CN106908136B - 一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路 - Google Patents

Abstract

一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，实现了传感系统后向瑞利散射光干涉信号的高速采集、预处理，同时也解决了信号实时传输至上位的技术问题。本电路包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD采集模块以及光电子器件控制模块。FPGA信号处理模块作为电路的核心与其余模块相连接，FPGA产生脉冲信号用于调制连续光，同时此脉冲信号也用于触发AD进行模数转换。采集到的数据经过预处理以一定的数据格式发送至数据缓存模块进行存储。当存储的数据达到设定数量时，FPGA以DMA的方式通过PCI‑E接口传输至上位机。本发明广泛应用于分布式光纤振动传感系统。

Description

一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路。

背景技术

分布式光纤振动传感系统能够对传感光纤上任意一点的扰动进行探测和定位，可以应用于周界安防、油气管线预警、通信线路及结构监测。分布式光纤方案的优势在于仅利用已铺埋的通讯光缆，无需额外布设，光缆不仅是感测介质，也是数据通信介质，全程无需供电。分布式光纤振动传感系统利用普通单模光纤作为敏感介质，通过测量扰动造成的相位变化对扰动进行定位；在基础设施和大型结构，如油气管道、油气储备基地、光缆、铁轨、边海防线以及重要设施周界安防等方面有着广阔的应用前景。

传统的分布式光纤振动传感器的采集电路信号采集范围较小，采样精度不高，一般为-1V～+1V，12bit采样。由于后向瑞利散射光随着距离的增加而衰减，远处的散射信号经光电转换后的电压信号很小，那么±1V，12bit的采样就不能满足探测距离和探测分辨率的要求。由于后向瑞利散射信号的信噪比较低，为了提高定位的精度，需要将大量原始信号数据进行滑动平均，提高信噪比。这就对高采样率、大数据量数据向上位机的高速传输提出了更高的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高速高分辨率大动态范围的信号采集处理电路，解决了分布式光纤振动传感系统的信号采集处理过程中高分辨率、大动态范围以及与上位机之间高速数据传输的问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：

一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD转换模块、连续光调制模块和模拟电路模块；

外部输入的干涉光信号先经过模拟电路模块进行光电转换，生成模拟电信号并送入AD转换模块进行模数转换，生成的数字信号送入FPGA信号处理模块中，FPGA信号处理模块对输入的数字信号进行处理，处理结果通过PCIE总线送入上位机，同时，FPGA信号处理模块还生成脉冲信号，并送入连续光调制模块和AD转换模块中，送入AD转换模块中的脉冲信号用于使能模数转换，连续光调制模块根据FPGA信号处理模块输出的脉冲信号，对激光器产生的连续光信号进行调制，生成脉冲光信号并发射出去；数据缓存模块用于对FPGA信号处理模块处理的数据进行缓存。

所述FPGA信号处理模块包括控制逻辑预处理模块、PCIE接口模块、存储器控制器模块和脉冲生成模块；

脉冲生成模块生成脉冲信号，并同时送入连续光调制模块与AD转换模块，AD转换模块接收到该脉冲信号之后，触发模数转换，将转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理，处理后生成的数据送入存储器控制器模块中，存储器控制器模块将接收到数据送入所述数据缓存模块中进行缓存，数据缓存模块中存储的数据，在存储器控制器模块的控制下，通过PCIE接口模块发送给上位机。

所述将模数转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理，具体为：控制逻辑预处理模块为输入的模数转换生成的数字信号进行滑动平均处理。

所述滑动平均处理通过如下方式实现：

n∈[0,65535],m∈[0,+∞]，其中，B[m][n]为平滑后的数据，A[m][n]为模数转换生成的数字信号。

所述的AD采集模块包含AD转换芯片和驱动芯片，驱动芯片用于驱动AD转换芯片工作。

所述的数据缓存模块包含两片并联的DDR3芯片。

所述模拟电路模块的模拟信号输出范围为-1.7V～+1.7V。

AD采集模块每通道数据采集速率为16bit，130MSPS。

与现有技术相比，根据本发明的信号采集处理电路具有有益的技术效果：

(1)在根据本发明的用于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路中，模拟信号采样范围为-1.7V～+1.7V，每通道数据采集速率高达16bit，130MSPS。整个板卡的数据采集速率可达到4.16Gbps。相较于传统的数据采集，不论从采样通道、采样精度还是采样率上都有大大的提高，有力地保证了振动传感系统的探测距离和探测分辨率。

(2)在根据本发明的用于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，电路与上位机通信采用8x PCI-E总线通信，在DMA方式下上位机读取速率可达到10.96Gbps。相较于传统的数据采集，在传输速率上也有了大大的提高。

附图说明

图1为根据本发明的电路原理框图；

图2为AD采集模块的电路原理示意图；

图3为FPGA实现示意图；

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的用于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路做进一步详细的说明。

本发明的用于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，实现了传感系统后向瑞利散射光干涉信号的高速采集、预处理，同时也解决了信号实时传输至上位的技术问题。本电路包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD采集模块以及脉冲生成模块。FPGA信号处理模块作为电路的核心与其余模块相连接，FPGA产生脉冲信号用于调制连续光，同时此脉冲信号也用于触发AD进行模数转换。采集到的数据经过预处理以一定的数据格式发送至数据缓存模块进行存储。当存储的数据达到设定数量时，FPGA以DMA的方式通过PCI-E接口传输至上位机。

如图1所示，本发明提出了一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD转换模块、脉冲生成模块和模拟电路模块；

外部输入的干涉光信号先经过模拟电路模块进行光电转换，生成模拟电信号并送入AD转换模块进行模数转换，生成的数字信号送入FPGA信号处理模块中，FPGA信号处理模块对输入的数字信号进行处理，处理结果通过PCIE总线送入上位机，同时，FPGA信号处理模块还生成脉冲信号，并送入连续光调制模块和AD转换模块中，送入AD转换模块中的脉冲信号用于使能模数转换，连续光调制模块根据FPGA信号处理模块输出的脉冲信号，对激光器产生的连续光信号进行调制，生成脉冲光信号并发射出去；数据缓存模块用于对FPGA信号处理模块处理的数据进行缓存。

如图3所示，FPGA信号处理模块包括控制逻辑预处理模块、PCIE接口模块、存储器控制器模块和脉冲生成模块；

脉冲生成模块生成脉冲信号，并同时送入连续光调制模块与AD转换模块，AD转换模块接收到该脉冲信号之后，触发模数转换，将转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理，处理后生成的数据送入存储器控制器模块中，存储器控制器模块将接收到数据送入所述数据缓存模块中进行缓存，数据缓存模块中存储的数据，在存储器控制器模块的控制下，通过PCIE接口模块发送给上位机。

将模数转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理。由于分布式光纤振动传感器返回干涉光信号的信噪比较低，因此需对模数转换后的数字信号进行处理以提高其信噪比，具体为：控制逻辑预处理模块为输入的模数转换生成的数字信号进行滑动平均处理。所述滑动平均处理通过如下方式实现：

n∈[0,65535],m∈[0,+∞]，其中，B[m][n]为平滑后的数据，A[m][n]为模数转换生成的数字信号。

如图2所示，AD采集模块包含AD转换芯片和驱动芯片，AD转换芯片用于将光电转换后的模拟信号以高速率转换为数字信号，驱动芯片用于将原始光电转换后的单端模拟信号转换为低失真的差分信号，增强了驱动能力提高了原始信号的信噪比。

AD采集模块每通道数据采集速率最高可达到130MSPS，16bit，实现了高速、高精度的数据转换。

数据缓存模块包含两片并联的DDR3芯片，其数据吞吐率可达到800MHz，用于对处理后的数据进行缓存处理，便于PCIE接口进行大数据量的高速数据传输。

模拟电路模块的模拟信号输出范围为-1.7V～+1.7V，其输出的动态范围与AD芯片的输入范围保持了一致，有效地提高了数据的采集范围，保证了分布式光纤振动传感系统的探测距离和探测分辨率。

实施例

本发明的一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路核心处理器为Xilinx的XC7K325T-FFG900,其具有326k个逻辑单元16Mb的片上存储空间，同时还具备PCI-E硬核和DDR控制器，具备本发明的所需的信号采集、处理、传输等全部功能。AD采集模块以AD9461和AD8138为核心，采样速率和采样深度可达到130MSPS、16bit，满足分布式光纤振动传感系统的高速高精度采样要求。数据缓存模块包含两片MT41J128M16HA-15E的DDR3芯片，利用MIG核可轻松实现DDR3的读写，在32bit位宽的情况下，其读写速率可达到1.3GB，远远满足本发明所需的数据吞吐率，保证了数据在缓存及处理的过程中无失真。

本发明的信号采集处理电路可实现两路光纤振动传感器的信号采集与处理，实现了对光纤干涉信号的高速、高分辨率、大动态范围的实时采集与处理，实现了分布式光纤振动传感系统远距离和高精度探测的功能。

Claims (1)

1.一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，其特征在于：包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD转换模块、连续光调制模块和模拟电路模块；

外部输入的干涉光信号先经过模拟电路模块进行光电转换，生成模拟电信号并送入AD转换模块进行模数转换，生成的数字信号送入FPGA信号处理模块中，FPGA信号处理模块对输入的数字信号进行处理，处理结果通过PCIE总线送入上位机，同时，FPGA信号处理模块还生成脉冲信号，并送入连续光调制模块和AD转换模块中，送入AD转换模块中的脉冲信号用于使能模数转换，连续光调制模块根据FPGA信号处理模块输出的脉冲信号，对激光器产生的连续光信号进行调制，生成脉冲光信号并发射出去；数据缓存模块用于对FPGA信号处理模块处理的数据进行缓存；

当存储的数据达到设定数量时，FPGA信号处理模块 以DMA的方式通过PCIE接口传输至上位机；

AD转换模块包含AD转换芯片和驱动芯片，AD转换芯片用于将光电转换后的模拟信号以高速率转换为数字信号，驱动芯片用于将原始光电转换后的单端模拟信号转换为低失真差分信号，提高原始信号的信噪比；

所述模拟电路模块的模拟信号输出范围为-1.7V～+1.7V；AD转换模块每通道数据采集速率为16bit，130MSPS；

所述FPGA信号处理模块包括控制逻辑预处理模块、PCIE接口模块、存储器控制器模块和脉冲生成模块；

脉冲生成模块生成脉冲信号，并同时送入连续光调制模块与AD转换模块，AD转换模块接收到该脉冲信号之后，触发模数转换，将转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理，处理后生成的数据送入存储器控制器模块中，存储器控制器模块将接收到数据送入所述数据缓存模块中进行缓存，数据缓存模块中存储的数据，在存储器控制器模块的控制下，通过PCIE接口模块发送给上位机；

所述将模数转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理，具体为：控制逻辑预处理模块为输入的模数转换生成的数字信号进行滑动平均处理；

所述滑动平均处理通过如下方式实现：

其中，B[m][n]为平滑后的数据，A[m][n]为模数转换生成的数字信号；

所述的AD转换模块包含AD转换芯片和驱动芯片，驱动芯片用于驱动AD转换芯片工作；

所述的数据缓存模块包含两片并联的DDR3芯片。

Images