CN115046623B

CN115046623B - 基于fpga和arm的光纤声发射信号解调系统及方法

Info

Publication number: CN115046623B
Application number: CN202210651192.7A
Authority: CN
Inventors: 李帆; 从政; 赵建辉
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2042-06-09
Also published as: CN115046623A

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法，系统包括光纤干涉传感模块和信号解调模块；光纤干涉传感模块用于将声发射信号调制为拍频光强信号；信号解调模块用于从拍频光强信号中解调出声发射原始信号；光纤干涉传感模块包括激光源、声光调制器、驱动源、第一光电耦合器、第二光电耦合器、参考光纤和传感光纤，信号解调模块包括信号发生器、光电探测器、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA处理器和ARM处理器。本发明环境适应性好，可提高运算速度，减小上位机运算资源需求。

Description

基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法

技术领域

本发明涉及声发射信号检测技术领域，更具体地说是涉及一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法。

背景技术

声发射(Acoustic Emission,AE)是指材料在受到外部或内部载荷作用时，局部损伤源快速释放能量而产生瞬态弹性波的物理现象。从承受载荷作用后逐渐变形，到最终发生滑移、错位、裂纹扩展以及断裂等现象的过程中，材料均会产生不同程度的声发射信号。利用传感器持续检测声发射信号，可得到结构体在载荷下的实时健康状况，从而对其缺陷、故障等进行预测和管理。

声发射检测技术是一种被动检测技术，它对材料发生各种形变过程中产生的高频超声信号(通常为20KHz-500KHz)进行检测，无需额外的信号源激励，逐渐成为无损检测领域的重要研究方向。相较于其他无损检测方法，声发射检测技术不会因缺陷的形状、大小、所处位置等特性参数而影响最终检测结果，广泛应用于地质环境、石油化工、航空航天、电力工业、工程建造等领域。

目前，针对声发射信号检测应用广泛且实现商业化的传感器为压电陶瓷声发射传感器，其基于压电效应敏感声发射信号的质点运动，产生压缩和拉伸，经压电转换后，进行电信号处理，本质上是一种电学传感器，易受电磁干扰，且在远距离传输时，电信号衰减过大。

基于光纤传感的声发射检测方法采用光纤声发射传感器。因光纤材料的物理特性，该传感器兼具信号传感与信号传输功能，灵敏度高、动态范围宽、可实时监测。相较于压电陶瓷声发射传感器，其具有抗电磁干扰、传输损耗低等优点。

光纤声发射信号检测系统主要由光纤干涉传感模块和信号解调模块两部分组成，其中，声发射信号解调模块的解调效果直接决定最终检测精度，其解调运算较为复杂。

目前，对于光纤声发射信号的解调多采用以AD芯片或高速数据采集卡采集数据，再传输给现场上位PC机进行数据解调的运算模式。在该模式下，可直接采用成熟的信号处理软件进行处理，使光纤声发射传感技术的研究更加便捷。

但随着光纤声发射传感器逐渐应用到工程场景中，暴露出了现有解调模式的一些不足之处，主要包括：解调运算系统仅限于工业现场工作，不适于远程传输运算，不适于组网工作，对空间局促、强电磁干扰等恶劣工业现场环境的适应性差；受PC机实时速率限制，完成复杂的解调运算需消耗大量上位机资源；PC机功能拓展性弱，影响了解调系统的通用性。

因此，如何克服现有不足是本领域研究人员亟需解决的问题。基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法为该问题的解决提供了一种思路。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法，利用FPGA与ARM结合的嵌入式硬件系统实现信号的解调与系统的功能拓展，在提高抗电磁干扰、分布式组网等能力的同时，对进一步提高光纤声发射检测系统处理速度、促进工程化应用有着重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统，包括：光纤干涉传感模块和信号解调模块；

所述光纤干涉传感模块用于将声发射信号调制为拍频光强信号；

所述信号解调模块用于从拍频光强信号中解调出声发射原始信号。

优选地，所述光纤干涉传感模块包括激光源、声光调制器、驱动源、第一光电耦合器、第二光电耦合器、参考光纤和传感光纤；

所述第一光电耦合器用于将所述激光源发出的激光分为两束相干光，分别进入所述参考光纤和所述传感光纤；

所述传感光纤上设置有所述声光调制器，所述驱动源输出的其中一路驱动信号用于驱动所述声光调制器，所述声光调制器将所述传感光纤中光的频率移至高频段；

所述第二光电耦合器用于对形成光频差后的所述参考光纤和所述传感光纤的光进行干涉，形成拍频光强信号。

优选地，所述信号解调模块包括信号发生器、光电探测器、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA处理器和ARM处理器；

所述光电探测器用于将拍频光强信号转换为电信号输出拍频调相信号；

所述信号发生器用于输出固定频率正弦信号，正弦信号作为所述第一混频器和所述第二混频器的本振信号源输入；

所述第一混频器将拍频调相信号和本振信号源进行混频后输出传感中频信号；

所述第一低通滤波器用于将传感中频信号进行滤波输出传感信号；

所述第一AD转换模块用于将传感信号转换为数字信号；

所述第二混频器将所述驱动源输出的另一路驱动信号和本振信号源进行混频后输出参考中频信号；

所述第二低通滤波器用于将参考中频信号进行滤波输出参考信号；

所述第二AD转换模块用于将参考信号转换为数字信号；

所述FPGA处理器用于对转换后的参考信号和传感信号进行实时解调，还原出声发射原始信号，并通过所述ARM处理器进行人机交互，实现结果显示。

优选地，所述FPGA处理器包括数据采集控制模块、交叉相乘模块、反正切解调模块和信号分析模块；

所述数据采集控制模块对输入的参考信号移相90°，与输入参考信号构成一组正交信号；

所述交叉相乘模块通过乘法器IP核将传感信号与正交信号分别相乘得到两路混频信号，并通过低通滤波器滤除两路混频信号中的高频无用信号；

所述反正切解调模块用于将两路低通滤波器的输出信号进行相除运算，再通过反正切运算器对相除结果进行反正切求解，得到声发射原始信号；

所述信号分析模块用于将声发射原始信号采用数字信号处理算法进行时域和频域的分析，以适应多种场景应用需求。

优选地，所述声光调制器和所述第二光电耦合器之间的传感光纤为光纤环；所述参考光纤长度与所述传感光纤长度相同。

一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调方法，包括：

S1：通过光纤干涉传感模块将声发射信号调制为拍频光强信号；

S2：通过信号解调模块从拍频光强信号中解调出声发射原始信号。

优选地，S1具体包括：

将激光源发出的激光经第一光电耦合器分为两束相干光，分别进入参考光纤和传感光纤；

所述传感光纤上设置有声光调制器，驱动源输出的其中一路驱动信号用于驱动所述声光调制器，所述声光调制器将所述传感光纤中光的频率移至高频段；

所述参考光纤和所述传感光纤的光形成光频差后进入所述第二光电耦合器进行干涉，形成拍频光强信号。

优选地，S2具体包括：

通过光电探测器将拍频光强信号转换为电信号输出拍频调相信号；

通过信号发生器输出固定频率正弦信号，正弦信号作为第一混频器和第二混频器的本振信号源输入；

第一混频器将拍频调相信号和本振信号源进行混频后输出传感中频信号；

第一低通滤波器将传感中频信号进行滤波输出传感信号，并通过第一AD转换模块进行模数转换；

第二混频器将驱动源输出的另一路驱动信号和本振信号源进行混频后输出参考中频信号；

第二低通滤波器将参考中频信号进行滤波输出参考信号，并通过第二AD转换模块进行模数转换；

FPGA处理器对转换后的参考信号和传感信号进行实时解调，还原出声发射原始信号，并通过ARM处理器进行人机交互，实现结果显示。

优选地，FPGA处理器对参考信号和传感信号进行实时解调，还原出声发射原始信号。具体包括：

数据采集控制模块对输入的参考信号移相90°，与输入参考信号构成一组正交信号；

交叉相乘模块通过乘法器IP核将传感信号与正交信号分别相乘得到两路混频信号，并通过低通滤波器滤除两路混频信号中的高频无用信号；

反正切解调模块将两路低通滤波器的输出信号进行相除运算，再通过反正切运算器对相除结果进行反正切求解，得到声发射原始信号；

信号分析模块将声发射原始信号采用数字信号处理算法进行时域和频域的分析，以适应多种场景应用需求。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法。系统采用基于外差法解调的MZI(Mach-ZehnderInterferometer,马赫-曾德干涉仪)光纤传感结构，利用FPGA与ARM结合的嵌入式硬件系统实现信号的解调与系统的功能拓展。

本发明利用FPGA的高速并行处理优势，实现对声发射信号的高速采集及解调处理，同时利用基于ARM处理器的嵌入式Linux系统，将信号经FPGA初步处理后的结果进行分析，并进行上位机数据传输，实现人机交互等系统应用功能。

本发明有效弥补了当前工程应用中以PC机为核心的信号解调系统在体积、环境适应性、通用化任务设计等方面的不足，可进一步提高信号解调速率，降低对上位机的资源需求，提高效费比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统结构示意图。

图2附图为本发明提供的FPGA处理器原理框图。

图3附图为本发明提供的基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调方法流程示意图。

其中，1、激光源，2、声光调制器，3、驱动源，4、第一光电耦合器，5、第二光电耦合器，6、参考光纤，7、传感光纤，8、信号发生器，9、光电探测器，10、第一混频器，11、第二混频器，12、第一低通滤波器，13、第二低通滤波器。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本实施例公开了一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统，如图1所示，包括：光纤干涉传感模块和信号解调模块，所述光纤干涉传感模块包括激光源1、声光调制器2、驱动源3、第一光电耦合器4、第二光电耦合器5、参考光纤6和传感光纤7，所述信号解调模块包括信号发生器8、光电探测器9、第一混频器10、第二混频器11、第一低通滤波器12、第二低通滤波器13、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA处理器和ARM处理器。

在光纤干涉传感模块中，由激光源1发出的激光经第一光电耦合器4分为两束相干光，分别进入参考光路和传感光路。

在参考光路中，采用海绵或泡沫袋对参考光纤6进行包裹缠绕，形成隔振环境，降低其对信号的敏感度，以减小系统误差。

在传感光路中，驱动源3输出声光调制器2的工作频率驱动声光调制器2，将传感光纤7中光的频率移至高频段，与参考光路中光的频率形成光频差，形成光频差再将声光调制器2与第二光电耦合器5之间的传感光纤7绕制成环，以增强信号检测灵敏度。

由于来自参考光纤和传感光纤的光存在固定光频差，故通过第二光电耦合器5进行干涉，最终形成拍频光强信号。

在信号解调模块中，光电探测器9将拍频光强信号转换为电信号。拍频信号实质是利用声发射信号，对频率为声光调制器2工作频率的载波信号进行相位调制后的信号。通常声光调制器2的工作频率较高(50MHz-300MHz)，导致系统对信号的采集压力过大，故需要将其降频处理后再采集。

本发明采用先混频再滤波的方法降频：本发明检测目标信号带宽范围为20KHz-500KHz，其载波频率应≥1MHz，否则会出现频谱混叠现象。考虑采样成本，降频后的载波频率可选取在1MHz-5MHz。信号发生器8输出固定频率正弦信号，作为第一混频器10、第二混频器11两个模块的本振信号源输入。信号发生器8输出信号的频率，为驱动源3输出信号的频率与所设定降频后载波信号频率的差值。光电探测器9输出的拍频调相信号作为射频信号源输入第一混频器10，第一混频器10输出的传感中频信号输入第一低通滤波器12进行滤波，输出降频后调相信号作为ZYNQ处理器系统的传感信号输入。驱动源3所输出的正弦信号一路用于驱动AOM，另一路作为第二混频器11的射频信号源输入，第二低通滤波器13将第二混频器11的参考中频输出信号进行低通滤波，输出降频后的信号作为ZYNQ处理器系统的参考信号输入。第一AD转换模块和第二AD转换模块分别将两路低通滤波器输出的传感信号和参考信号采集、转换成数字信号、传输至ZYNQ处理器中进行处理。

更具体地，本发明采用Xilinx公司的ZYNQ 7020芯片做处理器，该系统级芯片内部集成了一个Kintex7系列FPGA和两个Cortex-A9处理器，有极高的硬件逻辑可编程性和丰富的软件资源。FPGA核与ARM核之间采用内部AXI(Advanced eXtensible Interface)总线进行数据通信，可实现高速的数据交互，即FPGA和ARM集成在ZYNQ处理器上。

参考信号和传感信号送进ZYNQ处理器后，先利用FPGA高速并行计算优势，将参考信号与传感信号进行交叉相乘、反正切等运算，实现信号的实时解调；再利用ARM处理器进行基于Linux系统的功能开发，实现人机交互等功能。

由于本发明的主要解调工作在FPGA中完成，故根据其工作内容及流程，分为以下功能模块：数据采集控制模块、交叉相乘模块、反正切解调模块和信号分析模块。

FPGA解调流程如图2所示。

在数据采集控制模块中，对两路采集信号设置FIFO缓冲区，并利用FIR IP核构建希尔伯特滤波器；将输入参考信号移相90°，与输入参考信号构成一组正交信号，用于后续的解调运算。

在交叉相乘模块中，利用乘法器IP核将传感信号分别与前述正交信号相乘得到混频信号，即将传感信号和输入的参考信号相乘，将参考信号移相90°后与传感信号相乘；再利用FIR IP核设计低通滤波器，滤除前述两路混频信号中的高频无用信号。

在反正切解调模块中，将两路低通滤波器的输出信号进行相除运算，再利用ORDICIP核设计反正切运算器对前述相除结果进行反正切求解，即可得到声发射原始信号。

在信号分析模块中，将解算出的信号采用数字信号处理算法进行时域和频域的分析，以适应多种场景应用需求。

ARM芯片通过其内部高速总线接收FPGA处理结果，显示系统输出。可根据应用场景，选择液晶显示器等作为输出设备。在ARM中进行基于Linux系统的功能开发，提高了系统的功能拓展性和二次开发的可能性。

在本实施例中，提供了一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调方法，如图3所示，包括：

S1：通过光纤干涉传感模块将激光源发出的激光转换为拍频光强信号；具体为：

S2：通过信号解调模块从拍频光强信号解调出声发射原始信号；具体为：

第一低通滤波器将传感中频信号进行滤波输出传感信号；

第二低通滤波器将参考中频信号进行滤波输出参考信号；

FPGA处理器中数据采集控制模块对输入的参考信号移相90°，与输入参考信号构成一组正交信号；交叉相乘模块通过乘法器IP核将传感信号与正交信号分别相乘得到两路混频信号，并通过低通滤波器滤除两路混频信号中的高频无用信号；反正切解调模块将两路低通滤波器的输出信号进行相除运算，再通过反正切运算器对相除结果进行反正切求解，得到声发射原始信号；信号分析模块将声发射原始信号采用数字信号处理算法进行时域和频域的分析，以适应多种场景应用需求；

通过ARM处理器进行人机交互，实现结果显示。

本发明具有以下效果：

嵌入式光纤声发射信号解调系统灵敏度高、动态范围大、可实时监测。

相较于传统压电陶瓷声发射传感器，具有抗电磁干扰、传输损耗低等优点。

相较于现有光纤声发射信号解调系统，本发明系统体积小、成本低、环境适应性好，可提高运算速度，减小上位机运算资源需求，有望进一步扩展系统应用范围，促进系统的工程化和商业化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述得比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统，其特征在于，包括：光纤干涉传感模块和信号解调模块；

所述信号解调模块用于从拍频光强信号中解调出声发射原始信号；

所述光纤干涉传感模块包括激光源、声光调制器、驱动源、第一光电耦合器、第二光电耦合器、参考光纤和传感光纤；

所述第二光电耦合器用于对形成光频差后的所述参考光纤和所述传感光纤的光进行干涉，形成拍频光强信号；

所述信号解调模块包括信号发生器、光电探测器、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA处理器和ARM处理器；

所述第一AD转换模块用于将传感信号转换为数字信号；

所述第二AD转换模块用于将参考信号转换为数字信号；

所述FPGA处理器用于对转换后的参考信号和传感信号进行实时解调，还原出声发射原始信号，并通过所述ARM处理器进行人机交互，实现结果显示；

所述FPGA处理器包括数据采集控制模块、交叉相乘模块、反正切解调模块和信号分析模块；

所述交叉相乘模块通过乘法器IP核将传感信号与正交信号相乘得到两路混频信号，并通过低通滤波器滤除两路混频信号中的高频无用信号；

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统，其特征在于，所述声光调制器和所述第二光电耦合器之间的传感光纤为光纤环；所述参考光纤长度与所述传感光纤长度相同。

3.一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调方法，其特征在于，包括：

S2：通过信号解调模块从拍频光强信号中解调出声发射原始信号；

S1具体包括：

所述传感光纤上设置有声光调制器，驱动源输出的其中一路驱动信号驱动所述声光调制器，所述声光调制器将所述传感光纤中光的频率移至高频段；

所述参考光纤和所述传感光纤的光形成光频差后进入第二光电耦合器进行干涉，形成拍频光强信号；

S2具体包括：

FPGA处理器对转换后的参考信号和传感信号进行实时解调，还原出声发射原始信号，并通过ARM处理器进行人机交互，实现结果显示；

FPGA处理器对参考信号和传感信号进行实时解调，还原出声发射原始信号，具体包括：

交叉相乘模块通过乘法器IP核将传感信号与正交信号相乘得到两路混频信号，并通过低通滤波器滤除两路混频信号中的高频无用信号；

4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调方法，其特征在于：所述声光调制器和所述第二光电耦合器之间的传感光纤为光纤环；所述参考光纤长度与所述传感光纤长度相同。