基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统的制作方法

1.本实用新型涉及振动光纤领域，特别涉及基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统。


背景技术：

2.现有振动光纤系统，一般由x86工控机、fpga采集卡和光学系统架构构成，其中光学系统架构用于产生并调制激光并产生相应的模拟电信号，而fpga采集卡则用于对模拟电信号进行处理，最后由x86工控机对经过fpga采集卡处理后的模拟电信号进行诊断，从而产生最终的结果，但是该种方案存在以下不足：
3.一方面，使用x86工控机处理器进行信号处理，入侵报警时间超过1s，同时数据吞吐量低，导致光纤扫描频率低，漏报的概率增大。报警时间慢，效率相对低下；x86工控机体积大，封闭性差，不方便安装于室外恶劣环境；x86工控机功耗高，需要主动散热，不方便蓄电池、太阳能供电等；
4.另一方面，由于采集和光学部分无法独立工作，需要配合工控机才能工作，进而导致集成化低，各部分相对独立，光学波形相对单一，难以实现闭环控制系统产生复杂波形，不支持实时纠正光学各个中间过程的偏差，系统整体稳定、可靠性差；
5.最后，由于集成度较低，导致控制反馈时间相对较长，难以实现双路同步采集比对，且采用采集卡方式，大量原始数据的上传带宽受限；另外由于x86 工控机一般不支持报警主机基本功能，其他报警器还需要再搭配一套报警主机才能使用。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统，具体的技术方案如下：
7.提供一种基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统，包括：采集与处理器、激光产生器、光电探测器；
8.所述激光产生器具体包括激光器与调制器；
9.所述激光器用于发射激光；
10.所述调制器将所述激光调制为光信号；
11.所述光电探测器将所述光信号转换为模拟电信号；
12.所述采集与处理器接收并分析所述模拟电信号，产生检测结果；
13.所述采集与处理器包括：
14.信号调理与采集电路，用于接受所述模拟电信号并将所述模拟电信号进行信号调理，然后将所述模拟电信号转换为数字信号；
15.处理器，用于接收并处理所述数字信号并产生检测结果；所述处理器基于 arm架构。
16.在本技术方案中，相对于传统的技术方案而言，由于使用采集与处理器替代了原
有的x86工控机和fpga采集卡，一方面从振动光纤本身的数据采集到信号输出的时间大大缩短，经过实验，可缩短到1s以内，精度1米，误报率小于 1％，漏报率0％，另一方面，由于使用的是采集与处理器，所需要的功耗也较低，不需要进行使用风扇等进行主动散热，同时由于功耗较低还可以通过蓄电池或者太阳能进行供电，不需要单独接入电网。
17.优选地，所述采集与处理器还包括：
18.输入输出接口，用于输出所述检测结果至外部设备并接受外部设备对于所述采集与处理器的设置。
19.进一步优选地，所述信号调理与采集电路包括：信号调理电路和信号采集电路；
20.所述信号调理电路具体包括：高阻抗运算放大器、高速差分运算放大器、滤波器、模数转换器、自适应增益均衡调节器；
21.所述高阻抗运算放大器和所述高速差分运算放大器共同构成放大电路，用于对所述模拟电信号进行放大处理；
22.滤波器，用于对所述模拟电信号进行滤波处理；
23.模数转换器，用于将所述模拟电信号转换为数字信号；
24.所述自适应增益均衡调节器，用于对所述模拟电信号进行自适应调节；
25.所述信号采集电路，用于为处理器提供信号接收与控制接口。
26.进一步优选地，所述处理器包括报警和控制模块，用于为所述信号调理与采集电路提供统一输入数据接口以接收所述数字信号并对所述数字信号进行分析处理，并产生信号分析处理结果，并根据所述信号分析处理结果输出诊断结果，同时用于接收外部控制信息并根据所述外部控制信息控制外部设备的运行；
27.所述报警和控制模块包括：
28.光纤长度计算子模块，用于根据所述数字信号计算光纤长度；
29.信号处理子模块，用于根据所述光纤长度的变化和所述数字信号产生所述信号分析处理结果；
30.所述信号处理子模块具体包括：
31.信号补偿单元，用于根据预设的分辨率、损耗补偿系数获取补偿系数，并根据所述补偿系数对所述数字信号进行幅值补偿；
32.信号解调单元，用于对所述数字信号进行下变频处理，获取振动基波；
33.数据组帧单元，用于根据所述数字信号输出监测数据矩阵；
34.全频谱分析单元，用于对输入的监测数据矩阵进行频谱计算分析，获取频谱数据；
35.特征计算单元，用于根据所述振动基波和所述频谱数据进行特征模式匹配，获取振动特征数据；
36.数据诊断单元，用于根据所述振动特征数据产生诊断结果。
37.进一步优选地，所述报警和控制模块，还用于根据所述诊断结果进行入侵报警。
38.进一步优选地，所述信号采集电路具体包括：数据接口子模块，用于为所述信号调理与采集电路提供统一输入数据接口以接收所述数字信号；第一数据缓存模块，用于缓存所述数字信号。
39.进一步优选地，第二数据缓存单元，用于缓存所述报警和控制模块所产生的包括原始数据、全频谱数据以及振动特征数据。
40.进一步优选地，所述报警和控制模块运行有linux操作系统。
41.进一步优选地，所述报警和控制模块仅开放私有通信端口；
42.所述报警和控制模块使用私有协议和私有加密方法；
43.所述报警和控制模块与外部远程控制中心之间采用加密通道进行信息传输。
44.进一步优选地，所述激光产生器还包括：
45.放大器，所述放大器设置在所述调制器输出口，所述放大器对所述光信号进行放大处理；
46.或/和：
47.所述激光产生器还包括：散射光放大器、波分复用器、分光器；
48.所述分光器将经过调制的所述激光分为两道，其中一道激光传输给散射光放大器，另一道激光传输给所述光电探测器；
49.所述散射光放大器对所述激光进行放大处理后，传输给所述波分复用器；
50.所述波分复用器将所述激光合成后传输给外部传感光纤。
51.本实用新型至少包括以下一项技术效果：
52.(1)使用采集与处理器替代了原有的x86工控机和fpga采集卡，一方面从振动光纤本身的数据采集到报警输出的时间大大缩短，经过实验，可缩短到到1s以内，精度1米，误报率小于1％，漏报率0％；
53.(2)使用的是采集与处理器，所需要的功耗也较低，不需要进行使用风扇等进行主动散热，同时由于功耗较低还可以通过蓄电池或者太阳能进行供电，不需要单独接入电网；
54.(3)设置运行在arm上的的linux系统由于其支持硬件、软件、通道多重加密，并且仅开放私有通信端口；同时使用私有协议和私有加密方法，并且同时可支持传输通道加密，可以安全的远程化控制和管理。
附图说明
55.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
56.图1为本实用新型实施例1的结构示意图；
57.图2为本实用新型采集与处理器的结构示意图；
58.图3为本实用新型信号调理与采集电路结构示意图；
59.图4为本实用新型处理器结构示意图；
60.图5为本实用新型实施例6的整体结构示意图；
61.图6为本实用新型实施例6的采集部分结构示意图。
具体实施方式
62.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本技术。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电
路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
63.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
64.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
65.还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和 /或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
66.另外，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
67.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
68.实施例1：
69.本实施例提供一种基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统，包括：采集与处理器、激光产生器、光电探测器；
70.所述激光产生器具体包括激光器与调制器；
71.所述激光器用于发射激光；
72.所述调制器将所述激光调制为光信号；
73.所述光电探测器将所述光信号转换为模拟电信号；
74.所述采集与处理器接收并分析所述模拟电信号，产生检测结果；所述采集与处理器包括：
75.信号调理与采集电路，用于接受所述模拟电信号并将所述模拟电信号进行信号调理，然后将所述模拟电信号转换为数字信号；
76.处理器，用于接收并处理所述数字信号并产生检测结果；所述处理器基于 arm架构。
77.优选地，所述采集与处理器还包括：输入输出接口，用于输出所述检测结果至外部设备并接受外部设备对于所述采集与处理器的设置。
78.在传统技术中，一般采用x86工控机、fpga采集卡和光学系统架构来构建振动光纤传感器，而在实际的运行过程中，由于一方面其必须要依赖于x86工控机来实现，进而导致从感应到报警的时间要超过1s；同时，由于其必须要使用安装在室外的x86工控机，而x86工控机一方面体积大，另一方面由于其功耗高，一般都必须接入电网中，使用蓄电池、太阳能电池进行供电不便。同时，用于采集与信号处理的的fpga采集卡与用于最后进行数据的定性的x86工控机并不基于同一设备进行，集成化较差，用于采集的fpga采集卡与光学系统必须依赖于x86才能正常运行；另一方面，由于主要的三部分之间相对独立，难以对系统进行闭环的控制，进而导致在运行过程中容易出现耦合误差，系统的整体稳定性和可靠性较差。
79.而在本实施例中，将由原有的x86工控机所负担信号分析的功能转移到 arm处理器上进行集中处理。具体而言，当激光器发出激光之后，激光进入到调制器中，然后经过调制器调制，将不具有信号意义的激光转换为具有解读意义的光学信号，然后进过调制处理的激光经过光电探测器转换之后，由光学信号转换为采集与处理器可以识别的模拟电信号，经过采集与处理器识别之后，从而产生相应的检测结果，最后将检测结果进行分析，从而生成最终的分析结果。
80.相对于传统的技术方案而言，由于使用采集与处理器替代了原有的x86工控机和fpga采集卡，采集与处理器核心是采用基于arm作为处理器，使集成度更好交互更加灵活，一方面从振动光纤本身的数据采集到采集与处理器输出信号的时间大大缩短，经过实验，可缩短到1s以内，精度1米，误报率小于1％，漏报率0％，另一方面，由于使用的是采集与处理器，所需要的功耗也较低，不需要进行使用风扇等进行主动散热，同时由于功耗较低还可以通过蓄电池或者太阳能进行供电，不需要单独接入电网。
81.实施例2：
82.如图1、2、3所示，本实施例基于实施例1，提供一种基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统；所述信号调理电路具体包括：高阻抗运算放大器、高速差分运算放大器、滤波器、模数转换器、自适应增益均衡调节器；
83.所述高阻抗运算放大器和所述高速差分运算放大器共同构成放大电路，用于对所述模拟电信号进行放大处理；
84.滤波器，用于对所述模拟电信号进行滤波处理；
85.模数转换器，用于将所述模拟电信号转换为数字信号；
86.所述自适应增益均衡调节器，用于对所述模拟电信号进行自适应调节；
87.所述信号采集电路，用于为处理器提供信号接收与控制接口。
88.在本实施例中，经过光电探测器转化的模拟电信号输入到高阻抗运算放大器中，经过高阻抗运算放大器和高速差分运算放大器构成的二级放大器放大之后，进入到滤波器中，由滤波器对杂波进行处理，从而获得到相对纯净的波形，然后进入到处理器之后，由处理器进行处理之后得到相应的检测结果，最后通过输入输出接口输出出去。
89.本实施例通过使用高阻抗运放作为第一级放大器接入，对原始信号进行阻抗匹配和第一级放大，使用高速差分运算放大器作为第二级放大器，进行模拟信号进行第二级放大处理，同时利用硬件滤波获取有效频段内的振动信号，消除干扰。
90.优选地，输入输出接口至少包括4个usb3.0接口、1个dp接口、双路千兆网口、4个报警输入接口和2个报警输入输出接口，用于一方面将经过处理器处理产生的被测信号进行输出，另一方面用于将用户的设置发送给采集与处理器的其他部件，进行处理。
91.具体而言，usb，用于数据导入导出，鼠标键盘等控制器接口；dp接口， displayport接口，用于人机交互界面显示；网口，用于远程信息交互，其主要作用为：数据上传至其他平台；远程人机交互，通过远程web访问进行人机交互和数据查看；报警输入和输入输出接口：干接点接口，用于报警功能。
92.进一步优选地，所述信号调理与采集电路连接所述输入输出接口；所述信号调理与采集电路根据由所述输入输出接口输入的指令调节采样频率。
93.在本实施例中，自适应增益均衡调节模块在输入接口的控制之下对高速差分运算
放大器进行自适应增益均衡调节。具体而言，通过振幅检波器、直流放大器和比较器共同构成反馈控制器，输出反馈控制电压，对高速差分运算放大器进行自适应增益均衡调节。
94.同时在具体的采样过程中，通过处理器通过软件对信号调理与采集电路的采样速率进行调节。
95.实施例3：
96.如图1
‑
4所示，本实施例基于实施例2，提供一种基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统，所述处理器包括报警和控制模块，用于为所述信号调理与采集电路提供统一输入数据接口以接收所述数字信号并对所述数字信号进行分析处理，并产生信号分析处理结果，并根据所述信号分析处理结果输出诊断结果，同时用于接收外部控制信息并根据所述外部控制信息控制外部设备的运行；
97.所述报警和控制模块包括：
98.光纤长度计算子模块，用于根据所述数字信号计算光纤长度；
99.信号处理子模块，用于根据所述光纤长度的变化和所述数字信号产生所述信号分析处理结果；
100.所述信号处理子模块具体包括：
101.信号补偿单元，用于根据预设的分辨率、损耗补偿系数获取补偿系数，并根据所述补偿系数对所述数字信号进行幅值补偿；
102.信号解调单元，用于对所述数字信号进行下变频处理，获取振动基波；
103.数据组帧单元，用于根据所述数字信号输出监测数据矩阵；
104.全频谱分析单元，用于对输入的监测数据矩阵进行频谱计算分析，获取频谱数据；
105.特征计算单元，用于根据所述振动基波和所述频谱数据进行特征模式匹配，获取振动特征数据；
106.数据诊断单元，用于根据所述振动特征数据产生诊断结果。
107.所述报警和控制模块，还用于根据所述诊断结果进行入侵报警，具体应用在报警安防上，用于提供报警信息。
108.所述信号采集电路具体包括：数据接口子模块，用于为所述信号调理与采集电路提供统一输入数据接口以接收所述数字信号；第一数据缓存模块，用于缓存所述数字信号；
109.所述报警和控制模块还包括：第二数据缓存单元，用于缓存所述报警和控制模块所产生的包括原始数据、全频谱数据以及振动特征数据。
110.在本实施例中，数据接口子模块接受经过信号调理电路转换的数字信号，然后存储到第一数据缓存模块，处理器则从第一数据缓存模块中读取相关的数据进行处理，首先，先计算光纤长度，然后根据光纤长度计算子模块会计算各种参数，例如采样率、补偿系数等，进行参数配置，配置各种参数后，然后根据该数字信号计算光纤的长度，然后根据在运行过程中的光纤长度的变化与基准光纤进行比较，从而得到相应的相应的信号分析与处理结果。
111.具体而言，其首先根据预设的分辨率、损耗补偿系数获取补偿系数，并根据所述补偿系数对所述数字信号进行幅值补偿，然后使用信号调节单元对数字信号进行下变频处理，从而得到相应的振动基波，也就是所需要的原始数据，然后根据数据组帧单元对数字信号进行组帧，输出基于点位
‑
时间
‑
信号幅值的监测数据矩阵，然后对该监测数据矩阵进行
频谱计算和分析，将复杂的信号分解为许多较为简单的信号，然后再将频谱数据与振动基波通过模式识别放大的方法进行特征模式匹配，从而提取出其中的振动特征数据。
112.同时，具体而言，第一数据缓存单元和处理器之间的数据交互rocketio 和gpmc实现，处理器对于信号采集电路的控制则通过命令行的方式进行控制。
113.另一方面，报警和控制模块，用于根据所述信号分析处理结果输出诊断结果；所述报警和控制模块具体包括：数据诊断单元，用于根据所述振动特征数据产生诊断结果。
114.报警和控制模块当完成振动特征数据的产生之后，由数据诊断单元根据振动特征数据进行处理，进而得到相应的诊断数据，对传感器获得的传感结果进行判断。
115.实施例4：
116.本实施例基于实施例3，提供一种基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统，所述报警和控制模块运行有linux操作系统。所述报警和控制模块仅开放私有通信端口；所述报警和控制模块使用私有协议和私有加密方法；所述报警和控制模块与外部远程控制中心之间采用加密通道进行信息传输。
117.在本实施例中，在arm上运行的linux系统由于其支持硬件、软件、通道多重加密，并且仅开放私有通信端口；同时使用私有协议和私有加密方法，并且同时可支持传输通道加密，可以安全的远程化控制和管理；当然，在实际的使用过程中加密算法也可以使用国密或者是标准的通讯协议。
118.实施例5：
119.本实施例基于实施例4，提供一种基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统，所述激光产生器还包括：
120.放大器，所述放大器设置在所述调制器输出口，所述放大器对所述光信号进行放大处理；
121.所述激光产生器还包括：散射光放大器、波分复用器、分光器；
122.所述分光器将经过调制的所述激光分为两道，其中一道激光传输给散射光放大器，另一道激光传输给所述光电探测器；
123.所述散射光放大器对所述激光进行放大处理后，传输给所述波分复用器；
124.所述波分复用器将所述激光合成后传输给外部传感光纤。
125.在本实施例中，通过分光器将原有的激光分为两份，一份进行模电转换，另一份则作为参考臂存在，同时在调制器的输出口设置有放大器，一方面等于提高了放大器的输出功率，另一方面等于提高了接收器的灵敏度。
126.实施例6：
127.如图5
‑
6所示，本实施例提供基于嵌入式架构的光纤振动信号传感系统，包括激光器、调制器、放大器、散射光放大器、波分复用器、传感光缆、光电探测器、采集部分；
128.所述采集部分包括高阻抗运放、高速差分运放、滤波器、高速adc芯片、异构处理器、采样速率调节器、自适应增益均衡调节器、usb3.0接口4个、dp 接口一个、千兆网口两个、报警输入接口4个、报警输出接口2个；
129.所述异构处理器基于arm，具体包括adc接口驱动、光纤长度计算、信号补偿、信号下变频、数据组帧、数据缓存、全频谱分析、特征统计、系统控制、数据缓存、数据诊断、入侵预警、人机交互。
130.在具体使用时，采集电路和arm之间通过rocketio或者gpmc进行数据交互，系统控制通过命令方式与采集控制进行交互，来控制采集的过程。同时通过脉冲输出控制激光器输出探测信号。
131.通过上述实施例，本实用新型的技术效果：
132.(1)使用采集与处理器替代了原有的x86工控机和fpga采集卡，一方面从振动光纤本身的数据采集到报警输出的时间大大缩短，经过实验，可缩短到1s以内，误报率小于1％，漏报率0％；
133.(2)使用的是arm，所需要的功耗较低，不需要使用风扇等进行主动散热，同时由于功耗较低可以通过蓄电池或者太阳能进行供电，不需要单独接入电网；
134.(3)设置运行在arm上的的linux系统由于其支持硬件、软件、通道多重加密，并且仅开放私有通信端口；同时使用私有协议和私有加密方法，并且同时可支持传输通道加密，可以安全的远程化控制和管理。
135.尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。
136.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。