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摘 要：提出了一種基于數字信號處理器（DSP）的分布式光纖測溫系統，系統以DSP為核心，以并行高速流水線式 ADC、FIFO和CPLD為主體實現對光纖溫度傳感器輸出信號的高速數據采集與處理，其采樣速率可達100MSPS。全面介紹了該系統的原理及實現過程，并討論了實驗結果。
關鍵詞：光纖溫度傳感器；光纖測溫；數字信號處理器；信號處理
引言
--- 分布式光纖測溫系統是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感器系統。它利用同一根光纖作為溫度信息的傳感和傳導介質，利用光纖后向拉曼（Raman）散射光譜的溫度效應測量光纖所在的溫度場信息，利用光纖的光時域反射（OTDR）技術對測量點進行定位。由于系統具有本安性和抗腐蝕、耐高壓、抗電磁干擾、能快速多點測量并定位等優點，應用領域十分廣泛。目前已用于石油工程、電站、礦井、隧道和大壩等領域的溫度監測。國內一般都采用高速瞬態記錄儀或高速數據采集卡與微型計算機相結合的上、下位機方式實現。
本文提出的分布式光纖測溫系統以DSP為核心構成嵌入式信號處理單元，對傳感器輸出信號實時采集，有效地去除噪聲和干擾，并能夠直接在主機中快速準確地解調出溫度數據。系統組成如圖1所示，該系統能在2km光纖上實時采樣2000個測量點，
分布式光纖測溫原理
1 分布式測量原理
分布式光纖測溫系統依據OTDR技術實現分布式測量，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沿著光纖反射回來。設光纖中l處后向散射光返回到入射端F所需的時間為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為單位長度上的光散射系數，α為單位長度上的光損耗系數。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間的函數，而由式（1）可知時間的不同對應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。利用這一原理，可對測量點進行準確的定位，隨著l的逐漸增加，可實現對光纖所處溫度場的空間分布式測量。
2 溫度測量原理
光纖測溫的機理是依據后向拉曼散射光譜的溫度效應。拉曼散射光由反斯托克斯（anti-Stokes）光和斯托克斯（Stokes）光兩種不同波長的光組成。前者對溫度特別敏感，而后者與溫度關系很小。為消除光源波動和光纖彎曲等影響，提高測溫準確度，采用anti-Stokes光和Stokes光強度的比值來解調溫度信號，兩者的關系如式（4）所示。
（4）
式（4）中Ias、λa分別為anti-Stokes光的強度和波長，Is和λs分別為Stokes光的強度和波長，h是普朗克常數，c是光速，μ是波數偏移量，k是波爾茲曼常數，T是絕對溫度。
式（4）是分布式光纖溫度測量的重要理論基礎。式（4）中還存在兩種不同波長光的衰減差異和探測器對兩種波長光信號的響應差異，在實際測量系統中可以通過設置定標區來消除，即采用一段恒溫光纖作為參考光纖。設其溫度為T0，則可由式（4）推導出式（5）。
（5）
由式（5）的推導可見，設置定標區后，可以通過測定R（T）來測量光纖上各點的溫度。
基于DSP的信號處理及實現
基于DSP系統的信號處理單元完成對雪崩二極管（APD）光電探測器輸出信號的放大、采樣和處理，并解調出溫度，其組成如圖3所示。
1 高速數據采集
分布式光纖測溫系統中，空間分辨率是一個重要參數，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，要實現1m的空間分辨率，ADC采樣速率要達到100MSPS（這里不考慮系統帶寬的影響）。另外，由于光纖測溫中ADC采樣的時鐘對應著光纖上的空間距離，采樣時鐘頻率或相位上的偏移即意味著光纖上測量點位置的偏移。因此，為保證高的空間分辨率和高的空間定位準確度，系統的采樣電路采用單片雙通道100MSPS的高速流水線式ADC同步對anti-Stokes和Stokes信號進行實時采樣。依靠ADC自身的高速模數轉換性能和同一的響應特性確保空間分辨率穩定可靠及空間定位準度，滿足系統要求。
對于高速ADC器件，要想及時讀取轉換數據，確保不丟失（這在分布式光纖測溫中是必須的），需要高速、可靠的數據傳輸。一個8bit、100MSPS的ADC的數據傳輸速率要求達到100Mb/s。這對目前的DSP芯片來說，其外部總線數據傳輸能力很難達到。另外，分布式光纖測溫系統中信號的數據采集具有間歇性。對一個2km的系統，若激光器以10kHz信號觸發，則激光脈沖信號周期為100μs。由式（1）可知：一次測量中，測完最后一個測量點所需的時間為20μs，即ADC需且只需在脈沖周期的前20μs采樣。因此，必須設計專門的數據采集電路。
系統中，在 ADC與DSP之間加入高速先入先出隊列芯片（FIFO）進行數據緩沖，由可編程邏輯器件（CPLD）控制ADC向FIFO的數據寫入。ADC在外部時鐘控制下以一定的速率采樣并輸出數據，CPLD根據激光脈沖的同步信號將每個測量點的采樣數據依次寫入FIFO。當最后一個測量點的采樣數據寫入FIFO后即停止寫入，直到下一個激光脈沖同步信號到來，以保證數據的準確性。
2 數字信號處理
由于拉曼散射信號十分微弱，完全被淹沒在噪聲中，分布式測溫系統需要采用弱信號檢測，從噪聲中提取待測信號。由于光纖測溫系統中噪聲的主要成分具有零均值的統計特性，可以利用噪聲的統計特性來達到降噪的目的。因此，為提高信噪比，后續信號處理采用數字平均的方法，即將一次測量的N點數據依次存儲到DSP內存單元中，將下一次測量的N點數據與內存對應單元的數據相加，再放回原內存單元，依次循環M次，然后對各單元求平均。
將每次測量的N點數據寫成向量的形式，則第i次的測量結果可由式（6）表示。
（6）
M次測量結果的數字平均可表示為式（7）。
（7）
式（7）中向量B的每個元素（b1，b2，b3，…，bN）代表了各個測量點M次測量的均值。設被測信號為a＝S（t）＋N（t），其中S（t）是實際待測信號，N（t）是方差為σ的噪聲，則第j點的M次測量的數字平均可由式（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）關系。
（9）
式（9）中Ps、PN分別表示以方差定義的信號和噪聲功率。由式（9）可知，經M次數字平均后，采樣信號的信噪比有很大改善。由于對每個bj相對于aij都滿足式（8），故均值序列B相對于單次測量序列Ai也滿足式（8）。因此，當M足夠大時，可以將序列B作為待測信號的一個無偏估計。
由以上分析可知，采用數字平均的方法可以大大提高采樣信號的信噪比，有效地從噪聲中提取微弱信號。當得到信噪比足夠高的anti-Stokes和Stokes信號數據后，就可以利用DSP高效的數字信號處理能力，進一步進行數據處理得到溫度數據。
系統的實驗結果及分析
分布式光纖測溫系統中，空間分辨率和測溫精度是兩個十分重要的參數。在測量空間溫度場分布時，我們總是希望空間分辨率盡可能好，同時又要求測溫精度盡可能高。
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為主體構成的高速數據采集系統，其最大采樣速率達100MHz，滿足了系統空間分辨率為1m、測溫精度小于±2℃的指標對數據采集的要求。
系統中信號處理采用以DSP為核心的嵌入式信號處理方式，可以實現軟件可編程的數字信號處理，數字平均信號處理可以實現0～65 536之間的任意次累加平均。圖4是本系統的一次實驗測量結果，其中，圖4-1是一次測量的anti-Stokes和Stokes信號采樣原始數據，圖4 -2是對圖4-1中的數據經32k次數字平均后得到的結果，圖4-3是對圖4-2數據進行溫度解調后得到的溫度曲線。
由圖4可知，采樣所得的 anti-Stokes和Stokes信號淹沒在噪聲中，信噪比很低。而經過數字平均處理，能有效改善其信噪比，并恢復信號波形。經解調后的測量溫度與實際預設溫度有明顯的線性關系，而且具有較好的空間位置一致性。這說明基于DSP的分布式光纖溫度測量方法及數據采集與處理，能夠對空間溫度場進行準確測量并定位，滿足分布式光纖溫度測量的要求。
結束語
本文提出的基于DSP的分布式光纖測溫系統，采用了DSP系統作為嵌入式信號處理單元。系統滿足空間分辨率和溫度分辨率對數據采集和數據處理的要求，并可以在主機中直接解調出溫度數據。系統結構簡單，具有較好的應用前景。隨著高速ADC和DSP器件的發展以及新的數字信號處理方法的應用，系統的溫度分辨率和空間分辨率更易于進一步提高。
參考文獻
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