CN107664962A - 基于fpga的光纤传感系统的集成型控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的光纤传感系统集成控制方法和装置，该方法包括基于三步移相调制原理产生相位调制信号，从合适的采样窗口抽取光强数据，计算包裹相位，以及依据区域生长算法计算绝对相位。所述装置包括光电转换器，模拟数字转换模块，基于FPGA的实时控制和数据处理模块，相位调制信号模拟变换电路；其中基于FPGA的实时控制和数据处理模块包括相位调制信号产生单元，光强数据抽取单元，相位计算单元，相位解包单元，相位信息格式化和通信单元。本发明集成型控制装置系统集成度高、对功能器件的需求量极少，显著降低了成本。此外，由于FPGA具备可编程重配的特性，该装置还具备可重配性和灵活性，扩展能力强。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法及装置。
背景技术
光纤传感器具有重量轻，抗电磁干扰，灵敏度高，安全可靠，耐腐蚀，可进行分布式测量，易于组网等诸多优点，已经被应用在油井温度与压力测量、输油管道监测、测井技术、地震波监测等方面。光纤传感器一般是基于干涉的原理，将传感探头感知的应力、温度、加速度等物理参量，线性地转变为干涉双臂中信号臂的相位变化，并以干涉光强条纹的形式反映出来。光纤传感器的干涉光强一般连接光电转换器以获得与光强成比例的电压信号，它的输出形式可以表达为：
I＝Idc+Iaccos(θ)
其中，Idc表示光强的直流偏置，Iac表示干涉仪的输出增益，θ表示由光纤传感器感知得到的相位信息。
为了求得θ，并保证整套光纤传感系统具有较高的精度和动态范围，一般采用调制解调的方式处理相位信息，它是光纤传感技术领域的核心技术之一。例如工程技术中常用的相位产生载波(PGC)法中加入了正弦调制项，上式表达为：
其中，M表示调制深度，ω表示调制频率，φ表示调制的初始相位。该系统的解调装置使用模拟数字转换器(ADC)对光强变化进行采样，然后经过求导、乘法、低通滤波等一系列运算处理求解得到相位信息θ，因而该实现方法的处理电路较为复杂，容易引入相关电路噪声。此外，由外界因素扰动造成的M和φ的变化也会影响该测量方法的精度。
如果ADC采样频率是调制载波频率的整数倍，采样得到的调制相位是固定的数值，例如当每个载波频率周期内采样8个点，载波相位值可以分别为0，π/4，π/2，3π/4，π，5π/4，3π/2，7π/4。此时上述PGC法中的正弦型载波可以被替换为8个具有不同固定相位值的阶梯型载波。当采样得到具有固定调制相位关系的光强数据后，可以直接由三角函数关系求解得到相位信息θ，被称为移相调制法，该解调方法具有简单、实时性高的特点。此类方法在应用时至少需要3个不同的调制相位值，例如采用-π/2，0，π/2，采样得到的光强分别用IA，IB，IC表示，则：
求解得到：由于求得的相位被压缩在了的范围之内，故被称为包裹相位，用θW表示，它与绝对相位之间相差π的整数倍k(k被称为干涉级次)，θ＝θW+k·π。使用三个固定调制相位来计算相位信息的方法被称为三步移相调制法，它是移相调制法中实现最为简单的一种。
当采样频率足够快，保证在采样间隔时间内由实际物理参数变化引起的相位数值的绝对变化量小于预设的常量型参数Dmin(Dmin＜π)，那么基于区域生长算法，通过判断相邻相位点之间的包裹相位的跃变关系可以恢复出绝对相位值(被称为相位解包)，其测量的动态范围理论上可以达到无穷大。移相调制法还易于实现基于时分复用技术的光纤传感器组网。通过合理组织和控制传感器的分布，将不同传感器的干涉光强信号在时间上面区分开，就能够针对每个传感器分别找出其所对应的3个采样时间窗口，获得光强数据并求解得到相位信息。
移相调制法的实现过程相对较为简单，调制相位的产生依赖参数较少并且精度较高，测量动态范围大，易于扩展组合成传感器网络。此外，对于采用不等长干涉臂的光纤干涉系统，实际只需要提供一种数值为π/2的调制相位，因为以干涉臂较长的一路的调制相位作为参考，光信号经过两个干涉臂之后，短干涉臂和长干涉臂之间的调制相位差在时间上依次出现π/2，-π/2，0，其中0是除去调制相位时间窗口的默认状态下的调制相位差。
三步移相调制法的实现原理表明：光纤传感系统的主要实施步骤包括阶梯型相位调制信号的生成，对采样窗口的精确控制及光强数据的抽取，求解反正切三角函数以及相位解包等。这些功能要求实施这些功能的电子装置同时具备实时控制和计算复杂浮点运算的能力，常见系统中的功能器件的种类较多并且具有分立和分散的特性，因而实现复杂度较高，成本较大，成为限制光纤传感系统制造和生产的主要限制因素之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成度高、成本低的基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法及装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法，包括以下步骤：
步骤1，基于FPGA产生用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，并通过模拟变换电路转换为能够触发相位调制器产生π/2相位偏移的模拟电脉冲信号；
步骤2，光电转换器将光纤传感系统的干涉光强结果转换为模拟电学信号；
步骤3，模拟数字转换模块将模拟电学信号线性地转换为光强数据；
步骤4，基于FPGA的实时控制和数据处理模块生成控制相位调制信号的数字电压信号，该数字电压信号控制采样窗口同步抽取有效的光强数据，根据移相调制法原理计算包裹相位，通过相位解包算法恢复绝对相位，并将相位结果格式化输出。
进一步地，步骤4所述基于FPGA的实时控制和数据处理模块生成控制相位调制信号的数字电压信号，该数字电压信号控制采样窗口同步抽取有效的光强数据，根据移相调制法原理计算包裹相位，通过相位解包算法恢复绝对相位，并将相位结果格式化输出，具体如下：
(4.1)相位调制信号产生单元基于三步移相调制原理产生脉冲宽度为Tp和重复周期为T的相位调制信号的数字电压信号，经由模拟变换电路处理后控制相位调制器产生的相位偏移；
(4.2)从干涉光强数据流中定位调制相位分别为0的三个时间窗口，分别抽取每个时间窗口内中心采样位置对应的数据IA，IB，IC作为有效光强数据；
(4.3)计算包裹相位θW，公式为
(4.4)基于区域生长算法计算与每个包裹相位对应的干涉级次k值，进而计算绝对相位θ＝θW+k·π；
(4.5)相位信息格式化和通信单元按照用户定制的数据格式对相位结果进行组帧，通过USB或者TCP/IP通信协议接口将数据传送给主机。
进一步地，步骤(4.1)中所述脉冲宽度为Tp和重复周期为T的相位调制电脉冲信号，其中用n表示光纤折射率，c表示光速，ΔL表示干涉臂长的差值，则用s表示相邻两个传感器之间距离，m表示光纤传感系统的传感器数目，对于三步移相调制原理，满足T≥m·3Tp。
进一步地，步骤(4.2)所述抽取每个时间窗口内中心采样位置对应的数据，抽取原则为：在每个重复周期T内，抽取有效光强数据时的采样窗口的时间原点是相位调制电脉冲信号的上升沿。
进一步地，步骤(4.4)所述区域生产算法满足以下条件：采样间隔时间内由实际物理参数变化引起的相位数值的绝对变化量小于预设的常量型参数Dmin且Dmin＜π；
所述区域生产算法具体过程如下：令第一个包裹相位θW(1)对应的干涉级次k(1)为0，依次计算后一个包裹相位θW(i+1)与前面相邻的包裹相位θW(i)的差值Δ，其中1≤i≤N，N为包裹相位的总数：
如果|Δ|≤Dmin，则k(i+1)＝k(i)；
如果-π＜Δ≤Dmin-π，则k(i+1)＝k(i)+1；
如果π-Dmin＜Δ≤π，则k(i+1)＝k(i)-1；
其他情况下，视该包裹相位为无效的噪声相位；
通过梯度连续性原则计算绝对相位：θ(i+1)＝2θ(i)-θ(i-1)。
一种基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制装置，包括顺次连接的光电转换器、模拟数字转换模块、基于FPGA的实时控制和数据处理模块、相位调制信号模拟变换电路，其中：
光电转换器，用于将光纤传感系统的干涉光强结果转换为控制装置处理的模拟电学信号；
模拟数字转换模块，用于将模拟电学信号线性地转换为与其幅值对应的光强数据；
基于FPGA的实时控制和数据处理模块，用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，控制采样窗口并同步抽取有效的光强数据，根据移相调制法原理计算包裹相位，通过相位解包算法恢复绝对相位，并将相位结果格式化输出；
所述相位调制信号模拟变换电路，用于转换与相位调制数值成比例的模拟电压信号，控制相位调制器产生相应的调制相位。
进一步地，所述模拟数字转换模块包括低通滤波器和数字转换器ADC，其中低通滤波器的上限截止频率是ADC采样频率的1/2，且ADC器件数据位宽确定原则是保证最小可分辨电压为5mv并能够覆盖电压变化的动态范围，ADC采样频率的确定原则是保证每个调制相位的窗口中至少覆盖5个采样位置。
进一步地，所述基于FPGA的实时控制和数据处理模块包括顺次连接的相位调制信号产生单元、光强数据抽取单元、相位计算单元、相位解包单元、相位信息格式化和通信单元，其中，相位调制信号产生单元用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，光强数据抽取单元控制采样窗口并同步抽取有效的光强数据，相位计算单元根据移相调制法原理计算包裹相位，相位解包单元通过相位解包算法恢复绝对相位，相位信息格式化和通信单元将相位结果格式化并输出。
进一步地，所述相位调制信号模拟转换电路是由高速运算放大器组成的模拟放大电路，将标准数字电压幅度的电脉冲信号转换为能够触发相位调制器产生π/2相位偏移的模拟电脉冲信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)系统集成度高，对功能器件的需求量极少，显著降低成本：基于FPGA的实时控制和数据处理模块，既覆盖了调制信号生成，采样窗口的精确定位和光强数据的抽取等实时处理功能，又提供了包裹相位计算和绝对相位解包等复杂的算法处理功能；使用单个FPGA芯片配合一个电光转换器，一个模拟数字转换器及少量模拟处理电路即可制造出整套控制装置；(2)系统具备可重配性和灵活性，扩展能力强：由于FPGA具备可编程重配的特性，通过控制相位调制信号产生单元产生的相位调制电脉冲信号的高电平脉冲宽度Tp和重复周期T，可以实现具有不同传感灵敏度(灵敏度与干涉臂差ΔL有关)及传感器数量的传感器网络。
附图说明
图1为本发明提供的基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制装置结构示意图。
图2为本发明实施例中能够与集成型控制装置直接连接使用的光纤传感系统结构示意图。
图3为本发明实施例中的光强数据抽取单元的工作原理示意图。
图4为本发明实施例中基于流水线技术实现的相位计算及相位解包时序示意图。
具体实施方式
本发明基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法，包括以下步骤：
步骤1，基于FPGA产生用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，并通过模拟变换电路转换为能够触发相位调制器产生π/2相位偏移的模拟电脉冲信号；
步骤2，光电转换器将光纤传感系统的干涉光强结果转换为模拟电学信号；
步骤3，模拟数字转换模块将模拟电学信号线性地转换为光强数据；
步骤4，基于FPGA的实时控制和数据处理模块生成控制相位调制信号的数字电压信号，该数字电压信号控制采样窗口同步抽取有效的光强数据，根据移相调制法原理计算包裹相位，通过相位解包算法恢复绝对相位，并将相位结果格式化输出，具体如下：
(4.1)相位调制信号产生单元基于三步移相调制原理产生脉冲宽度为Tp和重复周期为T的相位调制信号的数字电压信号，经由模拟变换电路处理后控制相位调制器产生的相位偏移；
(4.2)从干涉光强数据流中定位调制相位分别为0的三个时间窗口，分别抽取每个时间窗口内中心采样位置对应的数据IA，IB，IC作为有效光强数据；
(4.3)计算包裹相位θW，公式为
(4.4)基于区域生长算法计算与每个包裹相位对应的干涉级次k值，进而计算绝对相位θ＝θW+k·π；
(4.5)相位信息格式化和通信单元按照用户定制的数据格式对相位结果进行组帧，通过USB或者TCP/IP通信协议接口将数据传送给主机。
进一步地，步骤(4.1)中所述脉冲宽度为Tp和重复周期为T的相位调制电脉冲信号，其中用n表示光纤折射率，c表示光速，ΔL表示干涉臂长的差值，则用s表示相邻两个传感器之间距离，m表示光纤传感系统的传感器数目，对于三步移相调制原理，满足T≥m·3Tp。
进一步地，步骤(4.2)所述抽取每个时间窗口内中心采样位置对应的数据，抽取原则为：在每个重复周期T内，抽取有效光强数据时的采样窗口的时间原点是相位调制电脉冲信号的上升沿。
进一步地，步骤(4.4)所述区域生产算法满足以下条件：采样间隔时间内由实际物理参数变化引起的相位数值的绝对变化量小于预设的常量型参数Dmin且Dmin＜π；
所述区域生产算法具体过程如下：令第一个包裹相位θW(1)对应的干涉级次k(1)为0，依次计算后一个包裹相位θW(i+1)与前面相邻的包裹相位θW(i)的差值Δ，其中1≤i≤N，N为包裹相位的总数：
如果|Δ|≤Dmin，则k(i+1)＝k(i)；
如果-π＜Δ≤Dmin-π，则k(i+1)＝k(i)+1；
如果π-Dmin＜Δ≤π，则k(i+1)＝k(i)-1；
其他情况下，视该包裹相位为无效的噪声相位；
通过梯度连续性原则计算绝对相位：θ(i+1)＝2θ(i)-θ(i-1)。
本发明基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制装置，包括顺次连接的光电转换器、模拟数字转换模块、基于FPGA的实时控制和数据处理模块、相位调制信号模拟变换电路，其中：
光电转换器，用于将光纤传感系统的干涉光强结果转换为控制装置处理的模拟电学信号；
模拟数字转换模块，用于将模拟电学信号线性地转换为与其幅值对应的光强数据；
基于FPGA的实时控制和数据处理模块，用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，控制采样窗口并同步抽取有效的光强数据，根据移相调制法原理计算包裹相位，通过相位解包算法恢复绝对相位，并将相位结果格式化输出；
所述相位调制信号模拟变换电路，用于转换与相位调制数值成比例的模拟电压信号，控制相位调制器产生相应的调制相位。
进一步地，所述模拟数字转换模块包括低通滤波器和数字转换器ADC，其中低通滤波器的上限截止频率是ADC采样频率的1/2，且ADC器件数据位宽确定原则是保证最小可分辨电压为5mv并能够覆盖电压变化的动态范围，ADC采样频率的确定原则是保证每个调制相位的窗口中至少覆盖5个采样位置。
进一步地，所述基于FPGA的实时控制和数据处理模块包括顺次连接的相位调制信号产生单元、光强数据抽取单元、相位计算单元、相位解包单元、相位信息格式化和通信单元，其中，相位调制信号产生单元用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，光强数据抽取单元控制采样窗口并同步抽取有效的光强数据，相位计算单元根据移相调制法原理计算包裹相位，相位解包单元通过相位解包算法恢复绝对相位，相位信息格式化和通信单元将相位结果格式化并输出。
进一步地，所述相位调制信号模拟转换电路是由高速运算放大器组成的模拟放大电路，将标准数字电压幅度的电脉冲信号转换为能够触发相位调制器产生π/2相位偏移的模拟电脉冲信号。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
结合图1，本发明基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制装置结构示意图，包括光电转换器，模拟数字转换模块，基于FPGA的实时控制和数据处理模块，相位调制信号模拟变换电路。其中光电转换器用于将光纤传感系统的干涉光强结果转变为可以由电子控制装置处理的模拟电学信号。模拟数字转换模块用于将模拟电学信号线性地转换为与其幅值对应的光强数据。基于FPGA的实时控制和数据处理模块用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，精确控制采样窗口并同步抽取有效的光强数据，根据移相调制法原理计算包裹相位，通过相位解包算法恢复绝对相位，并将相位结果格式化输出。相位调制信号模拟变换电路用于转换与相位调制数值成比例的模拟电压信号，控制相位调制器产生相应的调制相位。图中粗箭头表示集成型控制装置的输入和输出，包括一个由光纤传感系统输出到控制装置的干涉光强信号，一个由控制装置输出给光纤传感系统的相位调制信号，一个输出结果给外部主机的通信接口信号。
图2为本实施例中提供的一种能够与集成型控制装置直接连接使用的光纤传感系统结构示意图。其中粗箭头表示该系统的输入和输出，与图1中的相位调制信号和干涉光强信号分别对应连接。该干涉系统中包含m个传感器，其中第i(1≤i≤m)个传感器使用波长为λi的激光发生干涉。经过相位调制的激光光束依次进入m个传感器，基于时分复用原理，先进入传感器的激光将会较早返回光电转换器。对于某个具体的传感器，被调制的激光光束通过一个2x2耦合器同时进入其短干涉臂和长干涉臂，分别形成参考光和信号光，长干涉臂被用来检测物理量，图2中待检测的物理量是加速度，由振动台模拟产生。每个干涉臂末端分别与一个法拉第旋光镜连接，参考光和信号光经法拉第旋光镜反射后，返回耦合器，经耦合器输出到光电转换器处产生干涉信号。用n表示光纤折射率，c表示光速，ΔL表示长干涉臂和短干涉臂的长度差，它影响光纤传感器的灵敏度，其长度越长灵敏度越高，本实施例中ΔL长度为2.8m，相邻两个传感器的距离设置s为50m，数目m为4个，对它们的选取满足s≥3ΔL。由此可以计算相位调制电脉冲信号的高电平脉冲宽度Tp和重复周期T的具体值，
模拟数字转换模块包括模拟低通滤波器和模拟数字转换器(ADC)。低通滤波器的作用是防止ADC采样的混叠干扰，其上限截止频率是ADC采样频率的ADC器件数据位宽的确定原则是保证最小可分辨电压为5mv并能够覆盖电压变化的动态范围，采样频率的确定原则是保证每个调制相位的窗口中至少覆盖5个采样位置。本实施例中的ADC选用ADI公司型号为AD9211的芯片，其数据位宽度为10比特，采样速度设置为200MHz。设置其参考电压为0.98V，实际测试有效位为9比特，则其动态测量范围为-0.49mV～0.49mV，最小可分辨电压约为2mV。采样时间间隔为5ns，由于采样时间窗口为Tp≈30ns，故可以保证采样窗口内存在5个采样位置。
基于FPGA的实时控制和数据处理模块包括相位调制信号产生单元，光强数据抽取单元，相位计算单元，相位解包单元，相位信息格式化和通信单元。本实施例使用的FPGA型号是EP3SE110F1152I3(Altera公司生产的Stratix-Ⅲ系列)。这些功能单元的具体实现为：
(1)相位调制信号产生单元产生具有一定高电平脉冲宽度Tp和重复周期T的相位调制电脉冲信号，该信号的幅值是符合一定数字电平标准的固定电压。上面已经计算得到Tp≈30ns，T≈2000ns。该功能单元在FPGA内部由一个时钟频率运行在200MHz的计数器实现，计数器的循环周期为400，对应2000ns，当计数器的计数值为0～5时，控制产生相位调制信号的IO管脚输出高电平，对应产生Tp＝30ns。
(2)图3为本发明实施例中提供的光强数据抽取单元的工作原理示意图。光强数据抽取单元从ADC数据流中定位调制相位分别为0的三个时间窗口，分别抽取每个时间窗口内中心采样位置对应的数据IA，IB，IC作为有效光强数据。抽取时选择相位调制信号产生单元输出的相位调制电脉冲信号的上升沿作为每个重复周期内定位的时间原点。第i个传感器相对于时间原点的固有延时用τi表示，它是由电学延时和光路延时共同决定的，在一套成熟的光纤传感系统中是常量值，通过测量可以预先确定。τi确定了第i个传感器的采样窗口的位置，在FPGA内部，该单元的功能由200MHz时钟触发的计数器控制实现。当计数值达到(表示大于等于x的最小整数)时，ADC数据流开始进入第i个传感器的采样区间。每个采样区间包括三个对应于三种调制相位的采样窗口，当计数值分别为时，ADC数据流正好处于每个采样窗口的中心位置，将这些位置的数据分别抽取出来即为光强数据IA，IB，IC。
(3)相位计算单元根据公式计算包裹相位，其计算过程使用由流水线技术优化的高吞吐率的定点转浮点，浮点加法，浮点减法，浮点反正切三角函数，浮点转定点等IP核。
(4)相位解包单元依据基于区域生长算法计算与每个包裹相位对应的干涉级次k值，进而计算绝对相位θ＝θW+k·π。区域生产算法的核心是保证ADC采样速率足够快，使得采样间隔时间内由实际物理参数变化引起的相位数值的绝对变化量小于预设的常量型参数Dmin(Dmin＜π)。其实现过程是：令第一个包裹相位θW(1)对应的干涉级次k(1)为0，依次计算后一个包裹相位θW(i+1)与其前面相邻的包裹相位θW(i)(1≤i≤N，N为包裹相位的总数)的差值Δ，如果|Δ|≤Dmin，则k(i+1)＝k(i)，如果-π＜Δ≤Dmin-π，则k(i+1)＝k(i)+1，如果π-Dmin＜Δ≤π，则k(i+1)＝k(i)-1。其他情况下视该包裹相位为无效的噪声相位，通过梯度连续的原则计算其绝对相位：θ(i+1)＝2θ(i)-θ(i-1)。图4为本发明实施例中提供的基于流水线技术实现的相位计算及相位解包时序示意图。相位计算单元的所有浮点运算IP核中运算最为复杂的是反正切三角函数，而对于Stratix-Ⅲ系列FPGA，数据手册给出的其速度最优工作条件下的最高工作频率为255.29MHz，考虑到需要留有一定时序余量，本实施例中相位计算和解包单元选用200MHz的时钟频率。相位解包单元中不包括复杂的浮点运算模块，大部分操作为数据对齐、比较及加减法运算，其中相对较为复杂的数据对齐任务是基于先进先出缓存(FIFO)实现的。图4中相位计算单元的潜伏期latency1为78个时钟周期，相位解包单元的潜伏期latency2为2155个时钟周期，故总潜伏周期为78+2155＝2233个时钟周期。
(5)相位信息格式化和通信单元按照用户定制的数据格式对相位结果进行组帧，通过USB或者TCP/IP等通信协议接口将数据传送给主机。
相位调制信号模拟变换电路是由高速运算放大器组成的模拟放大电路，将符合特定数字电压标准的电脉冲信号转换为能够触发相位调制器产生相位偏移的模拟电脉冲信号。本实施例中FPGA相位调制信号产生单元的电平标准是LVTTL，其高电平输出电压约为3.3V，相位调制器的型号为JDSU公司的APE PM-150-005，其调制相位的标准输入电压为2.25V，故采用由高速运算放大器组成的双级反向放大电路实现电平转换的功能，放大总增益为2.25/3.3＝0.68。高速运算放大器选用ADI公司生产的高速电流型运放AD8009，其压摆率为5500V/us，从0V上升到2.5V输出电压的时间小于3ns，对Tp仅为30ns的相位调制电脉冲的高电平持续时间影响不大，可以满足系统要求。
本实施例提供的控制装置仅仅使用了一片FPGA芯片，一个电光转换器，一个模拟数字转换器及少量模拟处理电路，对硬件配置需求少，实现成本低。此外，由于FPGA具备可编程重配的特性，通过控制相位调制信号产生单元产生的相位调制电脉冲信号的高电平脉冲宽度Tp和重复周期T，可以实现具有不同传感灵敏度及传感器数量的传感器网络，系统改造升级的成本较低，为光纤传感系统控制装置的实现提供了一种有益的方案。
Claims (9)
1.一种基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，基于FPGA产生用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，并通过模拟变换电路转换为能够触发相位调制器产生π/2相位偏移的模拟电脉冲信号；
步骤2，光电转换器将光纤传感系统的干涉光强结果转换为模拟电学信号；
步骤3，模拟数字转换模块将模拟电学信号线性地转换为光强数据；
步骤4，基于FPGA的实时控制和数据处理模块生成控制相位调制信号的数字电压信号，该数字电压信号控制采样窗口同步抽取有效的光强数据，根据移相调制法原理计算包裹相位，通过相位解包算法恢复绝对相位，并将相位结果格式化输出。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法，其特征在于，步骤4所述基于FPGA的实时控制和数据处理模块生成控制相位调制信号的数字电压信号，该数字电压信号控制采样窗口同步抽取有效的光强数据，根据移相调制法原理计算包裹相位，通过相位解包算法恢复绝对相位，并将相位结果格式化输出，具体如下：
(4.1)相位调制信号产生单元基于三步移相调制原理产生脉冲宽度为Tp和重复周期为T的相位调制信号的数字电压信号，经由模拟变换电路处理后控制相位调制器产生的相位偏移；
(4.2)从干涉光强数据流中定位调制相位分别为0的三个时间窗口，分别抽取每个时间窗口内中心采样位置对应的数据IA，IB，IC作为有效光强数据；
(4.3)计算包裹相位θW，公式为
(4.4)基于区域生长算法计算与每个包裹相位对应的干涉级次k值，进而计算绝对相位θ＝θW+k·π；
(4.5)相位信息格式化和通信单元按照用户定制的数据格式对相位结果进行组帧，通过USB或者TCP/IP通信协议接口将数据传送给主机。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法，其特征在于，步骤(4.1)中所述脉冲宽度为Tp和重复周期为T的相位调制电脉冲信号，其中用n表示光纤折射率，c表示光速，ΔL表示干涉臂长的差值，则用s表示相邻两个传感器之间距离，m表示光纤传感系统的传感器数目，对于三步移相调制原理，满足T≥m·3Tp。
4.根据权利要求2所述的基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法，其特征在于，步骤(4.2)所述抽取每个时间窗口内中心采样位置对应的数据，抽取原则为：在每个重复周期T内，抽取有效光强数据时的采样窗口的时间原点是相位调制电脉冲信号的上升沿。
5.根据权利要求2所述的基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法，其特征在于，步骤(4.4)所述区域生产算法满足以下条件：采样间隔时间内由实际物理参数变化引起的相位数值的绝对变化量小于预设的常量型参数Dmin且Dmin＜π；
所述区域生产算法具体过程如下：令第一个包裹相位θW(1)对应的干涉级次k(1)为0，依次计算后一个包裹相位θW(i+1)与前面相邻的包裹相位θW(i)的差值Δ，其中1≤i≤N，N为包裹相位的总数：
如果|Δ|≤Dmin，则k(i+1)＝k(i)；
如果-π＜Δ≤Dmin-π，则k(i+1)＝k(i)+1；
如果π-Dmin＜Δ≤π，则k(i+1)＝k(i)-1；
其他情况下，视该包裹相位为无效的噪声相位；
通过梯度连续性原则计算绝对相位：θ(i+1)＝2θ(i)-θ(i-1)。
6.一种基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制装置，其特征在于，包括顺次连接的光电转换器、模拟数字转换模块、基于FPGA的实时控制和数据处理模块、相位调制信号模拟变换电路，其中：
光电转换器，用于将光纤传感系统的干涉光强结果转换为控制装置处理的模拟电学信号；
模拟数字转换模块，用于将模拟电学信号线性地转换为与其幅值对应的光强数据；
基于FPGA的实时控制和数据处理模块，用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，控制采样窗口并同步抽取有效的光强数据，根据移相调制法原理计算包裹相位，通过相位解包算法恢复绝对相位，并将相位结果格式化输出；
所述相位调制信号模拟变换电路，用于转换与相位调制数值成比例的模拟电压信号，控制相位调制器产生相应的调制相位。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制装置，其特征在于，所述模拟数字转换模块包括低通滤波器和数字转换器ADC，其中低通滤波器的上限截止频率是ADC采样频率的1/2，且ADC器件数据位宽确定原则是保证最小可分辨电压为5mv并能够覆盖电压变化的动态范围，ADC采样频率的确定原则是保证每个调制相位的窗口中至少覆盖5个采样位置。
8.根据权利要求6所述的基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制装置，其特征在于，所述基于FPGA的实时控制和数据处理模块包括顺次连接的相位调制信号产生单元、光强数据抽取单元、相位计算单元、相位解包单元、相位信息格式化和通信单元，其中，相位调制信号产生单元用于生成控制相位调制信号的数字电压信号，光强数据抽取单元控制采样窗口并同步抽取有效的光强数据，相位计算单元根据移相调制法原理计算包裹相位，相位解包单元通过相位解包算法恢复绝对相位，相位信息格式化和通信单元将相位结果格式化并输出。
9.根据权利要求6所述的基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制装置，其特征在于，所述相位调制信号模拟转换电路是由高速运算放大器组成的模拟放大电路，将标准数字电压幅度的电脉冲信号转换为能够触发相位调制器产生π/2相位偏移的模拟电脉冲信号。
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