[发明专利]一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤测温系统的技术领域，尤其涉及一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法。

背景技术

分布式光纤测温系统(以下称DTS系统)广泛应用于各种火灾监控现场，例如公路隧道、地铁隧道、电力电厂的动力电缆隧道、石油化工储油罐等现场。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系统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，经光电转换及信号处理后就可解调出温度场的实时温度信息。DTS系统组成一般包括大功率脉冲激光光源、光纤波分复用耦合器、传感光缆、光电探测器、信号放大模块、数据采集模块及系统主机(PC机或工控机)。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。

目前DTS系统完全满足公路、隧道等测温精度要求比较低的的火灾监控场所的应用要求；但是对于像电力电厂的动力电缆载流量监测等对温度精度要求比较高的应用场合，目前国内厂家研制的DTS系统尚不能满足应用要求。因此如何提高DTS系统的测温精度，也就是如何降低系统噪声，成为国内高校院所及厂家大力研究的重点。

DTS系统根据拉曼散射来原理来解调温度信息，由于拉曼散射光十分微弱，因此光电转换(一般采用APD作为光电转换器)后产生的电信号也很微弱，信号几乎全部淹没在噪声中。这些噪声中除了APD产生的暗电流噪声和光源产生的ASE噪声外，还有APD及电路系统产生的白噪声。APD暗电流噪声和ASE噪声可以用电路的交流耦合去除一些，而对白噪声的消除传统的方法是多次采集信号，然后把这些信号累加后再平均，理论分析采用平均方法可以有效降低噪声(噪声互相消除)。但是白噪声是宽带噪声，也就是说其带宽很宽，通过累加和平均方法，可以消除一部分，但是白噪声的影响还是很明显，系统信噪比还是不理想，因此系统解调出来的温度信号其噪声也比较大，也就是测温精度不够高。此外，采用累加后平均的方法，测量时间随着累加次数的增加而增加。

FFT变换(快速傅里叶变换)是数字信号处理领域一种很重要的算法，一般用来分析信号的频谱，在实际应用中，可以用来对信号进行滤波，例如，用来滤除某一个频段的信号。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法，该方法采用FFT变换，去除系统带宽之外的噪声，有效降低噪声，提高系统信噪比，从而提高测温精度。

为了达到上述目的，本发明采用一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法，所述一种基于FFT的分布式光纤测温系统包括窄脉冲激光光源、光纤波分复用耦合器、传感光缆、APD(光电探测器)、小信号放大模块、数据采集模块及系统主机(PC机或工控机)。

根据理论分析，DTS系统的噪声主要包含了APD暗电流噪声、光源ASE噪声和系统电路产生的白噪声。APD暗电流噪声、光源ASE噪声是接近于直流的低频噪声，可采用交流耦合电路有效地降低；而白噪声是带宽很宽的噪声，实验表明DTS系统信号的高频分量(主要是白噪声)有比较高的能量存在；另一方面，DTS系统有效的温度信号其带宽也比较宽，从低频到高频部分一直都有信号分布，实验表明，温度信号的能量主要集中在几十Hz到几十MHz范围内。因此，对采集到的信号通过FFT进行滤波，即先进行FFT变换，然后把系统频带外的信号滤除，再进行FFT反变换，就可以获得滤波后比较干净的信号，从而提高系统信噪比。

一种基于FFT的分布式光纤测温系统降噪方法，包括如下步骤：

步骤一，当同步信号产生时系统采集一段有效数据，即获得光缆上每个位置(如每一米)的数据(如温度信号等)；

步骤二，对步骤一采集到的数据做FFT变换，获得信号(包括噪声)的频域信息；

步骤三，对信号的频域信息进一步分析，把接近于直流(如频率小于10Hz)的信号分量和高频(如频率大于50MHz)信号分量的频谱值置0，其他频带分量的信号的频谱值保持不变；

这一步把温度信号频带外的噪声滤除，也就是对信号进行滤波；

步骤四，把滤波后的信号的频谱分量进行FFT逆变换，获得滤波后重构的时域信号；

此时信号已经滤除了信号频带外的噪声，信噪比已获得较大提高；