.本实用新型的装置通过设计触发系统来控制激光脉冲的发射时间与采集时间，并采用采样和保持单元代替传统的快速采样器，使系统降低对模拟数字转换器的要求，因此可以使用廉价的集成器件来降低成本而不影响整个系统的采集测量精度。
[0022]2.本实用新型在使用中通过控制激光发射、采样和保持单元采样之间的时间间隔，不但可以获取光纤任何位置的定位，还可以达成对整条光纤的全分布式测量，其具体通过改变采样间隔从而改变时差来持续捕获数据，以达到对光纤的分布式测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是传统的数据采集方法的系统结构示意图。
[0024]图2是本实用新型分布式光纤传感系统中的数据采集装置的结构组成示意图。
[0025]图3是本实用新型通过单个处理单元处理两个波长配置的结构组成示意图。
[0026]图4是本实用新型各项(激光触发器、采样和保持时间、ADC转换时间)的时序关系图。
[0027]图5是本实用新型单个激光触发器采集多个物理量测量的时序关系图。
【具体实施方式】
[0028]下面我们结合附图和具体的实施例来对本实用新型分布式光纤传感系统中数据采集的装置和方法做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解本实用新型专利的整体思路和工作流程，但不能够以此来限制本实用新型的保护范围。
[0029]依照光学原理，光在光纤中传播距离和时间的关系如下:光在光纤中的传播速度(V)可以通过光在真空中的速度(c)和光纤的折射率(η)计算得出v=c/n。光在真空中的传播速度大约为3xl08m / s，玻璃纤维的折射率大约为1.5，因此光在光纤中的传播速度是在真空中传播速度的2/3。当光脉冲传播到光纤上的某点z，背向散射光沿同一路径返回，因此光信号传输的两条路径的总长为2z。如果光纤中光速为V，而在时间t时采集到背向散射光。那么t=2z/v。对Im的采样分辨率，采集的间隔为10ns。因此，若要现有分布式光纤传感系统中使PC或微处理器连续获取间隔Im的光纤上的数据，模拟数字转换器的转换速度必须达到100M/S。这将大大提高模拟数字转换器的要求，从而增加整个传感系统的成本。
[0030]如图2所示，本实用新型设计了分布式光纤传感系统中的数据采集装置。与现有技术一样，本实用新型的分布式光纤传感系统包括有激光源、光稱合器或环行器、光纤、滤光片、光电转换器和数据采集装置，所述激光源发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器或环行器后依次进入滤光片和光电转换器，经光滤波和光电转换的电信号进入至数据采集装置中。在改进的数据采集装置中，包括有依次连接的采样和保持单元、过滤器、模拟数字转换器以及处理单元，所述的采样和保持单元一端连接光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据依次经过滤器和模拟数字转换器输入至处理单元。最为重要的一点，本实用新型在所述的采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统。
[0031]在本实用新型分布式光纤传感系统中的数据采集装置中，所述的触发系统中存储有预定用户定义的光纤上的特定位置，配置的第一束激光脉冲在to时发出，第二束激光脉冲在tl时发出，对应光纤上特定的位置，该to与tl之间的时间差对应特定位置的长度，该长度由激光在光纤中的传播速度和时延计算得出。所述的采样和保持单元中设有求平均值�？楹褪荼３帜？椋龅钠骄的？榻邮詹裳牡缧藕挪⑶笃骄担龅氖荼３帜？榻玫钠骄当３忠欢ㄊ奔�。所述的光电转换器为光电二极管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。
[0032]上述的分布式光纤传感系统中数据采集装置进行数据采集的方法，该方法包括如下步骤:
[0033]第一步，由触发系统在t0时刻触发激光源发出激光脉冲，激光光脉冲经光耦合器输入至光纤中进行传播；
[0034]第二步，光纤中传播的光脉冲反射回背向散射光，该背向散射光经耦合器后输入至滤光片获得相应波长的光信号，该光信号再经光电转换器转换成为电信号；
[0035]第三步，触发系统在tl时刻触发数据采集装置中的采样和保持单元，该采样和保持单元采集对应tl时刻所对应光纤上反射回来的光信号值，并将该信号值保存一段时间；
[0036]第四步，采样和保持单元在将信号值传输至模拟数字转换器前经过过滤器对信号过滤以减少噪声对信号的影响，模拟数字转换器转换一个信号值时下一个信号值被保持一段时间；
[0037]第五步，模拟数字转换器有足够时间将信号值从模拟信号转换为数字信号，转换成的数字信号传输至处理单元处理。
[0038]实施例1
[0039]图2显示了该实用新型的一种配置。该配置利用采样和保持单元9代替快速采样器5,同时还有一个触发系统10,该触发系统10控制着脉冲发射的时序。触发系统10会储存预定用户定义的光纤上的特定位置。在该配置中，第一束激光脉冲在to时发出，而第二束脉冲在tl时发出，对应光纤上特定的位置。tl和to之间的时间差与特定区域的长度相关，该长度可通过光在光纤中的传播速度和时延计算得出。
[0040]该区域的电信号由采样和保持单元9采样并平均。该平均值被保持在系统中，使信号有足够的时间被过滤器11过滤，以此来减少噪声影响，并被传输到模拟数字转换器6，慢速的模拟数字转换器6就有足够的时间来转换这些数据，之后该数字值将被传输到处理单元7。该过程不断的重复，直到形成平均信号以降低噪声的影响。
[0041]实施例2
[0042]图3是通过单个处理单元处理两个波长的版本。其中分布式光纤传感系统中数据米集的装置有激光源1、光稱合器、光纤、滤光片8、第一光电转换器3、第二光电转换器3'和数据采集装置，所述激光源I发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器后进入滤光片8，经滤光片8后分为两束光分别进入第一光电转换器3和第二光电转换器3',经第一光电转换器3和第二光电转换器3'的电信号输入至数据采集装置4中，所述的数据采集装置4包括有两套子采集装置，子采集装置均包括有依次连接的采样和保持单元9、过滤器11、模拟数字转换器6和共用的处理单元7，一套子采集装置中的采样和保持单元9 一端连接第一光电转换器3以接收数据，采样和保持单元3另一端输出的数据依次经过滤器11和模拟数字转换器6输入至共用的处理单元7，另一套子采集装置中的采样和保持单元9 一端连接第一光电转换器3'以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据依次经过滤器11和模拟数字转换器6输入至共用的处理单元7 ;在每套子采集装置中所述的采样和保持单元9与激光源I之间设有控制脉冲发射时序的触发系统10。
[0043]本实施例是基于拉曼散射的分布式测温系统的典型配置，其中拉曼斯托克斯和反斯托克斯光将被过滤出来。这也可以被看作是带有多个采集系统装置。同样，光发射器有多个波长。采样和保持单元多次触发以及多个采集系统的配合，对光纤进行分布式测量。在该配置中，激光脉冲不是由触发系统发出的，而是自生脉冲。触当使用激光束和光学开关(激光束包含巨大的能量时，光学开关会发出输出信号)时，需要先激活触发系统。触发系统一旦发出激光脉冲，米样和保持单兀同时启动工作。
[0044]图4显示该实用新型中各项的时序关系，包括激光触发时间，采样和保持电路启动时间，以及模拟数字转换器6转换时间。其中模拟数字转换器6转换时间比抽样时间更长。该时序图显示本实用新型能够实现激光触发脉冲之间单点位置的测量。激光触发器在t0时将激光脉冲发射入光纤，在tl时采样和保持单元开始采集t2-tl时段的数据。tl-tO的时差取决于光纤测量点的起点位置，而采样时段(t2-tl)决定物理测量的长度。图5显示了该方法也适用于单个激光触发器采集多个物理量测量。
[0045]本实用新型的数据采集装置通过设计触发系统来控制激光脉冲的发射时间与采集时间，并采用采样和保持单元代替传统的快速采样器，使系统降低对模拟数字转换器的要求，因此可以使用廉价的集成器件来降低成本而不影响整个系统的采集测量精度。本实用新型的装置通过控制激光发射、采样和保持单元采样之间的时间间隔，不但可以获取光纤任何位置的定位，还可以达成对整条光纤的全分布式测量。
【权利要求】
1.一种分布式光纤传感系统中的数据采集装置，所述的分布式光纤传感系统包括有激光源、光耦合器或环行器、光纤、滤光片、光电转换器和数据采集装置，所述激光源发出的激光脉冲经光耦合器或环行器进入光纤，光纤中反射回的背向散射光经光耦合器或环行器后依次进入滤光片和光电转换器，经光滤波和光电转换的电信号进入至数据采集装置中，其特征在于，所述的数据采集装置包括有依次连接的采样和保持单元、模拟数字转换器以及处理单元，所述的采样和保持单元一端连接光电转换器以接收数据，采样和保持单元另一端输出的数据经模拟数字转换器输入至处理单元；在所述的采样和保持单元与激光源之间设有控制脉冲发射时序的触发系统。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统中的数据采集装置，其特征在于，在所述的采样和保持单元与模拟数字转换器之间还设有滤光器。
3.根据权利要求2所述的分布式光纤传感系统中的数据采集装置，其特征在于，所述的触发系统中存储有预定用户定义的光纤上的特定位置，配置的第一束激光脉冲在to时发出，第二束激光脉冲在11时发出，对应光纤上特定的位置，该to与11之间的时间差对应特定位置的长度，该长度由激光在光纤中的传播速度和时延计算得出。
4.根据权利要求3所述的分布式光纤传感系统中的数据采集装置，其特征在于，所述的采样和保持单元中设有求平均值�？楹褪荼３帜？椋龅钠骄的？榻邮詹裳牡缧藕挪⑶笃骄担龅氖荼３帜？榻玫钠骄当３忠欢ㄊ奔�。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤传感系统中的数据采集装置，其特征在于，所述的光电转换器为光电二极管、雪崩光电二极管或PIN光电二极管。
【文档编号】G01D5/353GK203758531SQ201420023773
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】李健威, 张成先, 罗巧梅, 赵浩, 肖恺, 李平 申请人:上海波汇通信科技有限公司
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