摘 要：提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，系統(tǒng)以DSP為核心，以并行高速流水線式 ADC、FIFO和CPLD為主體實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖溫度傳感器輸出信號(hào)的高速數(shù)據(jù)采集與處理，其采樣速率可達(dá)100MSPS。全面介紹了該系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并討論了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：光纖溫度傳感器；光纖測(cè)溫；數(shù)字信號(hào)處理器；信號(hào)處理

引言
--- 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的傳感器系統(tǒng)。它利用同一根光纖作為溫度信息的傳感和傳導(dǎo)介質(zhì)，利用光纖后向拉曼（Raman）散射光譜的溫度效應(yīng)測(cè)量光纖所在的溫度場(chǎng)信息，利用光纖的光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行定位。由于系統(tǒng)具有本安性和抗腐蝕、耐高壓、抗電磁干擾、能快速多點(diǎn)測(cè)量并定位等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。目前已用于石油工程、電站、礦井、隧道和大壩等領(lǐng)域的溫度監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)一般都采用高速瞬態(tài)記錄儀或高速數(shù)據(jù)采集卡與微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合的上、下位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。
本文提出的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)以DSP為核心構(gòu)成嵌入式信號(hào)處理單元，對(duì)傳感器輸出信號(hào)實(shí)時(shí)采集，有效地去除噪聲和干擾，并能夠直接在主機(jī)中快速準(zhǔn)確地解調(diào)出溫度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組成如圖1所示，該系統(tǒng)能在2km光纖上實(shí)時(shí)采樣2000個(gè)測(cè)量點(diǎn)，

分布式光纖測(cè)溫原理
1 分布式測(cè)量原理
分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)依據(jù)OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，其原理如圖2所示。激光脈沖由光纖始端F處注入，脈沖大部分能傳到光纖末端而消失，但一小部分后向散射光會(huì)沿著光纖反射回來(lái)。設(shè)光纖中l(wèi)處后向散射光返回到入射端F所需的時(shí)間為t/2，則可得到式（1）。（1）
式（1）中v為光在光纖中傳播的速度，C為光速，n為光纖折射率。光纖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為后向散射因子，α0為單位長(zhǎng)度上的光散射系數(shù)，α為單位長(zhǎng)度上的光損耗系數(shù)。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時(shí)間的函數(shù)，而由式（1）可知時(shí)間的不同對(duì)應(yīng)著光纖上位置的不同，故返回到入射端的光功率即為光纖位置的函數(shù)。利用這一原理，可對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，隨著l的逐漸增加，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖所處溫度場(chǎng)的空間分布式測(cè)量。
2 溫度測(cè)量原理
光纖測(cè)溫的機(jī)理是依據(jù)后向拉曼散射光譜的溫度效應(yīng)。拉曼散射光由反斯托克斯（anti-Stokes）光和斯托克斯（Stokes）光兩種不同波長(zhǎng)的光組成。前者對(duì)溫度特別敏感，而后者與溫度關(guān)系很小。為消除光源波動(dòng)和光纖彎曲等影響，提高測(cè)溫準(zhǔn)確度，采用anti-Stokes光和Stokes光強(qiáng)度的比值來(lái)解調(diào)溫度信號(hào)，兩者的關(guān)系如式（4）所示。（4）
式（4）中Ias、λa分別為anti-Stokes光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)，Is和λs分別為Stokes光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)，h是普朗克常數(shù)，c是光速，μ是波數(shù)偏移量，k是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。
式（4）是分布式光纖溫度測(cè)量的重要理論基礎(chǔ)。式（4）中還存在兩種不同波長(zhǎng)光的衰減差異和探測(cè)器對(duì)兩種波長(zhǎng)光信號(hào)的響應(yīng)差異，在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中可以通過(guò)設(shè)置定標(biāo)區(qū)來(lái)消除，即采用一段恒溫光纖作為參考光纖。設(shè)其溫度為T(mén)0，則可由式（4）推導(dǎo)出式（5）。（5）
由式（5）的推導(dǎo)可見(jiàn)，設(shè)置定標(biāo)區(qū)后，可以通過(guò)測(cè)定R（T）來(lái)測(cè)量光纖上各點(diǎn)的溫度。
基于DSP的信號(hào)處理及實(shí)現(xiàn)
基于DSP系統(tǒng)的信號(hào)處理單元完成對(duì)雪崩二極管（APD）光電探測(cè)器輸出信號(hào)的放大、采樣和處理，并解調(diào)出溫度，其組成如圖3所示。
1 高速數(shù)據(jù)采集
分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，空間分辨率是一個(gè)重要參數(shù)，它決定了ADC的采樣速率。激光脈沖在傳感光纖中的傳輸速率約為2×108m/s，要實(shí)現(xiàn)1m的空間分辨率，ADC采樣速率要達(dá)到100MSPS（這里不考慮系統(tǒng)帶寬的影響）。另外，由于光纖測(cè)溫中ADC采樣的時(shí)鐘對(duì)應(yīng)著光纖上的空間距離，采樣時(shí)鐘頻率或相位上的偏移即意味著光纖上測(cè)量點(diǎn)位置的偏移。因此，為保證高的空間分辨率和高的空間定位準(zhǔn)確度，系統(tǒng)的采樣電路采用單片雙通道100MSPS的高速流水線式ADC同步對(duì)anti-Stokes和Stokes信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。依靠ADC自身的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換性能和同一的響應(yīng)特性確�？臻g分辨率穩(wěn)定可靠及空間定位準(zhǔn)度，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
對(duì)于高速ADC器件，要想及時(shí)讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，確保不丟失（這在分布式光纖測(cè)溫中是必須的），需要高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)8bit、100MSPS的ADC的數(shù)據(jù)傳輸速率要求達(dá)到100Mb/s。這對(duì)目前的DSP芯片來(lái)說(shuō)，其外部總線數(shù)據(jù)傳輸能力很難達(dá)到。另外，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中信號(hào)的數(shù)據(jù)采集具有間歇性。對(duì)一個(gè)2km的系統(tǒng)，若激光器以10kHz信號(hào)觸發(fā)，則激光脈沖信號(hào)周期為100μs。由式（1）可知：一次測(cè)量中，測(cè)完最后一個(gè)測(cè)量點(diǎn)所需的時(shí)間為20μs，即ADC需且只需在脈沖周期的前20μs采樣。因此，必須設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)采集電路。
系統(tǒng)中，在 ADC與DSP之間加入高速先入先出隊(duì)列芯片（FIFO）進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，由可編程邏輯器件（CPLD）控制ADC向FIFO的數(shù)據(jù)寫(xiě)入。ADC在外部時(shí)鐘控制下以一定的速率采樣并輸出數(shù)據(jù)，CPLD根據(jù)激光脈沖的同步信號(hào)將每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)依次寫(xiě)入FIFO。當(dāng)最后一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO后即停止寫(xiě)入，直到下一個(gè)激光脈沖同步信號(hào)到來(lái)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
2 數(shù)字信號(hào)處理
由于拉曼散射信號(hào)十分微弱，完全被淹沒(méi)在噪聲中，分布式測(cè)溫系統(tǒng)需要采用弱信號(hào)檢測(cè)，從噪聲中提取待測(cè)信號(hào)。由于光纖測(cè)溫系統(tǒng)中噪聲的主要成分具有零均值的統(tǒng)計(jì)特性，可以利用噪聲的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)達(dá)到降噪的目的。因此，為提高信噪比，后續(xù)信號(hào)處理采用數(shù)字平均的方法，即將一次測(cè)量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)到DSP內(nèi)存單元中，將下一次測(cè)量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)與內(nèi)存對(duì)應(yīng)單元的數(shù)據(jù)相加，再放回原內(nèi)存單元，依次循環(huán)M次，然后對(duì)各單元求平均。
將每次測(cè)量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)寫(xiě)成向量的形式，則第i次的測(cè)量結(jié)果可由式（6）表示。
（6）
M次測(cè)量結(jié)果的數(shù)字平均可表示為式（7）。
（7）
式（7）中向量B的每個(gè)元素（b1，b2，b3，…，bN）代表了各個(gè)測(cè)量點(diǎn)M次測(cè)量的均值。設(shè)被測(cè)信號(hào)為a＝S（t）＋N（t），其中S（t）是實(shí)際待測(cè)信號(hào)，N（t）是方差為σ的噪聲，則第j點(diǎn)的M次測(cè)量的數(shù)字平均可由式（8）表示。
（8）
式（8）中T為采樣間隔。由式（8）可得如式（9）所示的信噪比（SNR）關(guān)系。
（9）
式（9）中Ps、PN分別表示以方差定義的信號(hào)和噪聲功率。由式（9）可知，經(jīng)M次數(shù)字平均后，采樣信號(hào)的信噪比有很大改善。由于對(duì)每個(gè)bj相對(duì)于aij都滿(mǎn)足式（8），故均值序列B相對(duì)于單次測(cè)量序列Ai也滿(mǎn)足式（8）。因此，當(dāng)M足夠大時(shí)，可以將序列B作為待測(cè)信號(hào)的一個(gè)無(wú)偏估計(jì)。
由以上分析可知，采用數(shù)字平均的方法可以大大提高采樣信號(hào)的信噪比，有效地從噪聲中提取微弱信號(hào)。當(dāng)?shù)玫叫旁氡茸銐蚋叩腶nti-Stokes和Stokes信號(hào)數(shù)據(jù)后，就可以利用DSP高效的數(shù)字信號(hào)處理能力，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到溫度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，空間分辨率和測(cè)溫精度是兩個(gè)十分重要的參數(shù)。在測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布時(shí)，我們總是希望空間分辨率盡可能好，同時(shí)又要求測(cè)溫精度盡可能高。
為改善空間分辨率，必須提高ADC的采樣速率。本文提出以DSP為核心，高速流水線式ADC、CPLD和FIFO為主體構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其最大采樣速率達(dá)100MHz，滿(mǎn)足了系統(tǒng)空間分辨率為1m、測(cè)溫精度小于±2℃的指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求。
系統(tǒng)中信號(hào)處理采用以DSP為核心的嵌入式信號(hào)處理方式，可以實(shí)現(xiàn)軟件可編程的數(shù)字信號(hào)處理，數(shù)字平均信號(hào)處理可以實(shí)現(xiàn)0～65 536之間的任意次累加平均。圖4是本系統(tǒng)的一次實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，其中，圖4-1是一次測(cè)量的anti-Stokes和Stokes信號(hào)采樣原始數(shù)據(jù)，圖4 -2是對(duì)圖4-1中的數(shù)據(jù)經(jīng)32k次數(shù)字平均后得到的結(jié)果，圖4-3是對(duì)圖4-2數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度解調(diào)后得到的溫度曲線。
由圖4可知，采樣所得的 anti-Stokes和Stokes信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中，信噪比很低。而經(jīng)過(guò)數(shù)字平均處理，能有效改善其信噪比，并恢復(fù)信號(hào)波形。經(jīng)解調(diào)后的測(cè)量溫度與實(shí)際預(yù)設(shè)溫度有明顯的線性關(guān)系，而且具有較好的空間位置一致性。這說(shuō)明基于DSP的分布式光纖溫度測(cè)量方法及數(shù)據(jù)采集與處理，能夠?qū)�空間溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量并定位，滿(mǎn)足分布式光纖溫度測(cè)量的要求。

結(jié)束語(yǔ)
本文提出的基于DSP的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，采用了DSP系統(tǒng)作為嵌入式信號(hào)處理單元。系統(tǒng)滿(mǎn)足空間分辨率和溫度分辨率對(duì)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的要求，并可以在主機(jī)中直接解調(diào)出溫度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較好的應(yīng)用前景。隨著高速ADC和DSP器件的發(fā)展以及新的數(shù)字信號(hào)處理方法的應(yīng)用，系統(tǒng)的溫度分辨率和空間分辨率更易于進(jìn)一步提高。

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