[发明专利]一种可提高分布式光纤测温系统测温动态范围的电路

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤测温系统技术领域，特别涉及一种可提高分布式光纤测温系统测温动态范围的电路。

背景技术

分布式光纤测温系统(以下称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，经光电转换后产生拉曼电信号，经放大并滤波，再进行信号处理后就可解调出温度场的实时温度信息。由于DTS是分布式的，即光缆连续地铺设在需要监测的现场，而且距离较长(通常是几公里)，相比与其他测温系统，DTS具有明显的优势。该系统目前已广泛应用于各种隧道，电力，钢铁厂及矿场等需要火灾监测的领域。

测温动态范围(即DTS系统可测量的温度范围)是DTS系统的一项重要指标，不同应用场合对DTS系统的测温动态范围要求不同，例如隧道消防监控的测温动态范围是几十℃，而电力及钢铁厂的温度监控则是几百℃。

DTS系统的测温动态范围由系统数据采集卡的模数转换器(ADC)的动态范围决定，而ADC的动态范围通常是固定的，因此按照常规的电路设计方法，DTS系统的动态范围也是固定的。常规的DTS系统数据采集卡，包括前置差分放大器，第一隔直电容(C1)、第二隔直电容(C2)，获取共模电压的第一电阻(R1)、第二电阻(R2)，组成低通滤波器的第三电阻(R3)、第四电阻(R4)及第三电容(C3)，模数转换器(ADC)，数据采集控制器FPGA。

上述常规电路所获得的信号动态范围如图2所示，这种常规电路的缺陷是：当输入的拉曼信号F过大时会出现饱和现象(失真)；而信号一旦出现饱和现象，经采集后，解调出的温度信息则出现失真，也就是测温动态范围不够。下面从原理上来做进一步的分析：

从ADC的特点可知，假设ADC等效输入信号S范围是-Av～+Av(例如A＝1)，转换成数字后输出D范围是0～(2^N-1)，其中N为ADC的位数(即分辨率)。当ADC等效输入信号S为-Av时，对应的数字转换结果D为0；而当ADC的等效输入信号为+Av时，转换成数字输出结果D为(2^N-1)；即D＝(等效输入信号S幅值/A)*2^N-1+2^N-1。当ADC输入信号S≤-Av时，S出现饱和，转换成数字输出结果D为0；当ADC输入信号S≥Av时，S出现饱和，转换成数字输出结果D为(2^N-1)。

那么，假设输入拉曼信号为F，经差分放大器后变成差分信号Fp和Fn，经隔直电容后变成Sp和Sn，而ADC输出的工模电压为CML0，那么有

Sp＝Fp+CML0；

Sn＝Fn+CML0；

于是ADC等效输入信号为S＝Sp-Sn＝(Fp+CML0)-(Fn+CML0)＝Fp-Fn。

再来分析拉曼信号F的幅值特点，拉曼信号F的幅值是大于等于0，即S＝Fp-Fn≥0。

那么拉曼信号F经过差分放大器及隔直电容后得到ADC的等效输入信号的范围是：0v≤S≤+Av，那么ADC转换的结果D≥2^N-1；即系统的动态范围是：2^N-1≤D≤(2^N-1)，如图1所示系统有效信号动态范围为Y0～Y1。

也就是系统只利用到了ADC动态范围的一半，即2^N-1～(2^N-1)，而另一半0～(2^N-1-1)没有被利用到；因而测温动态范围受到限制。当输入拉曼信号比较大时(例如温度比较高)，ADC输入等效信号将达到饱和，即会出现S≥Av，ADC转换的结果D＝2^N-1，从而造成信号失真，解调出的温度信号也失真。

因此，设计一种电路来防止拉曼信号出现饱和，从而提高DST系统测温动态范围，这对DTS系统应用具有重要意义。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种可提高分布式光纤测温系统测温动态范围的电路，可以提高DTS系统拉曼信号的动态范围，从而提高系统测温动态范围。