CN107015765A - 一种分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法 - Google Patents

一种分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法，首先将待处理的背向散射信号经过信号放大滤波器处理后，送入高速A/D转换器转换为数字信号；将高频时钟发生器产生的信号作为同步触发信号，在该同步触发信号的控制下对转换后的数字信号进行数字BOXCAR积分运算和循环移动存储；通过数据的循环移动和累加运算，获得沿光纤长度方向上各点的散射光强分布数据。上述方法利用数字硬件电路实现数字BOXCAR积分和数据存储，可大大提高数据采集和处理速度，有利于光纤传感器信号的实时测量处理。

Description

一种分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感系统技术领域，尤其涉及一种分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法。
背景技术
在分布式光纤传感系统中，需要高速数据采集和非常大的高速缓存容量，例如当要求测量距离为10km,空间分辨率为1m，累积测量次数为10万次时，测量一回的数据量就达到1G，若空间分辨率提高到10cm,则测量一回的数据量将达到10G。显然在分布式光纤传感系统中需要非常大的高速缓存容量。
高速缓存往往在高速数据采集卡中完成,具有大容量高速缓存器的A/D采集卡不仅设计困难、成本高。特别是由于高速数据采集卡中的数据传输到计算机中的速度较低，大的数据量需要较长的传输时间，在WINDOWS等分时操作系统中，测量一回的数据需要传输若干次，数据传输是不连续性的，造成部分测量数据丢失，最终导致测量失败。另外，计算机对大数据量处理时间亦不能忽略，因此高速数据存储、传输和处理等问题便成为了在分布式光纤传感系统设计中迫切需要解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法，该方法利用数字硬件电路实现数字BOXCAR积分和数据存储，可大大提高数据采集和处理速度，有利于光纤传感器信号的实时测量处理。
一种分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法，所述方法包括：
将待处理的背向散射信号经过信号放大滤波器处理后，送入高速A/D转换器转换为数字信号；
将高频时钟发生器产生的信号作为同步触发信号，在该同步触发信号的控制下对转换后的数字信号进行数字BOXCAR积分运算和循环移动存储；
通过数据的循环移动和累加运算，获得沿光纤长度方向上各点的散射光强分布数据。
所述循环移动存储的过程在循环移动数据存储器中进行，该循环移动数据存储器由RegA0、RegA1、RegA2、……、RegAn-1个存储单元组成，用于存储放第0点、第1点、第2点、……、第n-1点的采样数据的累加和。
所述存储单元的数量为所述循环移动数据存储器的深度，该数量由传感光纤的长度和A/D转换速率决定。
所述对转换后的数字信号进行数字BOXCAR积分运算和循环移动存储的过程具体为：
首先将循环移动数据存储器的各个存储单元清零；
当第j次激光泵浦脉冲发射时，采样沿光纤长度方向上的背向散射信号，先将第i个点的采样数据与第j-1次的累加和数据经过累加器处理后，得到第i点第j次的累加和数据；
再按顺时针方向分别将各个存储单元的数据循环移动到下一个存储单元。
所述通过数据的循环移动和累加运算，获得沿光纤长度方向上各点的散射光强分布数据，具体包括：
散射光在距离光纤端面的距离d通过光发射和接收的往返时间t来计算，即：
其中，C为光在真空中的速度，n为光纤折射率，往返时间t由A/D采样时刻确定，它与距离d一一对应；
将A/D采样获得的散射光强按照A/D采样点的先后次序存入循环移动数据存储器中构成数据链表，该包含散射光强的数据链表即为离散化的沿光纤长度方向上各点的散射光强分布数据。
所述高频时钟发生器由温度补偿晶体振荡器构成，用于同步控制所述高速A/D转换器的采样时刻和触发数据的循环移动存储。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法利用数字硬件电路实现数字BOXCAR积分和数据存储，可大大提高数据采集和处理速度，有利于光纤传感器信号的实时测量处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述循环移动数据存储器工作过程示意图；
图3为本发明所举实例的方法处理过程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、将待处理的背向散射信号经过信号放大滤波器处理后，送入高速A/D转换器转换为数字信号；
步骤2、将高频时钟发生器产生的信号作为同步触发信号，在该同步触发信号的控制下对转换后的数字信号进行数字BOXCAR积分运算和循环移动存储；
在该步骤中，所述循环移动存储的过程在循环移动数据存储器中进行，如图2所示为本发明实施例所述循环移动数据存储器工作过程示意图，参考图2：该循环移动数据存储器由RegA0、RegA1、RegA2、……、RegAn-1个存储单元组成，用于存储放第0点、第1点、第2点、……、第n-1点的采样数据的累加和。
所述存储单元的数量为所述循环移动数据存储器的深度，该数量由传感光纤的长度和A/D转换速率决定，其大小可调节。例如该循环移动数据存储器可以由FPGA(或CPLD)与FIFO存储器等芯片构成，实现对A/D采样数据的循环移动和数字BOXCAR积分运算。
具体实现中，所述对转换后的数字信号进行数字BOXCAR积分运算和循环移动存储的过程具体为：
首先将循环移动数据存储器的各个存储单元清零；
当第j次激光泵浦脉冲发射时，采样沿光纤长度方向上的背向散射信号，先将第i个点的采样数据与该点前一次(即第j-1次)的累加和数据经过累加器处理后，得到第i点第j次的累加和数据；
再按顺时针方向分别将各个存储单元的数据循环移动到下一个存储单元。
以上操作可以在高频时钟发生器的控制下同步进行，因此每采集一个数据，需要进行累加和数据循环移动两个动作，这两个动作可在一个时钟脉冲的作用下完成，上述高频时钟发生器由温度补偿晶体振荡器构成，用于同步控制所述高速A/D转换器的采样时刻和触发数据的循环移动存储。
步骤3、通过数据的循环移动和累加运算，获得沿光纤长度方向上各点的散射光强分布数据。
在该步骤中，布里渊散射光属于后向散射光，因此散射光在距离光纤端面的距离d可以通过光发射和接收的往返时间t来计算，即
其中，C为光在真空中的速度(2.998×108m/s),n为光纤折射率，而往返时间t由A/D采样时刻(点数)确定，它与距离d一一对应。
由于A/D为等间隔采样，因此采样的点数对应光纤中散射点的位置，采样值为散射光强，然后再将采样值按照A/D采样点的先后次序存入循环移动数据存储器中构成数据链表，这个包含采样值的数据链表就是离散化的沿光纤长度方向上各点的散射光强分布数据。
下面以具体的实例对上述方法的过程进行详细说明，如图3所示为本发明所举实例的方法处理过程示意图，图中包括有双端高速存储器、读地址逻辑产生电路、写地址逻辑产生电路和累加器等部件，其中双端高速存储器的一个端口只能读数据，另一个端口只能写数据；读地址逻辑产生电路和写地址逻辑产生电路产生循环的递增地址，即地址从0开始递增，当地址增加到循环移动存储器深度n时，地址又回到0，从新开始递增，写地址比读地址值少1，并且读地址值与采样数据点值一致。
具体过程为：采样到第i点的数据时，同时读取前一回第i点存储的数据，并且在累加器中进行累加；当下一个时钟到来时，先将第i点数据存储，然后再对第i+1点的数据进行累加，以此类推。
另外，在对光纤传感信号进行BOXCAR积分运算后，光纤传感信号输入输出信噪比由测量次数n决定，其信噪比的改善为n的方根值，因此通过选取适当的n，就可以有效地提取出微弱的光纤传感信号。
综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：
1、通过累加器和循环移动数据存储器对光纤传感信号BOXCAR积分运算后再进行循环移动数据存储，不仅大量地减少高速数据缓存容量，而且不会因传输数据量大带来的部分测量数据丢失等问题。
2、利用数字硬件电路实现数字BOXCAR积分和数据存储，可大大提高数据采集和处理速度，有利于光纤传感器信号的实时测量处理。
3、该方法成本低、容易实现，尤其适合作为长距离高空间分辨率的分布式光纤传感系统中信号的采集与处理。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法，其特征在于，所述方法包括：
将待处理的背向散射信号经过信号放大滤波器处理后，送入高速A/D转换器转换为数字信号；
将高频时钟发生器产生的信号作为同步触发信号，在该同步触发信号的控制下对转换后的数字信号进行数字BOXCAR积分运算和循环移动存储；
通过数据的循环移动和累加运算，获得沿光纤长度方向上各点的散射光强分布数据。
2.根据权利要求1所述分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法，其特征在于，所述循环移动存储的过程在循环移动数据存储器中进行，该循环移动数据存储器由RegA0、RegA1、RegA2、……、RegAn-1个存储单元组成，用于存储放第0点、第1点、第2点、……、第n-1点的采样数据的累加和。
3.根据权利要求2所述分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法，其特征在于，
所述存储单元的数量为所述循环移动数据存储器的深度，该数量由传感光纤的长度和A/D转换速率决定。
4.根据权利要求2所述分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法，其特征在于，所述对转换后的数字信号进行数字BOXCAR积分运算和循环移动存储的过程具体为：
首先将循环移动数据存储器的各个存储单元清零；
当第j次激光泵浦脉冲发射时，采样沿光纤长度方向上的背向散射信号，先将第i个点的采样数据与第j-1次的累加和数据经过累加器处理后，得到第i点第j次的累加和数据；
再按顺时针方向分别将各个存储单元的数据循环移动到下一个存储单元。
5.根据权利要求1所述分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法，其特征在于，所述通过数据的循环移动和累加运算，获得沿光纤长度方向上各点的散射光强分布数据，具体包括：
散射光在距离光纤端面的距离d通过光发射和接收的往返时间t来计算，即：
其中，C为光在真空中的速度，n为光纤折射率，往返时间t由A/D采样时刻确定，它与距离d一一对应；
将A/D采样获得的散射光强按照A/D采样点的先后次序存入循环移动数据存储器中构成数据链表，该包含散射光强的数据链表即为离散化的沿光纤长度方向上各点的散射光强分布数据。
6.根据权利要求1所述分布式光纤传感器中数据采集与处理的方法，其特征在于，
所述高频时钟发生器由温度补偿晶体振荡器构成，用于同步控制所述高速A/D转换器的采样时刻和触发数据的循环移动存储。
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