CN204439099U - 自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置，包括前置放大器、主放大器、第一模数转换器、数据平均模块、参数提取模块、增益控制曲线发生器、减法器、增益可控运算放大器、第二模数转换器、扰动判别模块、偏置提取模块、比例积分控制器、第一数模转换器、第二数模转换器。前置放大器的输出接口与主放大器的输入接口连接，主放大器的输出接口同时与第一模数转换器的输入接口和减法器的同相输入端口连接，减法器的输出接口与增益可控运算放大器的信号输入接口连接。

Description

自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置

技术领域

本实用新型是一种自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置，涉及光纤测量技术领域以及信号处理领域。

背景技术

分布式光纤传感是利用光纤的一维空间连续特性进行传感的技术。光纤既作传感元件，又作传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。由于在光纤中传播的光的相位、强度、及偏振态会受到光纤周围的物理场，比如，温度、压力、振动等的影响，通过检测光的参数，可以还原出这些物理量。该技术在周界安防、航空航天、船舶工业、电力工业、石油化工业和医学等各个领域都有广泛的应用和广阔的前景。

分布式光纤传感技术需要对微弱的背向散射光信号进行接收和处理。传统的处理方法要么传感探测距离长，可达几十公里，但是空间分辨率较低；要么空间分辨率较高，可达5～10米，但传感探测范围仅1～2公里。造成这个问题的原因是因为激光在光线中传输，其强度随着距离成指数衰减，距离越长，光也越弱。而背向散射光又比正向传输的光要小得多，导致在接收端接收到的光能量很小。为了增强激光脉冲的能量，可以增加它的脉宽，但是这样就牺牲了分辨率和灵敏度。

为了解决这个问题，提高分布式光纤传感的探测距离和灵敏度，业内有的采用时间增益控制(TGC)的方法(如《CN200810024484.8宽域全光纤扰动定位信号时间增益控制装置》)，让光接收机的增益随着时间的增加而指数增大，从而实现对呈指数衰减的背向散射光的均衡放大；有的采用将信号强度跟预设阈值比较，信号过强则减小放大倍数，信号过小则增大放大倍数的自动增益控制方法(如《CN201110286454.6宽域全光纤传感系统连续波自适应大动态范围信号处理方法》)。

但是这些方法没有对光电转换器件输出信号的直流偏置进行消除。不消除直流偏置就进行时间增益控制，会使直流电压也被指数放大，导致后级运算放大器或模数转换器饱和，光传感信息被淹没。不消除直流偏置就进行自动增益控制，会导致直流偏置电压也被计入信号强度，使增益控制不正确，损失动态范围。另外，这些方法没有 考虑到系统实际工作，光纤上的背向散射光是被周围环境状况所调制的，并不是干净的指数衰减的信号，而是指数衰减信号和扰动信号的叠加。为了增益均衡，需要对指数衰减信号的数学参数进行提取。只有在没有扰动信号的前提下，数学参数的提取才是准确的。这些方法并没有考虑到扰动信号对增益均衡控制的影响。

实用新型内容

技术问题：本实用新型提供一种实现分布式光纤传感系统的增益自动均衡功能，拓展了系统的空间动态范围，保证了灵敏度在空间范围上的均匀性，同时具有高适应性和稳定性的自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置。

技术方案：本实用新型的自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置，包括前置放大器、主放大器、第一模数转换器、数据平均模块、参数提取模块、增益控制曲线发生器、减法器、增益可控运算放大器、第二模数转换器、扰动判别模块、偏置提取模块、比例积分控制器、第一数模转换器、第二数模转换器。

所述前置放大器的输出接口与主放大器的输入接口连接，主放大器的输出接口同时与第一模数转换器的输入接口和减法器的同相输入端口连接，减法器的输出接口与增益可控运算放大器的信号输入接口连接。

所述第一模数转换器的输出接口与数据平均模块的数据输入接口连接，所述数据平均模块的输出接口与参数提取模块的输入接口连接，所述参数提取模块的输出接口与增益控制曲线发生器的输入接口连接，所述增益控制曲线发生器的输出接口与第二数模转换器的输入接口连接，所述第二数模转换器的输出接口与增益可控运算放大器的增益控制接口相连，所述增益可控运算放大器的输出接口与第二模数转换器的输入接口连接。

所述第二模数转换器的输出接口同时与扰动判别模块的输入接口和偏置提取模块的数据输入接口连接，所述扰动判别模块的输出接口同时与数据平均模块的控制接口和偏置提取模块的控制接口连接，所述偏置提取模块的输出接口与比例积分控制器的输入接口相连，所述比例积分控制器的输出接口与第一数模转换器的输入接口相连，所述第一数模转换器的输出接口与减法器的反相输入端相连。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

本实用新型通过采取智能化参数识别模块，分析背向散射光信号的参数，可以识别出系统中光信号的初始功率和在传感光纤中的衰减因子，并通过控制增益控制曲线 发生器的输出，自动实时匹配增益可控运算放大器的放大倍数，实现信号增益均衡放大，消除光在光纤中传播时指数衰减对信号检测的影响，将增益随时间呈指数形式衰减的背向散射信号修正为增益均匀随时间保持不变的背向散射信号，扩展了系统的动态范围，保证了传感光纤沿线均一的灵敏度，同时，简化了后续信号处理过程。

为了消除振动信号对参数识别的影响，本实用新型提出了扰动判别模块，只对不载有振动信号的光纤背向散射信号进行平均与参数提取，准确获取相关参数，实现增益的精确均衡放大。

市售的光接收模块的输出信号都带有直流偏置电压，不同的光接收模块的直流偏置不一样，并且，其输出的直流偏置电压会受到工作环境的影响发生缓慢漂移。如果直接对叠加有直流偏置的光信号进行放大或均衡放大，会导致直流偏置电压也被放大，限制了系统的动态范围，无法实现远距离传感。另外，对于指数型增益均衡方法，由于放大倍数是随时间指数增长的，放大后的信号迅速增长，达到饱和，无法探测传感光纤后半段的传感信号。本实用新型通过偏置提取模块、比例积分控制器、减法器，可准确地检测出不同光接收模块的偏置电压，并可实时消除光接收模块的偏置电压，为实现稳定可靠的增益均衡控制奠定了基础。同时，由于偏置提取与消除的结构是个闭环，采用比例积分控制算法，可以自动补偿光接收模块的输出偏置电压的缓慢漂移，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的电路框架图；

图2为前置放大器的电路图；

图3为主放大器的电路图；

图4为减法器的电路图；

图5为增益可控运算放大器的电路图；

图6为第一数模转换器的电路图；

图7为第二数模转换器的电路图；

图8为第一模数转换器的电路图；

图9为第二模数转换器的电路图；

图10为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK0的硬件电路图；

图11为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK1的硬件电路图；

图12为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK2的硬件电路图；

图13为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK3的硬件电路图；

图14为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK4的硬件电路图；

图15为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK5的硬件电路图；

图16为现场可编程门阵列(FPGA)的电源接口硬件电路图；

图17为现场可编程门阵列(FPGA)的接地接口硬件电路图；

图18为现场可编程门阵列(FPGA)的SFP电路图；

图19为现场可编程门阵列(FPGA)的NC接口硬件电路图；

图20为本实用新型所述的自适应增益均衡型分布式光纤传感信号接受方法或装置的输入输出波形图；

图21为本实用新型所述的自适应增益均衡型分布式光纤传感信号接受方法或装置的光纤、激光器自适应功能的效果图；

图22为本实用新型所述的自适应增益均衡型分布式光纤传感信号接受方法或装置的偏置缓慢漂移的补偿效果图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型的自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置，包括前置放大器1、主放大器2、第一模数转换器3、数据平均模块4、参数提取模块5、增益控制曲线发生器6、减法器7、增益可控运算放大器8、第二模数转换器9、扰动判别模块12、偏置提取模块10、比例积分(PI)控制器11、第一数模转换器13、第二数模转换器14；

所述前置放大器1的输出接口与主放大器2的输入接口连接，主放大器2的输出接口同时与第一模数转换器3的输入接口和减法器7的同相输入端口连接，减法器7的输出接口与增益可控运算放大器8的信号输入接口连接，

所述第一模数转换器3的输出接口与数据平均模块4的数据输入接口401连接，所述数据平均模块4的输出接口与参数提取模块5的输入接口连接，所述参数提取模块5的输出接口与增益控制曲线发生器6的输入接口连接，所述增益控制曲线发生器6的输出接口与第二数模转换器14的输入接口连接，所述第二数模转换器14的输出接口与增益可控运算放大器8的增益控制接口相连，所述增益可控运算放大器8的输 出接口与第二模数转换器9的输入接口连接；

所述第二模数转换器9的输出接口同时与扰动判别模块12的输入接口和偏置提取模块10的数据输入接口连接，所述扰动判别模块12的输出接口同时与数据平均模块4的控制接口和偏置提取模块10的控制接口连接，所述偏置提取模块10的输出接口与比例积分控制器11的输入接口相连，所述比例积分控制器11的输出接口与第一数模转换器13的输入接口相连，所述第一数模转换器13的输出接口与减法器7的反相输入端相连。

本实用新型自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置的具体实施例中，前置放大器包括光电二极管、放大器A、电阻Rf，光电二极管的阳极与放大器A的输入端相连，电阻Rf的一端与放大器A的输入端相连，电阻Rf的另一端与放大器A的输出端相连；

所述主放大器包括芯片U2，电阻R1，R5，R9，R11，R12。芯片U2的型号为AD8336，R1阻值为1k欧，为电位器。R5阻值为510欧。R9阻值为510欧。R11阻值为100欧。R12阻值为910欧。芯片U2的1脚是所述主放大器1的输出端，芯片U2的2脚、3脚接地，芯片U2的4脚与R5的一端相连，芯片U2的5脚与R11和R12的一端，芯片U2的8脚与芯片U2的9脚相连，芯片U2的9脚与R12的另一端相连，芯片U2的10脚接负电源VEE＝-5V，芯片U2的11脚与R1的滑动触点相连，芯片U2的12脚接地，芯片U2的13脚接正电源VCC＝5V，R5的另一端为输入，与所述前置放大器的输出端相连，R9的一端与芯片的4脚相连，R9的另一端接地，R11的另一端接地；

所述减法器包括芯片U4，电阻R2、R3、R6、R8。芯片U4的型号为MAX4104，R2、R3、R6、R8的阻值均为4k欧。U4的2脚与R3和R2的一端相连，U4的3脚与R6的一端和R8的一端相连，U4的4脚接负电源VEE＝-5V，U4的6脚是所述减法器的输出端，U4的6脚与R2的另一端相连，U4的7脚接正电源VCC＝5V，R8的另一端接地，R3的另一端为所述减法器的反相输入端，R6的另一端为减法器的同相输入端，与所述主放大器的输出端相连；

所述增益可控运算放大器包括芯片U3，电阻R4、R7、R10、R13。芯片U3的型号为AD8336，R4、R5的阻值为510欧，R10的阻值为100欧，R13的阻值为910欧。U3的1脚为所述增益可控运算放大器的输出端，U3的2脚、3脚接地，U3的4脚与 R4和R7的一端相连，U3的5脚与R10和R13的一端相连，U3的8脚与U3的9脚相连，并与R13的另一端相连，U3的10脚接负电源VEE＝-5V，U3的11脚为所述增益可控运算放大器的增益控制端，U3的12脚接地，U3的13脚接正电源VCC＝5V，R4的另一端为所述增益可控运算放大器的输入端，R7的另一端接地，R10的另一端接地；

所述的第一模数转换器包括芯片U10、芯片U9、电阻R14、R15、R16、R19、R20，所述芯片U10的型号为AD8138，所述芯片U9的型号为AD9236，所述电阻R14、R15、R16、R19的阻值均为499欧，所述电阻R20的阻值为5k欧，所述电阻R14的一端是所述第一模数转换器的输入端，所述电阻R14的另一端与所述芯片U10的8脚相连，所述电阻R15的一端与U10的8脚相连，R15的另一端与U10的5脚相连，R19的一端与U10的1脚相连、R19的另一端与U10的4脚相连，R16的一端与U10的1脚相连，R16的另一端接地，U10的2脚接1.5V电压，3脚接5V电压，6脚接-5V电压，5脚与U9的9脚相连，4脚与U9的10脚相连，R20的一端与U9的14脚相连，R20的另一端接地，U9的2脚接1.5V电压，U9的3、8、11、23号管脚接地，U9的7、12号管脚接3V电压，U9的24脚接3.3V电压，芯片U9的1、15、16、17、18、19、20、21、22、25、26、27和28号管脚作为所述的第一模数转换器的输出接口，芯片U9的13脚为所述第一模数转换器的时钟输入端口；

所述的第二模数转换器包括芯片U12、芯片U11、电阻R21、R22、R23、R26、R27，所述芯片U12的型号为AD8138，所述芯片U11的型号为AD9236，所述电阻R21、R22、R23、R26的阻值均为499欧，所述电阻R27的阻值为5k欧，所述电阻R21的一端是所述第二模数转换器的输入端，所述电阻R21的另一端与所述芯片U12的8脚相连，所述电阻R22的一端与U12的8脚相连，R22的另一端与U12的5脚相连，R26的一端与U12的1脚相连、R26的另一端与U12的4脚相连，R23的一端与U12的1脚相连，R23的另一端接地，U12的2脚接1.5V电压，3脚接5V电压，6脚接-5V电压，5脚与U11的9脚相连，4脚与U11的10脚相连，R27的一端与U11的14脚相连，R27的另一端接地，U11的2脚接1.5V电压，U11的3、8、11、23号管脚接地，U11的7、12号管脚接3V电压，U11的24脚接3.3V电压，芯片U11的1、15、16、17、18、19、20、21、22、25、26、27和28号管脚作为所述的第二模数转换器的输出接口，芯片U11的13脚为所述第二模数转换器的时钟输入端口；

所述第一数模转换器包括芯片U6、芯片U5、电容DA1、电容C_LF1、电阻R_LF1、电阻DA2、DA3、DA4，U6的型号为AD5445，U5的型号为ADA4896-2，电容DA1的大小为2pF，电容C_LF1的大小为2pF，电阻R_LF1的大小为50欧，电阻DA2、DA4的大小均为20k欧，电阻DA3的大小为10k欧，芯片U6的1脚与电容DA1的一端相连，芯片U6的20脚与电容DA1的另一端相连，芯片U6的1脚与芯片U5的2脚相连，芯片U6的20脚与芯片U5的1脚相连，芯片U6的2、3、16号管脚接地，芯片U6的19脚接2.048V电压，芯片的18脚接3.3V电压，芯片U6的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、17号管脚为所述第一数模转换器的输入端口，芯片U5的3、5号管脚接地，芯片U5的4脚接-5V电压，芯片的8脚接+5V电压，芯片的7脚与电阻DA2和电阻R_LF1的一端相连，芯片U5的6脚与电阻DA3和DA4的一端，以及电阻DA2的另一端相连，电阻DA4的另一端接2.048V电压，电阻DA3的另一端与芯片U6的20脚相连，电阻R_LF1的另一端与电容C_LF1的一端相连，电容C_LF1的另一端接地，电容C_LF1的一端为所述第一数模转换器的输出端口；

所述第二数模转换器包括芯片U8、芯片U7、电容DA5、电容C_LF2、电阻R_LF2、电阻DA6、DA7、DA8，U8的型号为AD5445，U7的型号为ADA4896-2，电容DA5的大小为2pF，电容C_LF2的大小为2pF，电阻R_LF2的大小为50欧，电阻DA6、DA8的大小均为20k欧，电阻DA7的大小为10k欧，芯片U8的1脚与电容DA5的一端相连，芯片U8的20脚与电容DA5的另一端相连，芯片U8的1脚与芯片U7的2脚相连，芯片U8的20脚与芯片U7的1脚相连，芯片U8的2、3、16号管脚接地，芯片U8的19脚接2.048V电压，芯片的18脚接3.3V电压，芯片U8的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、17号管脚为所述第二数模转换器的输入端口，芯片U7的3、5号管脚接地，芯片U7的4脚接-5V电压，芯片的8脚接+5V电压，芯片的7脚与电阻DA6和电阻R_LF2的一端相连，芯片U7的6脚与电阻DA7和DA8的一端，以及电阻DA6的另一端相连，电阻DA8的另一端接2.048V电压，电阻DA7的另一端与芯片U8的20脚相连，电阻R_LF2的另一端与电容C_LF2的一端相连，电容C_LF2的另一端接地，电容C_LF2的一端为所述第二数模转换器的输出端口；

所述数据平均模块、参数提取模块、增益控制曲线发生器、扰动判别模块、偏置提取模块、比例积分控制器(PI控制器)均在现场可编程门阵列(FPGA)芯片U17中实现，芯片U17的型号为XC6SLX100T-2FGG900，芯片U17的管脚W29接外部100M时钟信号CLK，芯片U17的A7、B7、D7、B6、C6、D6、A5、B5、A4、C4、 A3、B3、A2、B1号管脚分别与所述第一模数转换器中的芯片U9的1、28、27、26、25、22、21、20、19、18、17、16、15、13号管脚相连，芯片U17的H1、H2、J1、K1、K2、L1、L3、M1、M2、N1、P1、P2、R1、T1号管脚分别与所述第二模数转换器中的芯片U11的1、28、27、26、25、22、21、20、19、18、17、16、15、13号管脚相连，芯片U17的G1、G3、G4、F1、F2、F4、E1、B2、C4、D3、D2、D1、E3号管脚分别与所述第一数模转换器中的芯片U6的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、17号管脚相连，芯片U17的AB1、AB2、AC1、AD1、AD2、AE1、AF1、Y3、Y2、Y1、W1、V2、U1号管脚分别与所述第二数模转换器中的芯片U8的4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、17号管脚相连。

上述实施例仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本实用新型权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.一种自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置，其特征在于，该装置包括前置放大器（1）、主放大器（2）、第一模数转换器（3）、数据平均模块（4）、参数提取模块（5）、增益控制曲线发生器（6）、减法器（7）、增益可控运算放大器（8）、第二模数转换器（9）、扰动判别模块（12）、偏置提取模块（10）、比例积分控制器（11）、第一数模转换器（13）、第二数模转换器（14）；

所述前置放大器（1）的输出接口与主放大器（2）的输入接口连接，主放大器（2）的输出接口同时与第一模数转换器（3）的输入接口和减法器（7）的同相输入端口连接，减法器（7）的输出接口与增益可控运算放大器（8）的信号输入接口连接，

所述第一模数转换器（3）的输出接口与数据平均模块（4）的数据输入接口（401）连接，所述数据平均模块（4）的输出接口与参数提取模块（5）的输入接口连接，所述参数提取模块（5）的输出接口与增益控制曲线发生器（6）的输入接口连接，所述增益控制曲线发生器（6）的输出接口与第二数模转换器（14）的输入接口连接，所述第二数模转换器（14）的输出接口与增益可控运算放大器（8）的增益控制接口相连，所述增益可控运算放大器（8）的输出接口与第二模数转换器（9）的输入接口连接；

所述第二模数转换器（9）的输出接口同时与扰动判别模块（12）的输入接口和偏置提取模块（10）的数据输入接口连接，所述扰动判别模块（12）的输出接口同时与数据平均模块（4）的控制接口和偏置提取模块（10）的控制接口连接，所述偏置提取模块（10）的输出接口与比例积分控制器（11）的输入接口相连，所述比例积分控制器（11）的输出接口与第一数模转换器（13）的输入接口相连，所述第一数模转换器（13）的输出接口与减法器（7）的反相输入端相连。