CN106404153A - 一种并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感器系统，所述系统包括：应变测量布拉格光栅；向所述布拉格光栅提供宽带激光的半导体激光器；与所述半导体激光器及布拉格光栅连接的光耦合器；与所述光耦合器连接，并接收所述布拉格反射光谱信号的分光系统，完成光谱信号的空间展开及聚焦；与所述分光系统连接的线阵图像探测器，以高速扫描的方式，对各像素位置的光谱信号进行光强检测，串行输出相应光电信号；与所述线阵探测器相连接的信号调理放大及模数转换电路；与所述信号调理放大及模数转换电路连接的基于FPGA的嵌入式解调器，实现光谱曲线的拟合及插值运算，得到光谱信号的峰值坐标；提供多种数字总线的总线接口模块。

Description

一种并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感器 系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种可在传感器端实现光纤光栅寻峰及振动参量计算的嵌入式光纤光栅解调器的多通道光纤光栅振动信号智能传感器系统。

背景技术

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器是一种波长调制型传感器，其纤芯内的折射率沿轴向周期性变化，会对特定波长的激光产生反射，反射波长与折射率变化的周期长度有关。FBG传感器可对温度、应变、振动等进行有效测量。

然而，FBG传感器对环境变量的感知，是通过对波长的精确测量实现，需要经过一定数据解调才可得到模拟量的数值，复杂的信号解调机构及算法，限制了FBG传感器对快变信号的感知能力，目前大多数应用局限于对温度、应变等缓变信号的监测。

现有高端光纤光栅解调模块可实现30kHz以上的解调速率，但是由于数据量大，需要使用千兆以太网接口传送数据，由于上位机处理速度限制，难以实现实时测量。军事装备监测时，往往需要将测量仪器嵌入到装备中，进行多参量高速在线测量，如何设计并实现适于军事装备在线测量的嵌入式高速解调系统，成为光纤光栅传感器应用亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感器系统，所述系统包括：应变测量布拉格光栅；向所述布拉格光栅提供宽带激光的半导体激光器；与所述半导体激光器及布拉格光栅连接的光耦合器；与所述光耦合器连接，并接收所述布拉格反射光谱信号的分光系统，完成光谱信号的空间展开及聚焦；与所述分光系统连接的线阵图像探测器，以高速扫描的方式，对各像素位置的光谱信号进行光强检测，串行输出相应光电信号；与所述线阵探测器 相连接的信号调理放大及模数转换电路；与所述信号调理放大及模数转换电路连接的基于FPGA的嵌入式解调器，实现光谱曲线的拟合及插值运算，得到光谱信号的峰值坐标；提供多种数字总线的总线接口模块。

优选地，所述光纤光栅反射光谱寻峰计算由系统内FPGA器件完成，直接输出解调结果。

优选地，所述系统同时对振动信号峭度、歪度进行实时计算和同步输出。

优选地，所述嵌入式解调器包括以下部分：信号幅度拟合模块、信号寻峰模块、信号修正模块、振动峭度计算模块、振动歪度计算模块、时钟模块和SRAM控制模块，其中：

信号幅度拟合模块接收从信号调理放大及模数转换电路发来的信号指令并对其进行初级解调，计算信号的幅度并进行拟合，以生成信号寻峰模块所需的拟合信号，并在上位机的控制下通过SRAM控制模块完成对已存储数据的回读；

信号寻峰模块负责对信号幅度拟合模块提供的信号进行寻峰计算，以进一步确定信号峰值，为后续计算提供基础信号。并将数据依次排列成一路高数据率的数字信号，传送给SRAM控制模块；

信号修正模块负责对信号寻峰模块提供的信号进行进一步修正，例如噪声去除、误差调节等，以进一步确定信号基准。并将数据依次排列成一路高数据率的数字信号，传送给SRAM控制模块；

振动峭度计算模块基于信号修正模块修正的信号进行振动峭度计算，并输出至外部接口；

振动歪度计算模块基于信号修正模块修正的信号进行振动歪度计算，并输出至外部接口；

振动峭度计算模块和振动歪度计算模块的计算可同步并行进行。

时钟模块将外部时钟分成一路差分形式的时钟输出，将其分成两路差分的同步的时钟，同时供给振动峭度计算模块和振动歪度计算模块，从而保证两路计算的同步性；

SRAM控制模块负责完成对SRAM芯片的通信工作。根据前级所提供的地址将当前的数字信号存入SRAM芯片中，或读回该地址内的数据。

根据本发明提供的基于线阵图像探测器的光纤光栅高速解调系统，通过并行计算，在一个采样周期内完成全光谱信号的幅度拟合、波长寻峰、 数据修正等信号处理，实现多路振动信号的同时采集，并通过并行计算结构对故障诊断等应用所需振动峭度、歪度等特征值进行在线计算和实时传输。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出根据本发明的并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感器的结构示意图；

图2示意性示出根据本发明的基于FPGA的嵌入式解调器108的FPGA实现框图原理。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

针对本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明提供了一种并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感器，通过嵌入式采用FPGA器件，通过一种并行计算结构，实现一种嵌入式光纤光栅解调器及振动信号分析处理器。

根据本发明的多通道光纤光栅振动信号检测系统可以利用光纤光栅的电绝缘性、耐腐蚀性，对强电磁干扰、高温高湿、腐蚀气体及液体环境中的振动信号进行测量，并通过并行计算对多路光纤光栅进行同时解调。该方法和系统不仅仅局限于对振动信号的实时采集，也可容易地推广到应变、温度等参量的测量。

图1示意性示出根据本发明的并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感器的结构示意图。如图1所示，根据本发明的并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感器系统100包括：用于测量震动所产生的应变的布拉格光纤光栅传感器101；向所述布拉格光纤光栅传感器101提供宽带激光的光源102，所述光源102优选为半导体激光器；与所述半导体激光器102及所述布拉格光栅101连接的光耦合器103；连接在所述光源102和所述耦合器103之间的光纤；与所述光耦合器103连接，并接收所述布拉格光纤光栅传感器101反射光谱信号的分光系统105，所述分光系统105完成光谱信号的空间展开及聚焦；与所述分光系统105连接的线阵图像探测器106，以高速扫描的方式，对各像素位置的光谱信号进行光强检测，串行输出相应光电信号；与所述线阵图像探测器106相连接的信号调理放大及模数转换电路107；与所述信号调理放大及模数转换电路连接108的基于FPGA的嵌入式解调器108，实现光谱曲线的拟合及插值运算，得到光谱信号的峰值坐标，以及对峭度、歪度进行实时计算和同步输出；以及与所述嵌入式解调器108连接的用于提供多种数字总线的总线接口模块106。

优选地，根据本发明的一个实施例，所述光纤光栅反射光谱寻峰计算由系统内FPGA器件完成，直接输出解调结果。

优选地，根据本发明的一个实施例，所述系统同时对振动信号位移、速度、加速度进行测量，并对峭度、歪度进行实时计算和同步输出。峭度指标是无量纲参数，由于它与系统转速、尺寸、载荷等无关，对冲击信号特别敏感，特别适用于表面损伤类故障、尤其是早期故障的诊断。

根据本发明，布拉格光纤的芯径由所采用的有源光纤决定，包层芯径优选为125μm，光纤纤芯的芯径可以选用4μm、8μm或10μm，优选为10/125μm。根据本发明具体实施例，光纤的类型应与光源104的泵浦波长相匹配。例如，根据本发明的一个实施例，布拉格光纤选自掺铒光纤、掺镱光纤或铒镱共掺光纤。

掺铒光纤所匹配的泵浦波长可采用980nm或1480nm，掺镱光纤的泵浦波长可采用976nm或915nm，铒镱共掺光纤的泵浦波长可采用976nm，根据波长和芯径参数进一步确定光耦合器102的参数。最终出射的激光波长在有源光纤一定增益范围内(如1530-1560nm)由布拉格光纤光栅的反射波长确定。掺镱光纤的典型出射波长为1535nm，掺铒光纤的典型出射波长为1064nm，铒镱共掺光纤的典型出射波长为1550nm。

例如，在本实施例中，若选用芯径为10/125μm掺铒光纤作为增益介质。光源104输出波长976nm，FBG选取范围为1530nm-1560nm，可在该范围内获得激光输出。实验中若选用芯径为10/125μm掺镱光纤作为增益介质，LD尾纤需选取同样型号芯径。LD为915nm单模输出，FBG选取1064nm附近，可在该范围内获得激光输出。

图2示意性示出根据本发明的基于FPGA的嵌入式解调器108的FPGA实现框图原理。嵌入式解调器实现光谱曲线的拟合、信号幅度拟合、寻峰及插值运算，得到光谱信号的峰值坐标，还可以进行修正，并基于修正后的信号进行峭度、歪度进行实时计算和同步输出；4个通道数据采集的FPGA结构框图如图2所示：

嵌入式解调器主要包括以下部分：信号幅度拟合模块201、信号寻峰模块202、信号修正模块203、振动峭度计算模块204、振动歪度计算模块205、时钟模块206和SRAM控制模块207，其中：

信号幅度拟合模块201接收从信号调理放大及模数转换电路107发来的信号指令并对其进行初级解调，计算信号的幅度并进行拟合，以生成信号寻峰模块202所需的拟合信号，并在上位机的控制下通过SRAM控制模块207完成对已存储数据的回读；

信号寻峰模块202负责对信号幅度拟合模块201提供的信号进行寻峰计算，以进一步确定信号峰值，为后续计算提供基础信号。并将数据依次排列成一路高数据率的数字信号，传送给SRAM控制模块207；

信号修正模块203负责对信号寻峰模块202提供的信号进行进一步修正，例如噪声去除、误差调节等，以进一步确定信号基准。并将数据依次排列成一路高数据率的数字信号，传送给SRAM控制模块207；

振动峭度计算模块204基于信号修正模块203修正的信号进行振动峭度计算，并输出至外部接口；

振动歪度计算模块205基于信号修正模块203修正的信号进行振动歪度计算，并输出至外部接口；

振动峭度计算模块204和振动歪度计算模块205的计算可同步并行进行。

时钟模块206将外部100MHz时钟分成一路差分形式的50MHz时钟输出，通过FPGA外部的时钟分配芯片将其分成两路差分的同步的50MHz时钟，同时供给两路模块，振动峭度计算模块204和振动歪度计算模块205，从而保证两路计算的同步性；

SRAM控制模块207负责完成对SRAM芯片的通信工作。根据前级所提供的地址将当前的数字信号存入SRAM芯片中，或读回该地址内的数据。

根据本发明提供的基于线阵图像探测器的光纤光栅高速解调系统，通过并行计算，在一个采样周期内完成全光谱信号的幅度拟合、波长寻峰、数据修正等信号处理，实现多路振动信号的同时采集，并通过并行计算结构对故障诊断等应用所需振动峭度、歪度等特征值进行在线计算和实时传输。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感器系统，所述系统包括：

应变测量布拉格光栅；

向所述布拉格光栅提供宽带激光的半导体激光器；

与所述半导体激光器及布拉格光栅连接的光耦合器；

与所述光耦合器连接，并接收所述布拉格反射光谱信号的分光系统，完成光谱信号的空间展开及聚焦；

与所述分光系统连接的线阵图像探测器，以高速扫描的方式，对各像素位置的光谱信号进行光强检测，串行输出相应光电信号；

与所述线阵探测器相连接的信号调理放大及模数转换电路；

与所述信号调理放大及模数转换电路连接的基于FPGA的嵌入式解调器，实现光谱曲线的拟合及插值运算，得到光谱信号的峰值坐标；

提供多种数字总线的总线接口模块。

2.如权利要求1所述的传感器系统，其中所述光纤光栅反射光谱寻峰计算由系统内FPGA器件完成，直接输出解调结果。

3.如权利要求1所述的传感器系统，其中所述系统同时对振动信号峭度、歪度进行实时计算和同步输出。

4.如权利要求1所述的传感器系统，其中所述嵌入式解调器包括以下部分：信号幅度拟合模块、信号寻峰模块、信号修正模块、振动峭度计算模块、振动歪度计算模块、时钟模块和SRAM控制模块，其中：

信号幅度拟合模块接收从信号调理放大及模数转换电路发来的信号指令并对其进行初级解调，计算信号的幅度并进行拟合，以生成信号寻峰模块所需的拟合信号，并在上位机的控制下通过SRAM控制模块完成对已存储数据的回读；

信号寻峰模块负责对信号幅度拟合模块提供的信号进行寻峰计算，以进一步确定信号峰值，为后续计算提供基础信号。并将数据依次排列成一路高数据率的数字信号，传送给SRAM控制模块；

信号修正模块负责对信号寻峰模块提供的信号进行进一步修正，例如噪声去除、误差调节等，以进一步确定信号基准。并将数据依次排列成一路高数据率的数字信号，传送给SRAM控制模块；

振动峭度计算模块基于信号修正模块修正的信号进行振动峭度计算，并输出至外部接口；

振动歪度计算模块基于信号修正模块修正的信号进行振动歪度计算，并输出至外部接口；

振动峭度计算模块和振动歪度计算模块的计算可同步并行进行。

时钟模块将外部时钟分成一路差分形式的时钟输出，将其分成两路差分的同步的时钟，同时供给振动峭度计算模块和振动歪度计算模块，从而保证两路计算的同步性；

SRAM控制模块负责完成对SRAM芯片的通信工作。根据前级所提供的地址将当前的数字信号存入SRAM芯片中，或读回该地址内的数据。