CN104964698A - 一种用于botdr传感系统的脉冲光信号的产生方法 - Google Patents

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万生鹏
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Abstract

本发明公开了一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，它所涉及的系统包括窄线宽激光器、光隔离器、偏振控制器、电光强度调制器(EOIM)、可调直流电压源、脉冲调制信号发生模块、EDFA、光衰减器、光电探测器和多通道示波器，窄线宽激光器与偏振控制器之间连有光隔离器，偏振控制器的输出端与EOIM的光输入端连接，EOIM的输出端与EDFA的输入端连接，EDFA的输出端和光电探测器的光输入端之间连有光衰减器，光电探测器的输出端连接到示波器，可调直流电压源连接到EOIM的Bias端，脉冲调制信号发生模块输出端与EOIM的射频端连接。本发明产生的ns级脉冲光在分布式光纤传感系统中作为激励光具有脉宽和重复频率可调节控制的优点。

Description

一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法
技术领域
本发明涉及一种信号产生方法，具体涉及一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法。
背景技术
基于BOTDR(布里渊光时域反射技术)的分布式光纤传感系统凭借其抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、耐腐蚀、易于长距离传输、便于组成智能化网络、集信息传感与传输于一体以及能够进行连续分布式测量等显著特点引起了广泛的重视。在输油管道、桥梁、隧道以及海底光缆等领域有着广阔的应用前景。在BOTDR分布式光纤传感技术中，首先需要解决的问题便是根据实际传感光纤的传输距离对连续激光进行调制从而获得脉宽及重复频率合适的脉冲光信号作为激励光在传感光纤中传输。因此，如何获取用于BOTDR分布式光纤传感系统中的脉冲光成为该技术领域的一个研究热点。
对于不同传感距离的BOTDR光纤传感系统，其要求使用的脉冲激励光信号的脉宽和重复频率也不同。若脉冲激励光的脉宽过宽，则会导致分布式光纤传感系统的空间分辨率和测量精度降低；而由于受声子寿命的影响，当注入光纤的单脉冲光信号的脉宽低于10ns时将会明显降低传感系统的传感距离。因此，根据实际分布式光纤传感系统的传感距离设计合适的脉冲调制信号模块尤为必要。
BOTDR分布式光纤传感系统的空间分辨率主要取决于脉冲激励光信号的脉冲宽度、A/D转换设备的处理速度和接收滤波器的带宽三个因素，在脉冲光的脉宽不变时，同时采用高速率高精度的A/D转换器和带宽合适的接收滤波器可以提高系统的分辨率；当A/D转换器的转换速度足够快、接收滤波器的带宽足够宽时，传感系统的空间分辨率则由脉冲激励光信号的脉宽决定，而脉冲光的脉冲宽度则由脉冲调制信号模块发出的脉冲调制信号的脉宽决定。因此，设计产生与分布式光纤传感系统的传感距离相匹配的脉冲调制信号对提高传感系统的空间分辨率显得极为重要。
  （公式1）
在上式中， 为脉冲光信号的脉宽决定的系统空间分辨率，为光在光纤中的传播速度，T p 为脉冲光的持续时间(即脉宽)。
发明内容
本发明的目的在于克服BOTDR传感系统中现有技术的不足，提供一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，它具有脉冲光信号的脉宽和重复频率可调节控制的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，它所涉及的系统主要包括窄线宽激光器、光隔离器、偏振控制器、电光强度调制器(EOIM)、可调直流电压源、脉冲调制信号发生模块、EDFA、光衰减器、光电探测器和多通道示波器，其特征在于：窄线宽激光器与偏振控制器之间连有光隔离器，窄线宽激光器发出的激光通过光隔离器后再经过偏振控制器调节为线偏振光；所述的窄线宽激光器发出的激光是连续光，且其中心波长为1550.00nm；偏振控制器的输出端与EOIM的光输入端相连接，EOIM的光输出端与EDFA的输入端相连接，EDFA的输出端和光衰减器的输入端连接，光衰减器的输出端和光电探测器的光输入端相连接，光电探测器的输出端连接到多通道示波器，脉冲调制信号发生模块的输出端与EOIM的射频信号输入端相连接，可调直流电压源连接到EOIM的Bias端为EOIM提供直流偏置电压。
所述的脉冲调制信号发生模块包括FPGA开发板、16位D/A转换器、低通滤波器和电脉冲信号放大电路，FPGA开发板上被选用的I/O端口分别与16位D/A转换器的时钟管脚、数据管脚、片选管脚、GND管脚一一对应连接，再通过外部直流电压源为16位D/A转换器的VCC端提供工作电压，D/A转换器的输出端和低通滤波器的输入端相连接，低通滤波器输出的电压信号经过电脉冲信号放大电路放大后通过引线Ⅰ和Ⅱ做两路并行输出，其中Ⅰ引线路直接连接到示波器上显示，Ⅱ引线那路再从EOIM的射频信号输入端输入，以便在示波器上观察对比脉冲调制信号和经过调制放大及光电转换后的脉冲信号波形。
    所述的FPGA开发板上包括晶振时钟电路和通过Verilog HDL或VHDL硬件描述语言设计的DDS信号发生模块、脉冲信号频率控制电路和脉冲宽度控制电路；所述的DDS信号发生模块包括32位相位累加器和ROM波形查找表，32位相位累加器接收输入的频率控制字以及相位累加器本身的输出返回值，截取相位累加器输出数据的高18位作为波形存储表的取样地址，通过地址寻址方式从ROM波形存储表中读出波形数据，它是利用全数字技术产生与输出频率相对应的波形线性序列，再完成相位到幅度的转换。
    脉冲光信号重复频率的改变可以通过键控调节FPGA内部的频率控制电路改变脉冲调制信号的输出频率来实现。
    脉冲光信号脉冲宽度的改变可通过键控调节FPGA内部设计的脉冲宽度控制电路改变脉冲调制信号的脉宽来实现。
通过调节可调电脉冲信号放大电路的放大倍数来调节和控制电脉冲调制信号的电压幅值进而实现调节脉冲光信号的强弱的目的。
本发明的技术效果是：在FPGA硬件的基础上采用DDS技术产生的电脉冲调制信号，不仅可以根据传感系统的实际需要改变脉冲信号的重复频率，同时还可根据传感系统的实际传感距离选择脉宽相匹配的脉冲信号作为调制信号，从而提高系统的空间分辨率和测量精度。
附图说明
    图1为本发明结构方框图。
    图2为脉冲调制信号发生模块结构方框图。
    图3为脉冲调制信号发生模块在晶振基准时钟为50MHz时产生的频率为2KHz，脉宽为200ns的脉冲调制信号仿真结果图。
    图4为脉冲调制信号发生模块在晶振基准时钟为50MHz时产生的频率为4KHz，脉宽为100ns的脉冲调制信号仿真结果图。
    图5为脉冲调制信号发生模块在晶振基准时钟为50MHz时产生的频率为5KHz，脉宽为60ns的脉冲调制信号仿真结果图。
在图1和图2中，1、窄线宽激光器 2、光隔离器 3、偏振控制器 4、电光强度调制器 5、可调直流电压源 6、脉冲调制信号发生模块 7、EDFA 8、光衰减器 9、光电探测器 10、多通道示波器 11、FPGA开发板 12、晶振时钟电路 13、DDS信号发生模块 14、32位相位累加器 15、ROM查找表 16、16位D/A转换器 17、低通滤波器 18、电脉冲信号放大电路。
在图3～图5中，clk为晶振时钟电路输出的50MHz基准时钟信号，sclk为16位D/A转换器的串行工作时钟信号，cs为16位D/A转换器的片选信号，din为输入16位D/A转换器的串行数据，dds_data_out为DDS信号发生模块输出的脉冲信号的幅度量化序列。
具体实施方式
如图1所示，窄线宽激光器1输出的中心波长为1550.00nm的连续光通过光隔离器2后再经过偏振控制器3调节成线偏振光，线偏振光从EOIM 4的光输入端输入，EOIM 4在可调直流电压源5和脉冲调制信号发生模块6的驱动下将窄线宽连续激光调制成脉冲光并从其光输出端输出，脉冲光经过EDFA 7放大后再由光衰减器8做适当衰减以使得脉冲光功率在光电探测器9的可探测光功率范围内，脉冲光经过光电转换后变为易于接收的电信号再输入到多通道示波器10进行波形显示；
如图2所示，所述的脉冲调制信号发生模块6包括FPGA开发板11、16位D/A转换器16、低通滤波器17和电脉冲信号放大电路18，所述的FPGA开发板上包括晶振时钟电路12、32位相位累加器14和ROM查找表15构成的DDS信号发生模块13，晶振时钟电路同时向32位相位累加器和16位D/A转换器提供工作时钟信号以驱动其工作，32位相位累加器接收频率控制字和累加器本身的输出返回值后进行相位累加运算并截取运算结果的高18位数据作为ROM波形存储表的取样地址，通过地址寻址方式从ROM波形查找表中读出DDS波形数据，并经过16位D/A转换器进行数模转换后形成阶梯波，阶梯波再被低通滤波器17滤波平滑后成为模拟波形输出，此模拟信号经过电脉冲信号放大电路18进行适当放大后再通过引线Ⅰ和引线Ⅱ引出并行输出的两路，其中引线Ⅰ引出的一路直接连接到示波器10上显示，引线Ⅱ引出的一路从EOIM 4 的射频信号输入端口输入以驱动EOIM 4 工作。通过在示波器上观察对比由引线Ⅰ引出的脉冲调制信号波形和经过调制放大和光电转换后的脉冲信号波形以便对脉冲信号做信号完整性分析及失真性分析。
对脉冲光重复频率的控制可以通过采用Verilog HDL或VHDL硬件描述语言在FPGA内部设计脉冲调制信号的输出频率控制电路，在频率控制电路中设置多组频率控制字，再通过键控选择频率控制字的方式来调节控制脉冲调制信号的输出频率，从而达到调节控制脉冲光信号的重复频率的目的，脉冲调制信号的输出频率通过下式确定：
  （公式2）
在上式中，F out 为脉冲调制信号的输出频率，K为频率控制字，F clk 为输入基准时钟频率，P为DDS脉冲信号发生模块内部的相位累加器字长。
  对脉冲调制信号和脉冲光信号的脉宽控制则通过在DDS信号发生模块中设置多个占空比不同的ROM查找表，再通过键控方式调节FPGA内的脉冲宽度控制电路来选择输出相应脉宽的脉冲调制信号以实现分布式光纤传感系统中脉冲光信号的脉宽调节。
    脉冲调制信号的电压幅值可通过调节可调电脉冲信号放大电路的放大倍数来进行调节和控制。

Claims (7)

1.一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，其特征在于：它主要包括窄线宽激光器、光隔离器、偏振控制器、电光强度调制器(EOIM)、可调直流电压源、脉冲调制信号发生模块、EDFA、光衰减器、光电探测器和多通道示波器，窄线宽激光器发出的连续激光通过光隔离器后需要经过三环机械式偏振控制器调节为线偏振光，脉冲调制信号发生模块以FPGA硬件为平台产生重复频率和脉冲宽度都可调节的脉冲调制信号，脉冲调制信号发生模块的输出端与EOIM的射频信号输入端相连接，可调直流电压源连接到EOIM的Bias端，EOIM的直流偏置电压通过可调直流电压源来提供。
2.根据权利要求1所述的一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，其特征在于：所述的脉冲调制信号发生模块包括FPGA开发板、16位D/A转换器、低通滤波器和电脉冲信号放大电路，FPGA开发板上被选用的I/O端口分别与16位D/A转换器的各个输入管脚一一对应连接，并由外部直流电压源为16位D/A转换器的VCC端提供工作电压，D/A转换器的输出端和电脉冲信号放大电路之间连接有低通滤波器，电脉冲信号放大电路输出端和EOIM的射频信号输入端相连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，其特征在于：所述窄线宽激光器可以发射连续激光，且发出的连续激光的中心波长为1550.00nm，所述的电光强度调制器可接收光波的中心波长需与窄线宽激光器的中心波长相匹配，工作光波的中心波长为1550.00nm。
4.根据权利要求2所述的一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，其特征在于：所述的FPGA开发板上包括晶振时钟电路和通过Verilog HDL或VHDL硬件描述语言设计的DDS信号发生模块、脉冲信号频率控制电路和脉冲宽度控制电路。
5.根据权利要求1所述的一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，其特征在于：脉冲光信号的重复频率能通过FPGA内部所设计的频率控制电路来进行键控式调节。
6.根据权利要求1所述的一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，其特征在于：脉冲光信号的脉冲宽度能通过FPGA内部所设计的脉冲宽度控制电路来进行键控式调节。
7.根据权利要求1所述的一种用于BOTDR传感系统的脉冲光信号的产生方法，其特征在于：电脉冲调制信号的电压通过可调电脉冲信号放大电路进行调节控制。
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