專利名稱：一種多窄脈沖激光光源及其實現方法
技術領域：
本發明涉及光纖測溫技術領域，特別涉及光纖測溫技術領域中的窄脈沖激光光源技術。
背景技術：
分布式光纖測溫系統(以下稱DTS系統)是一種基于OTDR和拉曼散射原理研制而成的溫度測量系統，其溫度傳感器是光纖。DTS系統組成一般包括大功率脈沖激光光源、 光纖波分復用耦合器、傳感光纜、光電探測器、信號放大模塊、數據采集模塊及系統主機(PC 機或工控機)。DTS系統經過多年的研究和發展，目前中短距離(指的是可測量距離的長度)的系統已很成熟而且已經大量上市。但是長距離的系統，例如可測量12km到25km的系統尚處于研發階段，目前，市面上也有一些可測量長距離的DTS系統，但其成本高昂，限制了該系統的普及。
實驗表明，大功率激光在光纖中傳輸時，當功率高于某個閾值時，在大約十幾公里處容易產生自發輻射；而對于DTS，自發輻射達到一定程度時，系統產生非線性，這時系統就無法解調出溫度信息。而如果降低光源功率，可以消除非線性，但根據ODTR原理，由于光在光纜中的傳輸損耗，距離增加了，光纜末端處的拉曼散射光功率將變得更低，同時從尾端處傳輸回來的光路程更長，損耗也更大，這導致了散射光回到光電探測器時光功率變得非常弱，不易探測。所以這就產生了光源功率增加——測量距離增加，但產生非線性，系統無法解調出溫度信息與光源功率降低——消除非線性，但測量距離變短的矛盾。因此，目前中短距離的DTS系統，不能簡單地增加其光源的功率達到測量距離的增加。
目前在DTS系統中，作為核心部件的大功率脈沖激光光源一般是窄脈沖激光光源。傳統的窄脈沖激光光源是單窄脈沖激光光源，其脈沖驅動電路相對簡單，只能產生周期性的單脈沖驅動信號，因而這種窄脈沖激光光源只能產生具有一定重復頻率的一定脈沖寬度的脈沖激光。但是，基于這種單窄脈沖激光光源的DTS系統，只能滿足中短距離的測量要求，無法滿足長距離的測量應用。發明內容
為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種多窄脈沖激光光源，基于這種多窄脈沖激光光源的DTS系統，可以解決測溫時功率增加與非線性的矛盾，達到長距離測量的目的。
為了達到上述目的，本發明采用一種多窄脈沖激光光源，包括多窄脈沖信號發生器、電源系統、雪崩三極管、激光二極管、可調電位器，其特征在于電源系統的一個輸出端連接多窄脈沖信號發生器的輸入端，電源系統的另一個輸出端連接激光二極管的輸入端 (正極)；激光二極管的輸出端(負極)連接雪崩三極管的一個輸入端C極，雪崩三極管的另一個輸入端B極連接多窄脈沖信號發生器的輸出端，雪崩三極 管的輸出端E極連接可調電位器。
進一步的，所述多窄脈沖信號發生器包括FPGA、至少一個延時線器件、多個PWM發生器、多路高速或邏輯塊及線驅動器件，所述FPGA的第一個輸出端連接第一個PWM發生器的輸入端，FPGA的其他輸出端分別連接延時線器件的輸入端，延時線器件的輸出端分別連接除第一個PWM發生器之外的其他PWM發生器的輸入端，每個PWM發生器的輸出端分別一一對應連接多路高速或邏輯塊的輸入端，多路高速或邏輯塊的輸出端連接線驅動器件。
所述一種多窄脈沖激光光源各個部分功能如下
所述電源系統給多窄脈沖信號發生器和激光二極管供電；所述激光二極管用來產生激光；所述雪崩三極管用來驅動激光二極管；所述可調電位器用來調節流過激光二極管的電流從而調節激光二極管輸出激光的功率；所述多窄脈沖信號發生器用來產生多窄脈沖信號，此多窄脈沖信號通過雪崩三極管來驅動激光二極管從而產生多窄脈沖激光。
所述多窄脈沖信號發生器，其內部各個部分功能如下
所述FPGA經通信接口與上位機連接，其功能是產生多路具有相同重復頻率的觸發信號，觸發信號的重復頻率可由上位機軟件通過FPGA的通信接口設置。
所述通信接口采用RS232接口。
所述延時線器件，其功能是對輸入的觸發信號進行延時，即輸入到延時線器件的觸發信號經延時線器件輸出后，輸出信號比輸入信號延時了一定的時間。
所述延時線器件對輸出信號的延時時間可由上位機軟件通過FPGA的通信接口設置。
進一步地，各路觸發信號經過延時線器件后的延時時間設置不同，延時時間的單位一般以最終系統輸出的窄脈沖寬度為單位。
進一步地，所述延時線器件為DS1021S。
所述PWM發生器，其功能是當有觸發信號(一般是上升沿信號，脈寬不限)輸入時，該器件產生一個窄脈沖信號，該窄脈沖信號的頻率與觸發信號的頻率相同，且脈沖寬度可由上位機軟件通過FPGA的通信接口設置，因此脈沖寬度是可調的。
進一步地，所述PWM發生器為DS1023S，該器件能產生的窄脈沖信號的脈寬最小可達5ns，屬于超窄脈沖類型；而該器件最小可調的步進是O. 25ns。
所述多路高速或邏輯塊，其功能是對輸入的多路信號做或運算(一種邏輯運算)， 其輸出就是多路輸入信號的或運算輸出。
進一步地，所述多路高速或邏輯塊，采用基本2輸入高速或門通過級聯方式實現。
所述線驅動器件5，其功能是對輸入驅動能力比較弱的脈沖信號，增強其驅動能力后輸出，同時改善信號的上升沿，從而獲得更完美的脈沖信號。
本發明公開了一種多窄脈沖激光光源的實現方法，包括如下步驟
第一步FPGA產生多路具有相同頻率的觸發信號，第一路觸發信號直接由FPGA輸入PWM發生器并輸出第一路沒有延時的窄脈沖信號，其余各路觸發信號分別輸入與之對應的延時線器件，由延時線器件分別延時不同的時間后輸出；
第二步延時時間各不相同的各路觸發信號分別輸入PWM發生器，經PWM發生器輸出后變為延時時間各不相同的窄脈沖信號；
第三步所述第一路沒有延時的窄脈沖信號與第二路延時的窄脈沖信號分別輸入多路高速或邏輯塊的兩個輸入端進行或運算；第三路延時的窄脈沖信號與第四路延時的窄脈沖信號分別輸入多路高速或邏輯塊的兩個輸入端進行或運算；以此類推，將每兩路或運算的結果再按上述方法繼續進行或運算，直至最終只有一路信號輸出，即輸出一路具有多個窄脈沖的多窄脈沖信號；
第四步上述多窄脈沖信號輸入線驅動器件，然后輸出一個驅動能力增強、上升沿改善的更完美的多窄脈沖信號，此信號即多窄脈沖信號發生器最終輸出的多窄脈沖信號。
第五步所述多窄脈沖信號發生器輸出的多窄脈沖信號輸入到雪崩三極管的B 極，使得雪崩三極管工作，即有脈沖時導通，無脈沖時截止。
第六步激光二極管工作，即有脈沖時發射激光，無脈沖時不發射激光，輸出具有與所述多窄脈沖信號相同的重復頻率和脈寬的多窄脈沖激光。
第七步，調節與雪崩三極管E極相連的可調電位器的阻值來調節激光二極管輸出的多窄脈沖激光的峰值功率。
本發明的有益效果在于采用多窄脈沖信號發生器產生的多窄脈沖信號來控制雪崩三極管導通和截止，使被雪崩三極管驅動的激光二極管產生與多窄脈沖信號具有相同重復頻率和脈寬的多窄脈沖激光；基于多窄脈沖激光光源的DTS系統，可解決DTS系統測溫時功率增加與非線性的矛盾，達到長距離測量的目的。
圖1為本發明結構示意圖2為本發明多窄脈沖信號發生器結構示意圖3為本發明實例I的結構示意圖4為本發明實施例1的窄脈沖時序圖。
具體實施式
下面結合附圖進一步說明本發明的具體實施方式
。
如圖1和圖2所示一種多窄脈沖激光光源，包括多窄脈沖信號發生器1、電源系統2、雪崩三極管3、激光二極管4、可調電位器5，所述電源系統2的一個輸出端連接多窄脈沖信號發生器I的輸入端，電源系統2的另一個輸出端連接激光二極管4的輸入端(正極)；激光二極管4的輸出端(負極)連接雪崩三極管3的一個輸入端C極，雪崩三極管3 的另一個輸入端B極連接多窄脈沖信號發生器I的輸出端，雪崩三極管3的輸出端E極連接可調電位器5。
進一步的，所述多窄脈沖信號發生器I包括FPGA11、至少一個延時線器件12、多個 PWM發生器13、多路高速或邏輯塊14及線驅動器件15，所述FPGAll的第一個輸出端連接第一個PWM發生器13的輸入端，FPGAll的其他輸出端分別連接延時線器件12的輸入端，延時線器件12的輸出端分別連接除第一個PWM發生器13之外的其他PWM發生器13的輸入端，每個PWM發生器13的輸出端分別一一對應連接多路高速或邏輯塊14的輸入端，多路高速或邏輯塊14 的輸出端連接線驅動器件15。
所述一種多窄脈沖激光光源各個部分功能如下
所述電源系統2給多窄脈沖信號發生器I和激光二極管4供電；所述激光二極管 4用來產生激光；所述雪崩三極管3用來驅動激光二極管4 ;所述的可調電位器5用來調節流過激光二極管4的電流從而調節激光二極管4輸出激光的功率。所述多窄脈沖信號發生器I用來產生多窄脈沖信號，此脈多窄沖信號通過雪崩三極管3來驅動激光二極管4而產生多窄脈沖激光。
所述多窄脈沖信號發生器1，其內部各個部分功能如下
所述FPGAlI經通信接口與上位機連接，同時產生N路(N彡2)具有相同重復頻率的觸發信號，觸發信號的重復頻率可由上位機軟件通過FPGAll的通信接口設置；
所述通信接口采用RS232接口。
所述延時線器件12，其功能是對輸入的觸發信號進行延時，延時時間由上位機軟件通過FPGA的通信接口設置；
進一步地，各路觸發信號經過延時線器件12后的延時時間設置不同，延時時間的單位一般以最終系統輸出的窄脈沖寬度為單位；例如系統輸出窄脈沖寬度是5ns，那么延時時間可設置為5ns的倍數,如5ns, 10ns, 15ns等。
進一步地，所述延時線器件12為DS1021S。
所述PWM發生器13，其功能是當有觸發信號(一般是上升沿信號，脈寬不限)輸入時，該器件產生一個窄脈沖信號，該窄脈沖信號的頻率與觸發信號的頻率相同，且脈沖寬度可由上位機軟件通過FPGAll的通信接口設置，因此脈沖寬度是可調的。
進一步地，所述PWM發生器13為DS1023S，該器件能產生的窄脈沖信號的脈寬最小可達5ns，屬于窄脈沖類型；該器件最小可調的步進是O. 25ns。
所述多路高速或邏輯塊14，其功能是對輸入的多路信號做或運算(一種邏輯運算)，其輸出就是多路輸入信號的或運算輸出。
進一步地，所述多路高速或邏輯塊14，采用基本2輸入高速或門通過級聯方式實現。
所述線驅動器件15，其功能是對輸入驅動能力比較弱的脈沖信號，增強其驅動能力后輸出，同時改善信號的上升沿，從而獲得更完美的脈沖信號。
一種多窄脈沖激光光源的實現方法，具體如下
第一步FPGA11產生N路(N彡2)具有相同頻率的觸發信號，第一路觸發信號Sll 直接由FPGAll輸入PWM發生器13并輸出第一路沒有延時的窄脈沖信號S13，其余各路觸發信號S21、S31......SNl分別輸入 各延時線器件12，由延時線器件12分別延時不同的時間后輸出延時信號S22、S32......SN2 ；
第二步延時時間各不相同的各路延時信號S22、S32......SN2分別輸入PWM發生器13，經PWM發生器13輸出后變為延時時間各不相同的窄脈沖信號S23、S33......SN3 ；
第三步所述第一路沒有延時的窄脈沖信號S13與第二路延時的窄脈沖信號S23 分別輸入多路高速或邏輯塊14的兩個輸入端進行或運算；第 三路延時的窄脈沖信號S33與第四路延時的窄脈沖信號S43分別輸入多路高速或邏輯塊14的兩個輸入端進行或運算；以此類推，將每兩路或運算的結果再按上述方法繼續進行或運算，直至最終只有一路信號輸出，即輸出一路具有多個窄脈沖的多窄脈沖信號So ；
第四步上述多窄脈沖信號So輸入線驅動器件15，輸出一路驅動能力增強、上升沿改善的更完美的多窄脈沖信號。此信號即多窄脈沖信號發生器最終輸出的信號。
第五步所述多窄脈沖信號發生器I輸出的多窄脈沖信號輸入到雪崩三極管3的 B極，使得雪崩三極管3工作，即有脈沖時導通，無脈沖時截止。
第六步激光二極管4工作，即有脈沖時發射激光，無脈沖時不發射激光，輸出具有與所述多窄脈沖信號相同的重復頻率和脈寬的多窄脈沖激光。
第七步，調節與雪崩三極管3的E極相連的可調電位器5的阻值來調節激光二極管4輸出的多窄脈沖激光的峰值功率。
實施例1 :如圖1、圖3和圖4所示取N = 4，FPGAlI的第一個輸出端連接第一個 PWM發生器13的輸入端，FPGAlI的其他輸出端分別連接三個延時線器件12的輸入端，三個延時線器件12的輸出端分別連接第二、三、四個PWM發生器13的輸入端，四個PWM發生器 13的輸出端分別一一對應連接多路高速或邏輯塊14的四個輸入端，多路高速或邏輯塊14 的輸出端連接線驅動器件15。
如圖3、圖4所不假設多窄脈沖信號發生器I輸出的多窄脈沖信號So的一個窄脈沖的寬度為T，PWM發生器13的型號為DS1023S，FPGAll輸出四路觸發信號分別為S11、 S21、S31、S41，第一路觸發信號Sll沒有延時，第二路觸發信號S21延時2T輸出后為S22，第三路觸發信號S31延時4T輸出后為S32，第四路觸發信號延時6T輸出后為S42 ;S11、S22、 S32、S42經PWM發生器13后分別輸出四路窄脈沖信號S13、S23、S33、S43，其中S13與S23 做或運算，S33與S43做或運算，然后再將兩路或運算的結果再做或運算，最終輸出一路有四個窄脈沖的信號So。So輸入線驅動器件15，最后輸出一個驅動能力增強、上升沿改善的更完美的有四個窄脈沖的信號。
此具有四個窄脈沖的信號輸入到雪崩三極管3的B極，使得雪崩三極管3工作，即有脈沖時導通，無脈沖時截止；從而使得激光二極管4工作，輸出具有四個窄脈沖的超窄脈沖激光信號；該超窄脈沖激光的脈沖寬度和重復頻率及占空比與四個窄脈沖信號So相同。
調節與雪崩三極管3的E極相連的可調電位器5的阻值可以調節激光二極管4輸出的具有四個超窄脈沖激光的峰值功率。
以上顯示和描述的是本發明的基本原理、主要特征及本發明的優點，本行業的技術人員應該了解本發明不受上述方法的限制，上述方法和說明書中描述的只是說本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落 入由本發明所附的權利要求書及其等效物界定的保護范圍內。
權利要求
1.一種多窄脈沖激光光源，包括多窄脈沖信號發生器、電源系統、雪崩三極管、激光二極管、可調電位器，其特征在于電源系統的一個輸出端連接多窄脈沖信號發生器的輸入端，電源系統的另一個輸出端連接激光二極管的輸入端(正極)；激光二極管的輸出端(負極)連接雪崩三極管的一個輸入端C極，雪崩三極管的另一個輸入端B極連接多窄脈沖信號發生器的輸出端，雪崩三極管的輸出端E極連接可調電位器。
2.根據權利要求1所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述多窄脈沖信號發生器包括FPGA、至少一個延時線器件、多個PWM發生器、多路高速或邏輯塊及線驅動器件，所述FPGA的第一個輸出端連接第一個PWM發生器的輸入端，FPGA的其他輸出端分別連接延時線器件的輸入端，延時線器件的輸出端分別連接除第一個PWM發生器之外的其他PWM發生器的輸入端，每個PWM發生器的輸出端分別一一對應連接多路高速或邏輯塊的輸入端，多路高速或邏輯塊的輸出端連接線驅動器件。
3.根據根據權利要求2所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述FPGA產生多路具有相同頻率的觸發信號。
4.根據權利要求3所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述多路具有相同頻率的觸發信號設置不同的延時時間。
5.根據權利要求2所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述FPGA產生的多路觸發信號的重復頻率由上位機軟件通過FPGA的通信接口設置。
6.根據權利要求2所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述延時線器件的型號為 DS1021S。
7.根據權利要求2所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述延時線器件的延時時間可由上位機軟件通過FPGA的通信接口設置。
8.根據權利要求5或7所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述通信接口采用 RS232 接口。
9.根據權利要求2所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述PWM發生器的型號為 DS1023S。
10.根據權利要求2所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述PWM發生器輸出的脈沖寬度可由上位機軟件通過FPGA的通信接口設置。
11.根據權利要求2所述的一種多窄脈沖激光光源，其特征在于所述多路高速或邏輯塊采用基本2輸入高速或門通過級聯方式實現。
12.—種多窄脈沖激光光源的實現方法，包括如下步驟 第一步FPGA產生多路具有相同頻率的觸發信號，第一路觸發信號直接由FPGA輸入PWM發生器并輸出第一路沒有延時的窄脈沖信號,其余各路觸發信號分別輸入與之對應的延時線器件，由延時線器件分別延時不同的時間后輸出； 第二步延時時間各不相同的各路觸發信號分別輸入PWM發生器，經PWM發生器輸出后變為延時時間各不相同的窄脈沖信號； 第三步所述第一路沒有延時的窄脈沖信號與第二路延時的窄脈沖信號分別輸入多路高速或邏輯塊的兩個輸入端進行或運算；第三路延時的窄脈沖信號與第四路延時的窄脈沖信號分別輸入多路高速或邏輯塊的兩個輸入端進行或運算；以此類推，將每兩路或運算的結果再按上述方法繼續進行或運算，直至最終只有一路信號輸出，即輸出一路具有多個窄脈沖的多窄脈沖信號； 第四步上述多窄脈沖信號輸入線驅動器件，然后輸出一個驅動能力增強、上升沿改善的更完美的多窄脈沖信號，此信號即多窄脈沖信號發生器最終輸出的多窄脈沖信號。
第五步所述多窄脈沖信號發生器輸出的多窄脈沖信號輸入到雪崩三極管的B極，使得雪崩三極管工作，即有脈沖時導通，無脈沖時截止。第六步激光二極管工作，即有脈沖時發射激光，無脈沖時不發射激光，輸出具有與所述多窄脈沖信號相同的重復頻率和脈寬的多窄脈 沖激光。
第七步，調節與雪崩三極管E極相連的可調電位器的阻值來調節激光二極管輸出的多窄脈沖激光的峰值功率。
全文摘要
本發明公開了一種多窄脈沖激光光源及其實現方法，所述激光光源包括多窄脈沖信號發生器、電源系統、雪崩三極管、激光二極管、可調電位器，電源系統的一個輸出端連接多窄脈沖信號發生器的輸入端，另一個輸出端連接激光二極管輸入端；雪崩三極管的一個輸入端C連接激光二極管的一個輸出端，另一個輸入端B連接多窄脈沖信號發生器的輸出端，雪崩三極管的輸出端E連接可調電位器。其優點是采用多窄脈沖信號發生器產生的多窄脈沖信號來控制雪崩三極管導通和截止，使被雪崩三極管驅動的激光二極管產生與多窄脈沖信號具有相同重復頻率和脈寬的多窄脈沖激光；基于多窄脈沖激光光源的DTS系統，可解決DTS系統測溫時功率增加與非線性的矛盾，達到長距離測量的目的。
文檔編號G01K11/32GK103036145SQ20111029522
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者黃正 申請人:上海華魏光纖傳感技術有限公司