本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種基于光量子反演的光纖傳感方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù):
光纖傳感的核心技術(shù)為光纖激光雷達(dá)技術(shù),即利用激光器向光纖中注入激光脈沖,然后對(duì)其后向散射光進(jìn)行采集、分析,就可以實(shí)時(shí)測(cè)得整根光纖沿線(xiàn)的溫度變化。體現(xiàn)其性能的指標(biāo)主要包括傳感距離、測(cè)溫精度、空間分辨率和響應(yīng)時(shí)間等。尤其是傳感距離的提升,一直是光纖傳感技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。目前在光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域,提升傳感距離的思路一般有三個(gè):一是采用新型傳感原理,比如基于受激拉曼散射;二是改變傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu),比如采用雙光源;三是優(yōu)化關(guān)鍵模塊性能,比如通過(guò)提高光電轉(zhuǎn)換效率來(lái)改善信噪比,這也是比較常用的辦法。
ingaas雪崩光電二極管(apd)由于其優(yōu)異的增益特性在光纖傳感的光電轉(zhuǎn)換中被廣泛使用,屬于典型的模擬檢測(cè)。一般情況下,我們施加于apd兩端的反偏電壓都控制在其雪崩擊穿電壓之下,溫度及反偏電壓的波動(dòng)基本對(duì)該apd沒(méi)有損害,從而使光纖系統(tǒng)擁有更長(zhǎng)的使用壽命。
然而對(duì)基于背向散射原理的光纖傳感系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其散射光強(qiáng)度是極其微弱的,當(dāng)apd兩端的反偏電壓低于其雪崩電壓時(shí),即工作于線(xiàn)性安全模式,增益較小,轉(zhuǎn)換出的電信號(hào)也很微弱,這樣勢(shì)必引入較多的噪聲,惡化信噪比,增加了后級(jí)放大電路設(shè)計(jì)難度和信號(hào)處理難度,延長(zhǎng)了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期,同時(shí)也限制了傳感距離和測(cè)溫精度的發(fā)展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
基于此,本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種基于光量子反演的光纖傳感方法及系統(tǒng),可以減少測(cè)溫系統(tǒng)的噪聲引入量,提高信噪比,提高光纖傳感距離和測(cè)溫精度。
為達(dá)到上述目的,本發(fā)明實(shí)施例采用以下技術(shù)方案:
一種基于光量子反演的光纖傳感系統(tǒng),包括:脈沖激光器、波分復(fù)用器、apd模塊、1×4光開(kāi)關(guān)、傳感光纖和信號(hào)處理模塊;
其中,所述脈沖激光器與所述波分復(fù)用器的輸入端相連,所述傳感光纖與所述波分復(fù)用器的com端(串行端口)相連,所述波分復(fù)用器的兩個(gè)輸出端分別接雙通道apd模塊的輸入端,所述apd模塊輸出端分別連接到所述信號(hào)處理模塊;所述脈沖激光器發(fā)出的脈沖光通過(guò)所述波分復(fù)用器進(jìn)入所述傳感光纖并進(jìn)入測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng),經(jīng)測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)沿所述傳感光纖返回傳輸?shù)纳⑸涔庠龠M(jìn)入所述波分復(fù)用器,在所述波分復(fù)用器中進(jìn)行濾光輸出stokes光和anti-stokes光,所述stokes光和anti-stokes光分別進(jìn)入兩個(gè)apd模塊完成光量子探測(cè),最后所述信號(hào)處理模塊根據(jù)光量子數(shù)量反演得到入射光強(qiáng),并對(duì)入射光強(qiáng)度進(jìn)行累加平均、小波降噪和分析計(jì)算,得出光纖沿線(xiàn)溫度分布曲線(xiàn),完成溫度解調(diào)。
其中,所述脈沖激光器的中心波長(zhǎng)為1550nm,脈沖寬度為10ns,重復(fù)頻率為10khz,峰值功率為20w。
其中,所述的波分復(fù)用器由中心波長(zhǎng)為1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長(zhǎng)為1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片和rayleigh散射光濾波片構(gòu)成。
其中,所述傳感光纖為高導(dǎo)熱型62.5um多模傳感光纖。
其中,所述apd模塊由同一型號(hào)的兩個(gè)工作于蓋革模式的apd和恒溫控制電路等組成,兩個(gè)apd分別完成stokes光和anti-stokes光雙通道光強(qiáng)檢測(cè)。
本發(fā)明還提出一種基于光量子反演的光纖傳感方法,包括以下步驟:
令apd模塊中的apd長(zhǎng)期有效地工作于蓋革模式,使其具備光量子響應(yīng)能力;
根據(jù)實(shí)際所需傳感長(zhǎng)度,將激光器輸出分為近端脈沖和遠(yuǎn)端脈沖,其中,遠(yuǎn)端脈沖功率大于近端脈沖;
先遮蓋apd,完成暗計(jì)數(shù)值的存儲(chǔ),再由信號(hào)處理模塊控制蓋革模式apd,完成背向散射光照下光量子響應(yīng)電脈沖計(jì)數(shù),結(jié)合暗計(jì)數(shù)值,反演得到實(shí)際入射光強(qiáng)度;
對(duì)實(shí)際入射光強(qiáng)度進(jìn)行累加平均,完成預(yù)處理;
對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)做提升小波變換,獲得不同尺度下的小波系數(shù);
對(duì)含噪信號(hào)的小波系數(shù)做閾值處理,去掉高頻小波系數(shù);
對(duì)處理后的小波系數(shù),進(jìn)行小波逆變換,完成信號(hào)重構(gòu),得到干凈信號(hào);
對(duì)干凈信號(hào)再做一定數(shù)量的累加平均,以得到更加好的降噪效果;
分別計(jì)算近端脈沖和遠(yuǎn)端脈沖所負(fù)責(zé)傳感的數(shù)據(jù)點(diǎn),最后拼接成一條完整的數(shù)據(jù)曲線(xiàn),完成解調(diào)工作。
本發(fā)明提出的基于光量子反演的光纖傳感方法及系統(tǒng),由于靈敏度的提高,不僅使得系統(tǒng)能夠探測(cè)到傳感光纖更遠(yuǎn)距離處的微弱散射信號(hào),而且更有效地避免了電路噪聲的引入,提高了信噪比,降低了后端電路設(shè)計(jì)難度和信號(hào)處理難度,使系統(tǒng)擁有更良好的測(cè)溫精度。與此同時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)的屏蔽效能也降低了要求。值得一提的是,本發(fā)明所述方法,同樣可以推廣在準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)或者其他涉及光強(qiáng)檢測(cè)的光纖傳感技術(shù)中,從而促進(jìn)光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。
附圖說(shuō)明
附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解,并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分,與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明,但不應(yīng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中,
圖1是本發(fā)明提出的基于光量子反演的光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是apd模塊的整體結(jié)構(gòu)框圖;
圖3是蓋革模式apd門(mén)控信號(hào)交流耦合原理示意圖;
圖4是蓋革模式apd門(mén)控信號(hào)工作時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以解釋本發(fā)明,并不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明提出一種基于光量子反演的光纖傳感系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括:脈沖激光器、波分復(fù)用器、apd模塊、1×4光開(kāi)關(guān)、傳感光纖和信號(hào)處理模塊;
其中,所述脈沖激光器與所述波分復(fù)用器的輸入端相連,所述傳感光纖與所述波分復(fù)用器的com端相連,所述波分復(fù)用器的兩個(gè)輸出端分別接雙通道apd模塊的輸入端,所述apd模塊輸出端分別連接到所述信號(hào)處理模塊;所述脈沖激光器發(fā)出的脈沖光通過(guò)所述波分復(fù)用器進(jìn)入所述傳感光纖并進(jìn)入測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng),經(jīng)測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)沿所述傳感光纖返回傳輸?shù)纳⑸涔庠龠M(jìn)入所述波分復(fù)用器,在所述波分復(fù)用器中進(jìn)行濾光輸出stokes光和anti-stokes光,所述stokes光和anti-stokes光分別進(jìn)入兩個(gè)apd模塊完成光量子探測(cè),最后所述信號(hào)處理模塊根據(jù)光量子數(shù)量反演得到入射光強(qiáng),并對(duì)入射光強(qiáng)度進(jìn)行累加平均、小波降噪和分析計(jì)算,得出光纖沿線(xiàn)溫度分布曲線(xiàn),完成溫度解調(diào)。
進(jìn)一步地,目前市面上,可用于1550nm窗口的具備光量子響應(yīng)能力的apd器件很有限,經(jīng)過(guò)比對(duì)多家廠(chǎng)商,最終選用jdsu公司生產(chǎn)的etx40-apd,該apd模塊內(nèi)部集成了半導(dǎo)體制冷片tec,使用非常方便。要使apd模塊長(zhǎng)期有效地工作于蓋革模式,具備光量子響應(yīng)能力,必須令其工作環(huán)境溫度恒定。
更進(jìn)一步地,本實(shí)施例中apd模塊的恒溫控制部分采用adi公司生產(chǎn)的adn8831來(lái)實(shí)現(xiàn)。
其通過(guò)外置pid補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)控制h橋電路實(shí)現(xiàn)電流大小(方向)的調(diào)控,形成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)±0.1℃精度的恒溫控制,滿(mǎn)足本發(fā)明需要。
更進(jìn)一步地,本實(shí)施例恒溫控制部分中所用h橋電路直接采用集成了一個(gè)nmos管和pmos管的fdw2520c芯片來(lái)實(shí)現(xiàn);溫度傳感器選用熱敏電阻ntc來(lái)實(shí)現(xiàn);特別注意的是,為了使探測(cè)溫度更精準(zhǔn),本實(shí)施例將etx40-apd與ntc緊密接觸,置于一個(gè)小型坡莫合金腔里面,腔里面填滿(mǎn)導(dǎo)熱硅脂,以避免腔內(nèi)熱量梯度分布不均的問(wèn)題;由于本實(shí)施例要將溫度維持在-55℃,所以在制冷腔上再放置一個(gè)小型散熱風(fēng)扇,以達(dá)到更好的效果;其示意框圖見(jiàn)圖2;
進(jìn)一步地,apd的直流偏置電壓源我們選用linear公司提供的lt3571;這是一款電流模式、升壓型dc/dc轉(zhuǎn)換器,專(zhuān)為對(duì)光強(qiáng)檢測(cè)中的apd施加偏置而設(shè)計(jì),可以具有一個(gè)高達(dá)75v的輸出電壓,非常適用于本實(shí)施例。針對(duì)本實(shí)施例etx40-apd,通過(guò)實(shí)測(cè)得知其雪崩擊穿電壓為42v左右,所以我們?cè)O(shè)置lt3571的偏置電壓輸出為41v;
更進(jìn)一步地,因?yàn)橐筧pd工作于蓋革模式,完成光量子響應(yīng),所以其反偏電壓必須大于雪崩擊穿電壓,本實(shí)施例通過(guò)交流耦合電路,將3.3v門(mén)脈沖疊加在直流偏壓41v之上;在“門(mén)開(kāi)啟”狀態(tài),apd反偏電壓為44.3v,工作于蓋革模式,完成光量子響應(yīng)電脈沖輸出;在“門(mén)關(guān)閉”狀態(tài),apd反偏電壓為41v,小于其雪崩擊穿電壓,工作于普通線(xiàn)性模式,雪崩效應(yīng)被淬滅,此時(shí)apd不具備光量子響應(yīng)能力。其電路原理示意圖見(jiàn)圖3。
更進(jìn)一步地,在本實(shí)施例中,得益于所述光纖測(cè)溫系統(tǒng)集成了fpga,所以可以非常容易地直接通過(guò)fpga內(nèi)部鎖相環(huán)產(chǎn)生200mhz的窄門(mén)脈沖,同時(shí)可以非常方便地根據(jù)光纖測(cè)溫系統(tǒng)的不同應(yīng)用場(chǎng)合修改對(duì)應(yīng)的門(mén)脈沖占空比和頻率。當(dāng)需要更高的定位精度時(shí),可以通過(guò)提高門(mén)脈沖頻率來(lái)增加“采樣點(diǎn)”,當(dāng)需要更高的測(cè)溫精度時(shí),可以通過(guò)降低門(mén)脈沖頻率來(lái)提高信噪比。其中,在fpga內(nèi)部,門(mén)控脈沖與激光脈沖的時(shí)序根據(jù)圖4來(lái)實(shí)現(xiàn),這里不再詳細(xì)論述;
更進(jìn)一步地,由于門(mén)脈沖頻率非常高,達(dá)到了200mhz,會(huì)導(dǎo)致apd暗計(jì)數(shù)概率增加,影響光量子響應(yīng)脈沖計(jì)數(shù)精度,針對(duì)此問(wèn)題,本實(shí)施例通過(guò)以下措施解決:
1)、將apd的輸入fc/apc接頭遮住,施加高速門(mén)脈沖,計(jì)算其暗計(jì)數(shù)值并存儲(chǔ);
2)、fpga將測(cè)量得到的光量子響應(yīng)脈沖數(shù)中減去暗計(jì)數(shù)數(shù)值;
3)、若要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)整門(mén)脈沖頻率,只需按同樣的方法,遮住其fc/apc接頭便可,系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)更新存儲(chǔ)暗計(jì)數(shù)值;
上述措施簡(jiǎn)單易行,完全沒(méi)有成本壓力,且具有比較顯著的效果;
進(jìn)一步地,對(duì)于apd輸出的光量子響應(yīng)電脈沖,需要先做高速放大,再進(jìn)行比較整形輸出,最后直接由fpga內(nèi)部對(duì)輸入電脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)并通過(guò)反演得到入射光強(qiáng)。值得注意的是,比較閾值需要通過(guò)實(shí)際測(cè)定取得。
更進(jìn)一步地,所述反演過(guò)程包括如下步驟:
1)、測(cè)量得到的電脈沖數(shù)記為;暗計(jì)數(shù)值記為(通過(guò)遮蓋apd可測(cè)得);則在每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)概率為:
p=nt-nd…………(1)
2)、設(shè)單位時(shí)間內(nèi)apd光敏面所接收的光量子數(shù)為μ,由泊松統(tǒng)計(jì),apd暗計(jì)數(shù)率為e-φμδt,其中φ為apd探測(cè)效率,對(duì)于每一個(gè)apd,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單測(cè)得;那么,每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)概率為:
3)、在一個(gè)門(mén)寬時(shí)間δt內(nèi)入射的光功率:
p=μhv............(3)
4)、聯(lián)立以上各式便可求得一個(gè)門(mén)寬時(shí)間δt內(nèi)的光功率p,這就是光量子響應(yīng)計(jì)數(shù)反演原理。
基于光量子響應(yīng)脈沖數(shù)反演來(lái)探測(cè)入射光功率的方法,利用了弱光照射下蓋革模式apd輸出電脈沖信號(hào)自然離散化的特點(diǎn),相比于線(xiàn)性模式apd的模擬檢測(cè)技術(shù),有如下優(yōu)點(diǎn):
1)、受apd增益變化等不穩(wěn)定因素影響較?。?/p>
2)、消除了熱噪聲的影響,大幅提高信噪比;
3)、直接輸出數(shù)字量,無(wú)需模數(shù)轉(zhuǎn)換器,直接可以與信號(hào)處理模塊相連接;
4)、提高門(mén)脈沖頻率,能有效提高光纖測(cè)溫系統(tǒng)定位精度、測(cè)溫精度和傳感距離。
進(jìn)一步地,所述fpga內(nèi)部還需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)降噪模塊,主要包括累加平均和小波變換;考慮到傳統(tǒng)的基于mallat算法的小波變換有較多的局限性,我們采用第二代提升型算法實(shí)現(xiàn)小波變換,可以有效降低運(yùn)算的時(shí)間和資源;具體降噪步驟如下:1)、數(shù)據(jù)預(yù)處理??紤]到小波變換對(duì)于高頻噪聲的去噪效果非常好,但其在信噪比較低時(shí)去噪效果會(huì)降低,故在軟件中先對(duì)數(shù)據(jù)做累加平均2000次,提高系統(tǒng)信噪比。累加2000次后,信號(hào)的強(qiáng)度增加2000倍,而噪聲是隨機(jī)的,它的強(qiáng)度只增加
2)、提升小波正變換。將含噪信號(hào)提升小波分解至j層,得到相應(yīng)的提升小波分解系數(shù);本實(shí)施例中,考慮到分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)時(shí)間要求,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),權(quán)衡運(yùn)算量、能量緊致性等因素,小波基選取db4,分解層數(shù)(尺度)為j=4;
3)、對(duì)含噪信號(hào)的小波系數(shù)軟閾值處理,去除掉一定量的高頻小波系數(shù);
4)、由處理后的小波系數(shù),做提升小波逆變換,完成信號(hào)重構(gòu),得到干凈信號(hào);
5)、對(duì)干凈信號(hào)再做10次累加平均,便可得到更優(yōu)降噪效果。
更進(jìn)一步地,本實(shí)施例所述fpga選用lattic公司的lfe3-17ea-6ftn256c,其具有高達(dá)17klut、24個(gè)乘法器以及38個(gè)的ebrsram塊,資源豐富,非常方便直接在fpga里面完成數(shù)據(jù)fifo緩存,可大大簡(jiǎn)化verilog的編寫(xiě)難度;
更進(jìn)一步地,fpga將降噪后的干凈信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送給單片機(jī)進(jìn)行溫度解調(diào),此過(guò)程比較簡(jiǎn)單,不再詳細(xì)論述;
進(jìn)一步地,所述單片機(jī)采用基于arm內(nèi)核的stm32f407zet6;該芯片最高主頻180mhz;內(nèi)置1024kflash和192ksram;在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中應(yīng)用,其性?xún)r(jià)比要高于常用的f103系列。
其中,所述脈沖激光器的中心波長(zhǎng)為1550nm,脈沖寬度為10ns,重復(fù)頻率為10khz,峰值功率為20w。
其中,所述的波分復(fù)用器由中心波長(zhǎng)為1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長(zhǎng)為1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片和rayleigh散射光濾波片構(gòu)成。
其中,所述傳感光纖為高導(dǎo)熱型62.5um多模傳感光纖。
其中,所述apd模塊由同一型號(hào)的兩個(gè)工作于蓋革模式的apd和恒溫控制電路等組成,兩個(gè)apd分別完成stokes光和anti-stokes光雙通道光強(qiáng)檢測(cè)。
本發(fā)明還提出一種基于光量子反演的光纖傳感方法,包括以下步驟:
令apd模塊中的apd長(zhǎng)期有效地工作于蓋革模式,使其具備光量子響應(yīng)能力;
根據(jù)實(shí)際所需傳感長(zhǎng)度,將激光器輸出分為近端脈沖和遠(yuǎn)端脈沖,其中,遠(yuǎn)端脈沖功率大于近端脈沖;
先遮蓋apd,完成暗計(jì)數(shù)值的存儲(chǔ),再由信號(hào)處理模塊控制蓋革模式apd,完成背向散射光照下光量子響應(yīng)電脈沖計(jì)數(shù),結(jié)合暗計(jì)數(shù)值,反演得到實(shí)際入射光強(qiáng)度;
對(duì)實(shí)際入射光強(qiáng)度進(jìn)行累加平均,完成預(yù)處理;
對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)做提升小波變換,獲得不同尺度下的小波系數(shù);
對(duì)含噪信號(hào)的小波系數(shù)做閾值處理,去掉高頻小波系數(shù);
對(duì)處理后的小波系數(shù),進(jìn)行小波逆變換,完成信號(hào)重構(gòu),得到干凈信號(hào);
對(duì)干凈信號(hào)再做一定數(shù)量的累加平均,以得到更加好的降噪效果;
分別計(jì)算近端脈沖和遠(yuǎn)端脈沖所負(fù)責(zé)傳感的數(shù)據(jù)點(diǎn),最后拼接成一條完整的數(shù)據(jù)曲線(xiàn),完成解調(diào)工作。
本發(fā)明提出的基于光量子反演的光纖傳感方法及系統(tǒng),由于靈敏度的提高,不僅使得系統(tǒng)能夠探測(cè)到傳感光纖更遠(yuǎn)距離處的微弱散射信號(hào),而且更有效地避免了電路噪聲的引入,提高了信噪比,降低了后端電路設(shè)計(jì)難度和信號(hào)處理難度,使系統(tǒng)擁有更良好的測(cè)溫精度。與此同時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)的屏蔽效能也降低了要求。值得一提的是,本發(fā)明所述方法,同樣可以推廣在準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)或者其他涉及光強(qiáng)檢測(cè)的光纖傳感技術(shù)中,從而促進(jìn)光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。
只要不違背本發(fā)明創(chuàng)造的思想,對(duì)本發(fā)明的各種不同實(shí)施例進(jìn)行任意組合,均應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容;在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi),對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單的變型及不同實(shí)施例進(jìn)行的不違背本發(fā)明創(chuàng)造的思想的任意組合,均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。