作者：华东理工大学 戚风云 赵乐军 周又玲
A distributed optical fiber temperature measurement system based on DSP and it's high-speed data acquisition and processing
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（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100Mb/s。这对目前的DSP芯片来说，其外部总线数据传输能力很难达到。另外，分布式光纤测温系统中信号的数据采集具有间歇性。对一个2km的系统，若激光器以10kHz信号触发，则激光脉冲信号周期为100μs。由式（1）可知：一次测量中，测完最后一个测量点所需的时间为20μs，即ADC需且只需在脉冲周期的前20μs采样。因此，必须设计专门的数据采集电路。
系统中，在ADC与DSP之间加入高速先入先出队列芯片（FIFO）进行数据缓冲，由可编程逻辑器件（CPLD）控制ADC向FIFO的数据写入。ADC在外部时钟控制下以一定的速率采样并输出数据，CPLD根据激光脉冲的同步信号将每个测量点的采样数据依次写入FIFO。当最后一个测量点的采样数据写入FIFO后即停止写入，直到下一个激光脉冲同步信号到来，以保证数据的准确性。
2 数字信号处理
由于拉曼散射信号十分微弱，完全被淹没在噪声中，分布式测温系统需要采用弱信号检测，从噪声中提取待测信号。由于光纤测温系统中噪声的主要成分具有零均值的统计特性，可以利用噪声的统计特性来达到降噪的目的。因此，为提高信噪比，后续信号处理采用数字平均的方法，即将一次测量的N点数据依次存储到DSP内存单元中，将下一次测量的N点数据与内存对应单元的数据相加，再放回原内存单元，依次循环M次，然后对各单元求平均。
将每次测量的N点数据写成向量的形式，则第i次的测量结果可由式（6）表示。
（6） M次测量结果的数字平均可表示为式（7）。
（7） 式（7）中向量B的每个元素（b1，b2，b3，…，bN）代表了各个测量点M次测量的均值。设被测信号为a＝S（t）＋N（t），其中S（t）是实际待测信号，N（t）是方差为σ的噪声，则第j点的M次测量的数字平均可由式（8）表示。
（8） 式（8）中T为采样间隔。由式（8）可得如式（9）所示的信噪比（SNR）关系。
（9） 式（9）中Ps、PN分别表示以方差定义的信号和噪声功率。由式（9）可知，经M次数字平均后，采样信号的信噪比有很大改善。由于对每个bj相对于aij都满足式（8），故均值序列B相对于单次测量序列Ai也满足式（8）。因此，当M足够大时，可以将序列B作为待测信号的一个无偏估计。
由以上分析可知，采用数字平均的方法可以大大提高采样信号的信噪比，有效地从噪声中提取微弱信号。当得到信噪比足够高的anti-Stokes和Stokes信号数据后，就可以利用DSP高效的数字信号处理能力，进一步进行数据处理得到温度数据。
系统的实验结果及分析
分布式光纤测温系统中，空间分辨率和测温精度是两个十分重要的参数。在测量空间温度场分布时，我们总是希望空间分辨率尽可能好，同时又要求测温精度尽可能高。
为改善空间分辨率，必须提高ADC的采样速率。本文提出以DSP为核心，高速流水线式ADC、CPLD和FIFO为主体构成的高速数据采集系统，其最大采样速率达100MHz，满足了系统空间分辨率为1m、测温精度小于±2℃的指标对数据采集的要求。
系统中信号处理采用以DSP为核心的嵌入式信号处理方式，可以实现软件可编程的数字信号处理，数字平均信号处理可以实现0～65 536之间的任意次累加平均。图4是本系统的一次实验测量结果，其中，图4-1是一次测量的anti-Stokes和Stokes信号采样原始数据，图4-2是对图4-1中的数据经32k次数字平均后得到的结果，图4-3是对图4-2数据进行温度解调后得到的温度曲线。
由图4可知，采样所得的anti-Stokes和Stokes信号淹没在噪声中，信噪比很低。而经过数字平均处理，能有效改善其信噪比，并恢复信号波形。经解调后的测量温度与实际预设温度有明显的线性关系，而且具有较好的空间位置一致性。这说明基于DSP的分布式光纤温度测量方法及数据采集与处理，能够对空间温度场进行准确测量并定位，满足分布式光纤温度测量的要求。
结束语
本文提出的基于DSP的分布式光纤测温系统，采用了DSP系统作为嵌入式信号处理单元。系统满足空间分辨率和温度分辨率对数据采集和数据处理的要求，并可以在主机中直接解调出温度数据。系统结构简单，具有较好的应用前景。随着高速ADC和DSP器件的发展以及新的数字信号处理方法的应用，系统的温度分辨率和空间分辨率更易于进一步提高。
参考文献
1 史晓锋等. 分布式光纤测温系统及高速数据采集与处理. 遥测遥控，2001
2 欧阳芳平等. 分布式光纤温度传感器的温度测量与信号处理方法及实现. 激光杂志，2002
3 赵育良，张青臣. 基于分布式光纤温度传感器测量系统. 传感器技术，2002
4 张在宣等. Raman散射形分布式光纤测量方法的研究. 光电子?激光，2001
5 汪春梅等. TMS320C5000系列DSP系统设计与开发实例.电子工业出版社，2004 |
