专利名称：一种用于长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统及其实现方法
技术领域：
本发明涉及分布式光纤测温技术领域，尤其涉及一种长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统及其实现方法。
背景技术：
分布式光纤测温系统(以下称DTS系统)广泛应用于各种火灾监控现�。绻匪淼�、地铁隧道、电力电厂的动力电缆隧道、石油化工储油罐等现场。DTS系统是一种基于OTDR和拉曼散射原理研制而成的温度测量系统，其温度传感器是光纤(通常制作成光缆)。DTS系统利用光纤的拉曼效应，即光纤铺设位置(空间)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。DTS系统根据拉曼散射原理来解调温度信息，由于拉曼散射光十分微弱，因此通常采用APD (雪崩二极管)作为光电转换器，并把APD产生的微弱信号进行放大，然后进行数据采集和处理。但是，当系统探测距离变长时，例如探测距离超过20km时，拉曼散射光变得十分微弱，采用常规的电子学处理方法，对电子学系统的动态范围要求非常高，实现困难。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统，可以有效解决系统动态范围不足的难题。为了达到上述目的，本发明提出了一种用于长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统，该系统包括第一信号调理与模数转换�？�、第二信号调理与模数转换�？�、同步信号发生器、FPGA和工业计算机，其特征在于所述第一信号调理与模数转换�？�、第二信号调理与模数转换�？�、同步信号发生器共同连接FPGA，FPGA连接工业计算机。进一步地，所述第一信号调理与模数转换�？楹偷诙藕诺骼碛肽Ｊ荒？榫哂邢嗤慕峁梗加葾PD、第一级放大器、前段放大器、后段第一级放大器和后段第二级放大器、前段模数转换器和后段模数转换器组成，所述APD连接第一级放大器，第一级放大器分别连接前段放大器和后段第一级放大器，前段放大器连接前段模数转换器，后段第一级放大器连接后段第二级放大器，后段第二级放大器连接后段模数转换器。进一步地，所述FPGA，其内部由第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第三数据采集控制器、第四数据采集控制器，第一数据累加器、第二数据累加器、第三数据累加器、第四数据累加器，第一曲线合成器、第二曲线合成器及数据输出控制单元组成，所述第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第三数据采集控制器、第四数据采集控制器分别连接第一数据累加器、第二数据累加器、第三数据累加器和第四数据累加器，所述第一数据累加器和第二数据累加器分别连接第一曲线合成器，所述第三数据累加器和第四数据累加器分别连接第二曲线合成器，所述第一曲线合成器和第二曲线合成器分别连接数据输出控制单元，数据输出控制单元连接工业计算机。
所述第一信号调理与模数转换模块和第二信号调理与模数转换�？椋直鹩糜诮邮障低持欣藕胖械腟tocks信号和Ant1-Stocks信号，并依次完成光电转换、信号调理及模拟信号到数字信号的转换过程。所述同步脉冲发生器，其功能是产生频率可设置的具有一定重复频率的同步脉冲信号，完成系统光电部分以及后端数据采集部分的同步。所述FPGA，其功能是实现系统的数据采集、累加、曲线合成及数据传输。所述工业计算机，其功能是用来对拉曼信号进行计算，解调出温度信号。所述APD，其功能是实现光信号到电信号的转换，即把拉曼散射光信号，即Stocks光和Ant1-stocks光转变成微弱电信号。所述第一级放大器，其功能是实现微弱信号的初级放大。所述前段放大器，其功能是用来实现拉曼曲线的前半部分信号，即散射信号的前段部分信号的放大，由于前段信号比较强，因此只需要两级放大就满足温度解调条件。所述后段第一级放大器和后段第二级放大器，其功能是用来对拉曼曲线的后半部分信号；由于后段信号比较微弱，尤其是曲线末端部分，因此需要三级放大才能满足温度解调条件。所述前段模数转换器和后段模数转换器，其功能都是用来实现模拟信号到数字信号的转换。所述第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第三数据采集控制器和第四数据采集控制器，其功能是根据同步信号来对输入的各路信号进行采集。所述第一数据累加器、第二数据累加器、第三数据累加器和第四数据累加器，其功能是对采集到的数据进行累加。所述第一曲线合成器，其功能是把第一数据累加器和第二数据累加器的数据合成一组前后完成连的数据，从而获得完整的Stocks拉曼信号曲线。所述第二曲线合成器，其功能是把第三数据累加器和第四数据累加器的数据合成一组前后完成连的数据，从而获得完整的Ant1-stocks拉曼信号曲线。所述数据输出控制单元，其功能是把累加完成的数据，输出到工业计算机。一种用于长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统的实现方法，包括如下步骤
第一步，所述同步信号发生器产生具一定重复频率的同步脉冲信号；
第二步，所述第一信号调理与模数转换�？楹偷诙藕诺骼碛肽Ｊ荒？榻邮誗tocks信号和Ant1-Stocks信号，并完成模数转换；
第三步，所述FPGA完成数据采集、数据累加和数据传输；
第四步，所述工业计算机分析拉曼数据并解调出温度信号。进一步地，所述第二步用以实现数据的分段放大、接收和模数转换，其具体实现步骤为
第21步,所述APD接收到拉曼散射光，即Stocks光或者Ant1-Stocks光,并实现光电转换，产生微弱电信号；
第22步，所述第一级放大器对所述APD产生的微弱信号进行第一级放大；
第23步，所述前段放大器对第一级放大器放大的信号，即对拉曼曲线前半部分进行放大；
第24步，所述后段第一级放大器和后段第二级放大器对拉曼曲线后半部分进行放大；第25步，所述前段模数转换器对前段放大器输出的信号进行模数转换；
第26步，所述后段模数转换器对后段第二级放大器输出信号进行模数转换，即模拟信号转换成数字信号，并由FPGA采集；
上述第二步，解决了信号动态范围的问题。进一步地，所述第三步实现数据的采集和曲线的合成，具体实现步骤为
第31步，从第一信号调理与模数转换�？楹偷诙藕诺骼碛肽Ｊ荒？槭涑龅乃穆纺Ｊ缓蟮氖中藕攀淙氲紽PGA，FPGA中的第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第三数据采集控制器和第四数据采集控制器实现对输入的四路模数转换数据的采集；所述第一数据采集控制器和第三数据采集控制器只采集拉曼曲线的前半部分，所述第二数据采集控制器和第四数据采集控制器只采集拉曼曲线的后半部分；这一步实现了拉曼曲线的分段采集功能；
第32步，所述第一数据累加器、第二数据累加器、第三数据累加器和第四数据累加器，分别对所述第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第三数据采集控制器和第四数据采集控制器采集到的数据进行累加；
第33步，所述第一曲线合成器完成对第一数据累加器和第二数据累加器产生的累加结果进行曲线合成，也就是把采集到的拉曼曲线的前半部分和后半部分连接起来，变成一条完整的曲线；
第34步，所述第二曲线合成器完成对第三数据累加器和第四数据累加器产生的结果进行曲线合成，也就是把采集到的拉曼曲线的前半部分和后半部分连接起来，变成一条完整的曲线；
第35步，所述数据输出控制单元把上述获取的两条曲线上传到所述工业计算机。本发明的有益效果在于针对长距离分布式光纤测温系统后段信号微弱的特点，采用了分段放大、分段采集、曲线合成的方案，有效地解决了系统动态范围不足的难题。
图1为本发明系统结构示意图。图2为本发明第一、第二信号调理与模数转换�？榻峁故疽馔�。图3为本发明FPGA内部结构示意图。
具体实施例方式施例一为了更好的了解本发明的技术内容，下面结合附图进一步说明本发明的
具体实施例方式
如附图1所示一种用于长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统，该系统包括第一信号调理与模数转换模块11、第二信号调理与模数转换�？�12、同步信号发生器4、FPGA3和工业计算机5，其特征在于所述第一信号调理与模数转换�？�11、第二信号调理与模数转换�？�12、同步信号发生器4共同连接FPGA3，FPGA3连接工业计算机5。所述同步脉冲发生器4，其功能是产生频率可设置的具有一定重复频率的同步脉冲信号，比如，重复频率可以设置为10kHz，完成系统光电部分以及后端数据采集部分的同
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少；
所述第一信号调理与模数转换�？�11和第二信号调理与模数转换�？�12，分别用于接收系统中拉曼信号中Stocks信号和Ant1-Stocks信号的接收，并完成光电转换、信号调理及模拟信号到数字信号的转换。所述FPGA 3，其功能是实现系统的数据采集、累加和数据传输；
所述工业计算机5，其功能是用来对拉曼信号进行计算，解调出温度信号。如附图2所示所述第一信号调理与模数转换模块11和第二信号调理与模数转换�？�12具有相同的结构，都由APD111、第一级放大器112、前段放大器113、后段第一级放大器114和后段第二级放大器115、前段模数转换器116和后段模数转换器117组成，所述APDlll连接第一级放大器112，第一级放大器112分别连接前段放大器113和后段第一级放大器114，前段放大器113连接前段模数转换器116，后段第一级放大器114连接后段第二级放大器115，后段第二级放大器115连接后段模数转换器117。如附图3所示所述FPGA3，其内部由第一数据采集控制器311、第二数据采集控制器312、第三数据采集控制器313、第四数据采集控制器314，第一数据累加器321、第二数据累加器322、第三数据累加器323、第四数据累加器324，第一曲线合成器331、第二曲线合成器332及数据输出控制单元321组成，所述第一数据采集控制器311、第二数据采集控制器312、第三数据采集控制器313、第四数据采集控制器314分别连接第一数据累加器321、第二数据累加器322、第三数据累加器23和第四数据累加器324，所述第一数据累加器321和第二数据累加器322分别连接第一曲线合成器331，所述第三数据累加器323和第四数据累加器324分别连接第二曲线合成器332，所述第一曲线合成器331和第二曲线合成器32分别连接数据输出控制单元341，数据输出控制单元341连接工业计算机5。所述APD 111，其功能是实现光信号到电信号的转换，即把拉曼散射光信号(Stocks光和Ant1-stocks光)转变成微弱电信号；
所述第一级放大器112，其功能是实现微弱信号的初级放大；
所述前段放大器113，其功能是用来实现拉曼曲线的前半部分信号(散射信号的前段部分信号)的放大，由于前段信号比较强，因此只需要二级放大就满足温度解调条件；
所述后段第一级放大器114和后段第二级放大器115，其功能是用来对拉曼曲线的后半部分信号(散射信号的后段部分信号)的放大；由于后段信号比较微弱(尤其是曲线末端部分)，因此需要三级放大才能满足温度解调条件；
所述前段模数转换器116和后段模数转换器117，其功能都是用来实现模拟信号到数字信号的转换；
所述第一数据采集控制器311、第二数据采集控制器312、第三数据采集控制器313和第四数据采集控制器314，其功能是根据同步信号来对输入的各路信号进行采集；
所述第一数据累加器321、第二数据累加器322、第三数据累加器323和第四数据累加器324，其功能是对采集到的数据进行累加；
所述第一曲线合成器331，其功能是把第一数据累加器321和第二数据累加器322的数据合成一组前后完成连的数据，从而获得完整的Stocks拉曼信号曲线；
所述第二曲线合成器332，其功能是把第三数据累加器323和第四数据累加器324的数据合成一组前后完成连的数据，从而获得完整的Ant1-stocks拉曼信号曲线；
所述数据输出控制单元341，其功能是把累加完成的数据，输出到工业计算机5。一种用于长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统的实现方法，包括如下步骤
设置同步脉冲发生器产生的同步脉冲信号频率为10kHz，
第一步，所述同步信号发生器4产生具一定重复频率的同步脉冲信号；
第二步，所述第一信号调理与模数转换�？�11和第二信号调理与模数转换�？�12接收Stocks信号和Ant1-Stocks信号，并完成模数转换；
第三步，所述FPGA3完成数据采集、数据累加和数据传输；
第四步，所述工业计算机5分析拉曼数据并解调出温度信号。进一步地，所述第二步用以实现数据的分段放大、接收和模数转换，其具体实现步骤为
第21步,所述APDlll接收到拉曼散射光，即Stocks光或者Ant1-Stocks光,并实现光电转换，产生微弱电信号；
第22步，所述第一级放大器112对所述APD 111产生的微弱信号进行第一级放大；
第23步，所述前段放大器113对第一级放大器112放大的信号，即对拉曼曲线前半部分进行放大；
第24步，所述后段第一级放大器114和后段第二级放大器115对拉曼曲线后半部分进行放大；
第25步，所述前段模数转换器116对前段放大器113输出的信号进行模数转换；
第26步，所述后段模数转换器117对后段第二级放大器115输出信号进行模数转换，即模拟信号转换成数字信号，并由FPGA采集；
上述第二步，解决了信号动态范围的问题。进一步地，所述第三步实现数据的采集和曲线的合成，具体实现步骤为
第31步，从第一信号调理与模数转换�？�11和第二信号调理与模数转换模块12输出的四路模数转换后的数字信号输入到FPGA3，FPGA3中的第一数据采集控制器311、第二数据采集控制器312、第三数据采集控制器313和第四数据采集控制器314实现对输入的四路模数转换数据的采集；
所述第一数据采集控制器311和第三数据采集控制器313只采集拉曼曲线的前半部分，所述第二数据采集控制器312和第四数据采集控制器314只采集拉曼曲线的后半部分；这一步实现了拉曼曲线的分段采集功能；
第32步，所述第一数据累加器321、第二数据累加器322、第三数据累加器323和第四数据累加器324，分别对所述第一数据采集控制器311、第二数据采集控制器312、第三数据采集控制器313和第四数据采集控制器314采集到的数据进行累加；
第33步，所述第一曲线合成器331完成对第一数据累加器321和第二数据累加器322产生的累加结果进行曲线合成，也就是把采集到的拉曼曲线的前半部分和后半部分连接起来，变成一条完整的曲线；
第34步，所述第二曲线合成器332完成对第三数据累加器323和第四数据累加器324产生的结果进行曲线合成，也就是把采集到的拉曼曲线的前半部分和后半部分连接起来，变成一条完整的曲线；
第35步，所述数据输出控制单元341把上述获取的两条曲线上传到所述工业计算机5。实施例二 根据实际需要，设置同步脉冲发生器4产生的同步脉冲信号频率为IOkHz或其他频率，信号调理与模数转换模块的数量为三个，相应的FPGA3中数据采集控制器、数据累加器及曲线合成器分别为六个、六个、三个，系统各部分内部结构排列及实施步骤同实施例一。以此类推。以上显示和描述的是本发明的基本原理和主要特征，本行业的技术人员应该了解本发明不受上述使用方法的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护本发明保护范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.一种用于长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统，该系统包括第一信号调理与模数转换�？�、第二信号调理与模数转换�？�、同步信号发生器、FPGA和工业计算机，其特征在于所述第一信号调理与模数转换�？�、第二信号调理与模数转换�？�、同步信号发生器共同连接FPGA，FPGA连接工业计算机；所述第一信号调理与模数转换�？楹偷诙藕诺骼碛肽Ｊ荒？榫哂邢嗤慕峁梗� 都由APD、第一级放大器、前段放大器、后段第一级放大器和后段第二级放大器、前段模数转换器和后段模数转换器组成，所述APD连接第一级放大器，第一级放大器分别连接前段放大器和后段第一级放大器，前段放大器连接前段模数转换器，后段第一级放大器连接后段第二级放大器，后段第二级放大器连接后段模数转换器；所述FPGA，其内部由第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第三数据采集控制器、第四数据采集控制器，第一数据累加器、第二数据累加器、第三数据累加器、第四数据累加器，第一曲线合成器、第二曲线合成器及数据输出控制单元组成，所述第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第三数据采集控制器、第四数据采集控制器分别连接第一数据累加器、第二数据累加器、第三数据累加器和第四数据累加器，所述第一数据累加器和第二数据累加器分别连接第一曲线合成器，所述第三数据累加器和第四数据累加器分别连接第二曲线合成器，所述第一曲线合成器和第二曲线合成器分别连接数据输出控制单元，数据输出控制单元连接工业计算机。
2.一种用于长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统的实现方法，包括下述步骤 第一步，所述同步信号发生器产生具一定重复频率的同步脉冲信号；第二步，所述第一信号调理与模数转换模块和第二信号调理与模数转换�？榻邮� Stocks信号和Ant1-Stocks信号，并完成模数转换；第三步，所述FPGA完成数据采集、数据累加和数据传输；第四步，所述工业计算机分析拉曼数据并解调出温度信号。
3.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于所述第二步用以实现数据的分段放大、接收和模数转换，其具体实现步骤为第21步,所述APD接收到拉曼散射光，即Stocks光或者Ant1-Stocks光,并实现光电转换，产生微弱电信号；第22步，所述第一级放大器对所述APD产生的微弱信号进行第一级放大；第23步，所述前段放大器对第一级放大器放大的信号，即对拉曼曲线前半部分进行放大；第24步，所述后段第一级放大器和后段第二级放大器对拉曼曲线后半部分进行放大； 第25步，所述前段模数转换器对前段放大器输出的信号进行模数转换；第26步，所述后段模数转换器对后段第二级放大器输出信号进行模数转换，即模拟信号转换成数字信号，并由FPGA采集；上述第二步，解决了信号动态范围的问题。
4.根据权利要求2所述的实现方法，其特征在于所述第三步实现数据的采集和曲线的合成，具体实现步骤为第31步，从第一信号调理与模数转换模块和第二信号调理与模数转换�？槭涑龅乃穆纺Ｊ缓蟮氖中藕攀淙氲紽PGA，FPGA中的第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第三数据采集控制器和第四数据采集控制器实现对输入的四路模数转换数据的采集；所述第一数据采集控制器和第三数据采集控制器只采集拉曼曲线的前半部分，所述第二数据采集控制器和第四数据采集控制器只采集拉曼曲线的后半部分；这一步实现了拉曼曲线的分段采集功能；第32步，所述第一数据累加器、第二数据累加器、第三数据累加器和第四数据累加器，分别对所述第一数据采集控制器、第二数据采集控制器、第三数据采集控制器和第四数据采集控制器采集到的数据进行累加；第33步，所述第一曲线合成器完成对第一数据累加器和第二数据累加器产生的累加结果进行曲线合成，也就是把采集到的拉曼曲线的前半部分和后半部分连接起来，变成一条完整的曲线；第34步，所述第二曲线合成器完成对第三 数据累加器和第四数据累加器产生的结果进行曲线合成，也就是把采集到的拉曼曲线的前半部分和后半部分连接起来，变成一条完整的曲线；第35步，所述数据输出控制单元把上述获取的两条曲线上传到所述工业计算机。
全文摘要
本发明公开了一种用于长距离分布式光纤测温系统中的电子学系统及其实现方法，该系统包括第一信号调理与模数转换模块、第二信号调理与模数转换�？椤⑼叫藕欧⑸�、FPGA和工业计算机，其特征在于所述第一信号调理与模数转换�？�、第二信号调理与模数转换�？�、同步信号发生器共同连接FPGA，FPGA连接工业计算机。本发明所述的系统及其实现方法的有益效果在于针对长距离分布式光纤测温系统后段信号微弱的特点，采用了分段放大、分段采集、曲线合成的方案，有效地解决了系统动态范围不足的难题。
文档编号G01K11/32GK103017935SQ20121053355
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者黄正 申请人:上海华魏光纤传感技术有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
