CN103644926A - 光信号采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光信号采集系统，包括光电探测器，AD转换单元，自动增益控制单元，控制器，用以采集震动光缆、测温光缆的信号。此光信号采集系统将光电转化和模拟电信号的功能集成到一块板子上，解决了需要另外在光信号采集系统上装设模拟前端的不便；且通过增加自动增益控制单元，使得整个系统可以自动对转换后的电信号的电压幅值进行调整以适应AD转换单元的工作电压。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光信号采集系统。
背景技术
在光纤传感领域，如震动光缆入侵探测系统、DTS分布式光纤测温系统、DTS光纤点式测温系统等等，往往牵扯到光信号采集系统，用以采集干涉光信号或者散射光信号。采集到的光信号需要经过光电转换变成电信号，电信号还要进一步的进行放大，滤波，以达到合适的幅度与信噪比，然后传送给AD转换器进行模数转换，进行后期的处理。这一过程中最为关键的就是进行光信号采集并将光信号转换成模拟电信号的模拟前端，因为采集到的信号质量的好坏直接决定后期处理的效果，决定得到信息的准确度。
然而，现有的光信号采集系统大都缺少模拟前端，需要另外搭建模拟前端（通常为模拟板），颇为不便。并且，自己搭建的模拟前端与购买的光信号采集系统在连接的时候会损坏信号的质量（尤其体现在高速信号的采集上），结果导致采集到的信号质量变差，影响后级的信号处理。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种光信号采集系统，其自带模拟前端，可直接进行光电转换并根据转换后的电信号强度自动进行电信号处理。
本发明提供一种光信号采集系统，包含集成于一块板上的光电探测器、AD转换单元、自动增益控制单元以及控制器，其中
所述光电探测器用于接收一光信号并将其转换为一模拟电信号；
所述AD转换单元用于将所述模拟电信号转换为一数字电信号；
所述自动增益控制单元耦接所述光电探测器与所述AD转换单元之间，用于放大所述模拟电信号以使其达到所述AD转换单元的工作电压；
所述控制器分别耦接所述AD转换单元和所述自动增益控制单元，用于根据所述模拟电信号的强弱调整所述自动增益控制单元的放大倍数。
进一步的，在本发明的光信号采集系统中，所述所述光电探测器包含一光电二极管和与一互阻放大器，所述光电二极管用于接收一光信号并将其转换为一电流信号，所述互阻放大器用于将所述光电二极管产生的电流信号转换成电压信号。
进一步的，在本发明的光信号采集系统中，所述光电探测器更包含一滤波器，以滤除所述电压信号的噪声。
进一步的，在本发明的光信号采集系统中，所述自动增益控制单元包含一运算放大器与一数字电位器，所述数字电位器作为所述运算放大器的反馈电阻，所述控制器通过调整所述数字电位器的阻值大小来调整所述自动增益控制单元的放大倍数。
进一步的，在本发明的光信号采集系统中，所述控制器控制所述自动增益控制单元先对所述模拟电信号进行预放大，若所述AD转换单元采集到的所述模拟电信号为满幅，则所述控制器调整所述自动增益控制单元的放大倍数。
进一步的，在本发明的光信号采集系统中，所述AD转换单元包含一AD接口电路与一可编程逻辑器件，所述可编程逻辑器件用于产生所述AD接口电路的采样时钟信号以使所述AD接口电路对所述模拟电信号进行采样，且所述可编程逻辑器件根据所述模拟电信号的频率调整其产生的采样时钟信号的频率。
进一步的，所述可编程逻辑器件内具有一存储器用以存储经过所述AD接口电路采样所得之数据，当所述存储器存储满后，所述控制器读取所述存储器内之数据并将所述存储器清空。
进一步的，在本发明的光信号采集系统中，所述可编程逻辑器件为一现场可编程门阵列（FPGA）。
进一步的，在本发明的光信号采集系统中，所述光信号采集系统用于震动光缆入侵探测系统、DTS分布式光纤测温系统或DTS光纤点式测温系统。
本发明与现有技术相比，将光电转化和数模电信号转换及处理的功能集成到一块板子上，解决了需要另外在光信号采集系统上装设模拟前端的不便；且通过增加自动增益控制单元，使得整个系统可以自动对转换后的电信号的电压幅值进行调整以适应AD转换单元的工作电压，如此一来，也解决了不同信号转换之后与后续AD转换单元不兼容，损坏信号质量的问题。
附图说明
图1为本发明所述之光信号采集系统的具体连接图。
具体实施方式
本发明提出的光信号采集系统可用于震动光缆入侵探测系统、DTS分布式光纤测温系统或DTS光纤点式测温系统等多方面。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的光信号采集系统作详细说明。
参见附图1，本发明的光信号采集系统包含光电探测器100，自动增益控制（AGC）单元200，AD转换单元300和处理器400。
所述光电探测器100包括一光电二极管110，用于将光电探测器100接收到的光信号转化为电信号，此电信号为模拟电信号；作为本发明的一种改进，光电探测器100包含光电二极管110和互阻放大器120，以将所述光电二极管110转换产生的电流信号转化为电压信号，以利后续处理；作为本发明的一种改进，光电探测器100还包含滤波器130，以滤除所转化的电压信号的噪声。
本发明的AD转换单元300可将所述模拟电信号转化为一数字电信号，其包含接口电路310和可编程逻辑器件320，其中可编程逻辑器件320又包含存储器321。其中可编程逻辑器件320可为现场可编程门阵列（FPGA），具体可以是Xilinx的XC500E芯片，存储器321可为FIFO存储器。
在AD转换单元300和光电探测器100之间耦接自动增益控制单元200，其中自动增益控制单元200包含运算放大器210和数字电位器220，运算放大器210采用同相比例运算电路，数字电位器220作为运算放大器210的反馈电阻。AD转换单元300采用ADI公司的16位、四通道AD转换器。
自动增益控制单元200用于放大所述模拟电信号使其达到AD转换单元300的工作电压，自动增益控制单元200的放大倍数主要由分别耦接于AD转换单元300和自动增益控制单元200的控制器400根据模拟电信号的强弱来调整，调整方式是调整数字电位器220的阻值。所述控制器400为ARM控制器，具体可以是三星的S3C2440。控制器400耦接到自动增益控制单元200的数字电位器220，通过SPI总线。
下面结合附图1说明本发明的具体实施步骤。
首先，激光器发射激光进入光缆，通过搭建的光纤传感系统后，光信号进入本发明之光信号采集系统。首先进入光电探测器100，光电探测器中的光电二极管110将接收到的光信号转换成电流信号，电流信号经过互阻放大器120后转换成电压信号，此时电压信号很微弱且携带有噪声，这样将此电压信号通过滤波器130滤波去除噪声，此滤波器可为有源低通滤波器。然后将去除噪声的信号送入自动增益控制单元200。自动增益控制单元200是由运算放大器210与数字电位器220搭建，运算放大器210采用同相比例运算电路，数字电位器220作为反馈电阻。数字电位器的接口为SPI，其与控制器400连接。数字电位器的最大电阻为100K欧姆，划分为1——256的电阻值步进，步进的大小由控制器400设置。控制器400控制数字电位器首先对信号进行预防大，如果放大后后级的AD转换单元300采集到的信号为满幅，则控制器400调整放大倍数，直到将信号放大到AD所要求的合适的电压后，记录下放大倍数。
放大的信号送入到AD转换单元300中进行转换，其中采集到的信号频率不同，可编程逻辑器件320根据采集到的信号的频率不同调整采样速度，其中采样时钟频率由可编程逻辑器件320产生。可编程逻辑器件320以基准时钟为参考，调用内部锁相环模块进行基准时钟的分频与倍频，产生一系列从1Hz到100Mhz的不同采样时钟。对于低速信号采用低速采样时钟，对于高速信号采用高速采样时钟，在满足尼奎斯特采样定理的情况下保证采样的数据不至于超过存储器321的容量。经过采样的信号不断的送入可编程逻辑器件320内部的存储器321进行缓存，其中存储位宽为16位，深度为1024，存储器存储数据满后，会发送存储器满标志位，记为FLG，控制器400接收标志位后将FIFO中的数据读走然后清零，存储器321接收后面进来的数据，如此循环。控制器400接收到数据以后进行数字信号处理，将处理的数据通过网络或者485接口上传至PC机。
综上所述，本发明将光电转化和数模电信号转换及处理的功能集成到一块板子上，解决了需要另外在光信号采集系统上装设模拟前端的不便；且通过增加自动增益控制单元，使得整个系统可以自动对转换后的电信号的电压幅值进行调整以适应AD转换单元的工作电压，如此一来，也解决了不同信号转换之后与后续AD转换单元不兼容，损坏信号质量的问题。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种光信号采集系统，包含集成于一块板上的光电探测器、AD转换单元、自动增益控制单元以及控制器，其中：
所述光电探测器用于接收一光信号并将其转换为一模拟电信号；
所述AD转换单元用于将所述模拟电信号转换为一数字电信号；
所述自动增益控制单元耦接所述光电探测器与所述AD转换单元之间，用于放大所述模拟电信号以使其达到所述AD转换单元的工作电压；
所述控制器分别耦接所述AD转换单元和所述自动增益控制单元，用于根据所述模拟电信号的强弱调整所述自动增益控制单元的放大倍数。
2.如权利要求1所述的光信号采集系统，其特征在于：所述光电探测器包含一光电二极管和与一互阻放大器，所述光电二极管用于接收一光信号并将其转换为一电流信号，所述互阻放大器用于将所述光电二极管产生的电流信号转换成电压信号。
3.如权利要求2所述的光信号采集系统，其特征在于：所述光电探测器还包含一滤波器，以滤除所述电压信号的噪声。
4.如权利要求1所述的光信号采集系统，其特征在于：所述自动增益控制单元包含一运算放大器与一数字电位器，所述数字电位器作为所述运算放大器的反馈电阻，所述控制器通过调整所述数字电位器的阻值大小来调整所述自动增益控制单元的放大倍数。
5.如权利要求1所述的光信号采集系统，其特征在于：所述控制器控制所述自动增益控制单元先对所述模拟电信号进行预放大，若所述AD转换单元采集到的所述模拟电信号为满幅，则所述控制器调整所述自动增益控制单元的放大倍数。
6.如权利要求1所述的光信号采集系统，其特征在于：所述AD转换单元包含一AD接口电路与一可编程逻辑器件，所述可编程逻辑器件用于产生所述AD接口电路的采样时钟信号以使所述AD接口电路对所述模拟电信号进行采样，且所述可编程逻辑器件根据所述模拟电信号的频率调整其产生的采样时钟信号的频率。
7.如权利要求6所述的光信号采集系统，其特征在于：所述可编程逻辑器件内具有一存储器用以存储经过所述AD接口电路采样所得之数据，当所述存储器存储满后，所述控制器读取所述存储器内之数据并将所述存储器清空。
8.如权利要求6所述的光信号采集系统，其特征在于：所述可编程逻辑器件为一现场可编程门阵列。
9.如权利要求1至9中任一项所述的光信号采集系统，其特征在于：所述光信号采集系统用于震动光缆入侵探测系统、DTS分布式光纤测温系统或DTS光纤点式测温系统。
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