一种基于FPGA的光纤振动解调装置和方法与流程

一种基于fpga的光纤振动解调装置和方法
技术领域
1.本发明涉及光纤振动检测传感技术领域，具体涉及一种基于fpga的光纤振动解调方法和装置。


背景技术：

2.光纤传感由于具有灵敏度高、监测距离长、环境耐受性好等优势，在振动监测传感领域具有广泛应用。光纤传感网络探测距离长、空间分辨率高，需要存储和处理的数据量非常大，现在传统顺序处理的方法是通过数据采集单元采集数据，将采集的数据存储再传输给数据处理单元进行解调处理，但这样采集数据的存储以及数据采集单元与数据处理单元之间的数据传输成为进一步提高光纤传感距离、传感密度以及解调速度的瓶颈。
3.fpga拥有并行处理的优势,其巨大的逻辑资源可以实现解调算法的并行处理和流水处理，因此，需要提供一种结合fpga的光纤振动解调装置，以实现光纤高速、长距离和多通道的解调，提高光纤解调的效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种基于fpga的光纤振动解调装置和方法，用以实现光纤高速、长距离和多通道的并行流水解调的目的。
5.为达到上述技术目的，第一方面，本发明提供了一种基于fpga的光纤振动解调装置，包括fpga并行处理器，所述fpga并行处理器提供多个光纤通道，所述每个光纤通道均包括脉冲编码模块、adc采样模块、相位解调模块和相位合并模块；
6.所述fpga并行处理器用于控制多个光纤通道内的脉冲编码模块、adc采样模块、相位解调模块和相位合并模块同时分别进行脉冲编码、采样、相位解调和相位合并处理；
7.所述fpga并行处理器还用于控制每单个光纤通道内的脉冲编码模块、adc采样模块、相位解调模块和相位合并模块同时分别进行脉冲编码、采样、相位解调和相位合并处理。
8.在一些实施例中，所述脉冲编码模块用于生成脉冲编码，并对光源进行调制，生成编码脉冲光；
9.所述adc采样模块用于基于所述电脉冲信号的触发，采集光纤不同空间位置的散射信号；
10.所述相位解调模块用于对所述散射信号进行解调，以获得散射光相位信息；
11.所述相位合并模块用于对散射光相位信息进行按列合并，获得合并散射光相位信息。
12.在一些实施例中，所述脉冲编码模块生成编码脉冲，所述编码脉冲包括多个单脉冲。
13.在一些实施例中，所述相邻两个单脉冲信号的时间间隔满足以下关系：
其中，m为脉冲个数，t
x
(x为大于0小于m的整数)为相邻单脉冲的时间间隔，fs为adc采样率。
14.在一些实施例中，所述adc采样模块通过单脉冲触发采集多组数据，其中，所述数据的组数与空间位置的光纤散射信号数目一一对应。
15.在一些实施例中，通过adc采集的所述脉冲信号每个通道均包括x、y和z三路通道信息，其中，所述三路通道信息分别通过以下公式表达：
[0016][0017][0018][0019]
其中，x(i)表示x通道的信息，y(i)表示y通道的信息，z(i)表示z通道的信息，a为幅值，为相位。
[0020]
第二方面，本发明还提供了一种基于fpga的光纤振动解调方法，应用于上述所述的基于fpga的光纤振动解调装置，所述方法包括：
[0021]
基于所述fpga并行处理器，同时对每个光纤通道内的入射光进行脉冲编码、adc信号采集、相位解调和相位合并处理，并且对同一个光纤通道中每个周期内的入射光同时进行脉冲编码、adc信号采集、相位解调和相位合并处理。
[0022]
在一些实施例中，所述同时对每个光纤通道内的入射光进行脉冲编码、adc信号采集、相位解调和相位合并处理，包括：
[0023]
同时对每个通道内的入射光进行脉冲编码，得到单脉冲调制光，基于单脉冲调制光，采集光纤不同空间位置的散射信号，对各个通道中每个周期内的第一个脉冲进行相位解调，获得第一散射光相位信息，并将所述第一散射光相位信息记录至fpga并行处理器中；
[0024]
对各个通道中每个周期内的第二个脉冲至最后一个脉冲进行相位解调，获得对应的多个第二散射光相位信息；
[0025]
调取所述fpga并行处理器中的所述第一散射光相位信息，并将所述第一散射光相位信息与所述多个第二散射光相位信息进行相加，获得累加相位信息；
[0026]
对所述累加相位信息进行后处理，获得后处理相位信息，并将所述后处理相位信息记录至所述fpga并行处理器中，并基于所述fpga并行处理器对每个通道光纤的散射信号进行并行处理。
[0027]
在一些实施例中，所述调取所述fpga并行处理器中的所述第一散射光相位信息，并将所述第一散射光相位信息与所述多个第二散射光相位信息进行相加，获得累加相位信息，包括：
[0028]
调取所述第一散射光相位信息，将第二个脉冲对应的第二散射光相位信息与所述第一散射光相位信息相加，获得第二累加相位信息，并将所述第二累加相位信息记录至所述fpga并行处理器中；
[0029]
调取所述fpga并行处理器中的第二累加相位信息，将第三个脉冲对应的所述第二散射光相位信息与所述第二累加相位信息相加，获得第三累加相位信息，并将所述第三累加相位信息记录至所述fpga并行处理器中；
[0030]
调取所述所述fpga并行处理器中的第三累加相位信息，将所述第三累加相位信息与其它所述第二散射光相位信息相加，获得累加相位信息。
[0031]
在一些实施例中，所述散射光相位信息可通过如下公式表达：
[0032][0033]
其中，x(i)表示x通道的信息，y(i)表示y通道的信息，z(i)表示z通道的信息，为相位信息。
[0034]
与现有技术相比，本发明提供的基于fpga的光纤振动解调装置和方法，包括：fpga并行处理器，所述fpga并行处理器提供多个光纤通道，所述每个光纤通道均包括脉冲编码模块、adc采样模块、相位解调模块和相位合并模块；所述fpga并行处理器用于控制多个光纤通道内的脉冲编码模块、adc采样模块、相位解调模块和相位合并模块同时分别进行脉冲编码、采样、相位解调和相位合并处理；所述fpga并行处理器还用于控制每单个光纤通道内的脉冲编码模块、adc采样模块、相位解调模块和相位合并模块同时分别进行脉冲编码、采样、相位解调和相位合并处理。本发明所提供的装置基于fpga并行处理器，不仅减轻了fpga存储传输负担，可支持更多通道、更长距离的光纤振动相位解调，同时实现了光纤振动多通道的并行处理和单通道内光纤的流水处理，提高了光纤解调的效率。
附图说明
[0035]
图1是本发明提供的基于fpga的光纤振动解调装置一实施例的结构示意图；
[0036]
图2是本发明提供的基于fpga的光纤振动解调方法的一实施例的流程图；
[0037]
图3是本发明提供的基于fpga的光纤振动解调方法中，fpga并行处理一实施例的时序图；
[0038]
图4是本发明提供的基于fpga的光纤振动解调方法中，步骤s203一实施的流程图；
[0039]
图5是本发明提供的基于fpga的光纤振动解调方法中，fpga并行流水处理时序图；
[0040]
图6是本发明提供的基于fpga的光纤振动解调方法中，fpga数据存储传输一实施例的示意图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042]
本发明所涉及的基于fpga的光纤振动解调装置，本发明提供了一种基于fpga的光纤振动解调装置，请参阅图1，包括：fpga并行处理器2，所述fpga并行处理器2包括脉冲编码模块21、adc采样模块22、相位解调模块23和相位合并模块24；
[0043]
所述fpga并行处理器2用于控制多个光纤通道内的脉冲编码模块21、adc采样模块22、相位解调模块23和相位合并模块24同时分别进行脉冲编码、采样、相位解调和相位合并处理；
[0044]
所述fpga并行处理器2还用于控制每单个光纤通道内的脉冲编码模块21、adc采样模块22、相位解调模块23和相位合并模块24同时分别进行脉冲编码、采样、相位解调和相位
合并处理。
[0045]
在本实施例中，基于fpga并行处理器，对多个光纤通道中的光纤同时进行脉冲编码、采样、相位解调和相位合并处理，实现了光纤的并行处理，并且能够对单个光纤通道中各个周期的光纤同时进行脉冲编码、采样、相位解调和相位合并处理，实现了光纤的流水处理，进一步的，基于fpga并行处理器，减少了数据的存储量和传输量，实现了光纤高速、长距离的解调。
[0046]
在一些实施例中，所述脉冲编码模块用于生成脉冲编码，并对光源1进行调制，生成编码脉冲光；
[0047]
所述adc采样模块22用于基于所述电脉冲信号的触发，采集光纤不同空间位置的散射信号；
[0048]
所述相位解调模块23用于对所述散射信号进行解调，以获得散射光相位信息；
[0049]
所述相位合并模块24用于对散射光相位信息进行按列合并，获得合并散射光相位信息；
[0050]
所述fpga并行处理器2用于对多个通道数据同时进行脉冲编码、采样、相位解调和相位合并处理，并用于存储所述散射光相位信息以及所述合并散射光相位信息。
[0051]
在本发明实施例中，基于fpga并行处理器，首先通过脉冲编码模块21对光源1的光进行调制，随后利用adc采样模块22对调制后的光信号进行采样，获得不同空间位置的散射信号，进一步的，采用相位解调模块23对获得的散射信号进行解调，以获得散射光相位信息，并将获得的每个周期内的第一个散射光相位信息存储至fpga的存储器中，随后采用相加合并模块24对散射光相位信息进行按列合并，获得合并散射光相位信息，并对周期内的散射光信号进行处理，将处理后的散射光相位信息存储至fpga中，并且通过fpga同时对多个通道的信号进行并行处理，不仅减轻了fpga存储传输负担，可支持更多通道、更长距离的光纤振动相位解调，同时实现了光纤解调的并行处理和流水处理。
[0052]
在一些实施例中，所述fpga并行处理器2用于控制同一通道中的脉冲编码模块、adc采样模块、相位解调模块和相位合并模块同时对散射信号进行对应的流水处理操作。
[0053]
在本实施例中，基于fpga并行处理器，同时进行采集和解调操作，实现各模块间的并行流水处理，提高了光纤解调的效率。
[0054]
在一些实施例中，还包括3
×
3耦合器，所述3
×
3耦合器用于接收光纤中散射的信号，并将所述散射的信号分为三路散射光信号。
[0055]
在一些实施例中，所述脉冲编码模块生成编码脉冲，所述编码脉冲包括多个单脉冲；首先通过脉冲编码器对光源进行调制，编码脉冲由m个单脉冲构成，相邻单脉冲的时间间隔分别为tx(x为大于0小于m的整数)，并满足如下关系:其中，fs为adc采样率，m为大于等于4的整数。
[0056]
进一步的，预设的adc采集法采用的是通过adc采样模块通过单脉冲触发采集n组数据(每组数据对应不同空间位置的光纤散射信号)，每个周期的编码脉冲由m个单脉冲构成，每个通道对应3路信号，一个周期内每个通道各需要采集m
×n×
3个数据。其中x、y、z分别为每个通道的3路信号，3路信号的幅度都等于a，并满足3路信号相位差都等于120
°
，具体表现为：
[0057][0058]
脉冲1：{x
11
,x
12
,
……
,x
1n
}，{y
11
,y
12
,
……
,y
1n
}，{z
11
,z
12
,
……
,z
1n
}
[0059]
脉冲2：{
21
,x
22
,
……
,x
2n
}，{y
21
,y
22
,
……
,y
2n
}，{z
21
,z
22
,
……
,z
2n
}
[0060]
脉冲m：{
m1
,x
m2
,
……
,x
mn
}，{y
m1
,y
m2
,
……
,y
mn
}，{z
m1
,z
m2
,
……
,z
mn
}
[0061]
本发明所涉及的基于fpga的光纤振动解调方法，可同时对多个通道的多个周期的信号进行并行处理和流水处理，具体为，基于所述fpga并行处理器，同时对每个光纤通道内的入射光进行脉冲编码、adc信号采集、相位解调和相位合并处理，并且对同一个光纤通道中每个周期内的入射光同时进行脉冲编码、adc信号采集、相位解调和相位合并处理。
[0062]
在一些实施例中，请参阅图2，所述同时对每个光纤通道内的入射光进行脉冲编码、adc信号采集、相位解调和相位合并处理，包括：
[0063]
s201、同时对每个通道内的入射光进行脉冲编码，得到单脉冲调制光，基于单脉冲调制光，采集光纤不同空间位置的散射信号，对各个通道中每个周期内的第一个脉冲进行相位解调，获得第一散射光相位信息，并将所述第一散射光相位信息记录至fpga并行处理器中；
[0064]
s202、对各个通道中每个周期内的第二个脉冲至最后一个脉冲进行相位解调，获得对应的多个第二散射光相位信息；
[0065]
s203、调取所述fpga并行处理器中的所述第一散射光相位信息，并将所述第一散射光相位信息与所述多个第二散射光相位信息进行相加，获得累加相位信息；
[0066]
s204、对所述累加相位信息进行后处理，获得后处理相位信息，并将所述后处理相位信息记录至所述fpga并行处理器中，并基于所述fpga并行处理器对每个通道光纤的散射信号进行并行处理。
[0067]
在本实施例中，首先对多个通道中每个周期内的第一个脉冲进行相位解调，获得第一散射光相位信息，并将所述第一散射光相位信息记录至fpga中，随后对每个周期内的第二个脉冲至最后一个脉冲进行相位解调，获得对应的多个第二散射光相位信息，最后将第一散射光相位信息与多个第二散射光相位信息相加，并求取均值相位信息，并将均值相位信息记录至fpga中，每个通道的每个周期仅需存一个均值相位信息，并且在数据传输过程中，通过均值相位信息即可表征通道当前周期的相位信息状态，减轻了fpga存储传输负担，可支持更多通道、更长距离的光纤振动相位解调，实现了光纤振动的高速解调以及通过fpga实现了多个通道的并行处理，提高了相位解调的效率。
[0068]
需要说明的是，后处理的方式包括对数据进行均值化处理，具体的，对所述累加相位信息进行均值化处理，获得均值相位信息，并将均值相位信息记录至fpga中；后处理的方式还包括对数据进行滤波处理，具体的，对累加相位信息进行滤波处理，获得滤波后的相位信息，并将滤波后的相位信息记录至fpga中。
[0069]
进一步的，请参阅图3，并行处理表示多个通道同时进行光纤脉冲的相位解调。
[0070]
在一些实施例中，请参阅图4和图5，所述调取所述fpga中的所述第一散射光相位信息，并将所述第一散射光相位信息与所述多个第二散射光相位信息进行相加，获得累加相位信息，包括：
[0071]
s401、调取所述第一散射光相位信息，将第二个脉冲对应的第二散射光相位信息与所述第一散射光相位信息相加，获得第二累加相位信息，并将所述第二累加相位信息记
录至所述fpga中；
[0072]
s402、调取所述fpga中的第二累加相位信息，将第三个脉冲对应的所述第二散射光相位信息与所述第二累加相位信息相加，获得第三累加相位信息，并将所述第三累加相位信息记录至所述fpga中；
[0073]
s403、调取所述所述fpga中的第三累加相位信息，将所述第三累加相位信息与其它所述第二散射光相位信息相加，获得累加相位信息。
[0074]
在本实施例中，每个周期的每个通道同时进行脉冲编码、采样、相位解调和相位合并操作，其中，将每个周期内的第一个脉冲信号经过相位解调后得到的第一散射光相位信息记录至fpga中，随后从第二个脉冲信号经解调后获得第二散射光相位信息与第一散射光相位信息进行相加，并将相加后的结果记录至fpga中暂时存储，最后将同一周期内的后续脉冲信号依次经过相位解调后的结果与前一次存储于fpga中的结果相加，到达周期内最后一个脉冲信号时，将经过相位解调后的结果与前一次存储于fpga中的结果相加，最后将累计的结果作平均值处理，获得均值相位，并将最终的均值相位记录至fpga中，作为当前通道当前周期的相位信息状态表征信号。
[0075]
一些实施例中，通过对adc采样采集到的数据进行相位解调处理，解调出光纤采样点的散射光相位信息，所述相位信息可通过如下公式表达：
[0076][0077]
其中，x(i)表示x通道的信息，y(i)表示y通道的信息，z(i)表示z通道的信息，为相位信息。
[0078]
在本实施例中，对于连续函数x、y、z而言，满足条件：
[0079][0080]
由此可知：
[0081][0082]
公(2) (3)，可得：
[0083][0084]
公式(2)-(3)，可得：
[0085][0086]
同理可得：
[0087][0088][0089]
同理可得：
[0090][0091][0092]
综上所说，公式(4)-(6)，可得：
[0093][0094][0095]
公式(8)/(10)，可得：
[0096][0097]
相位解析为：
[0098][0099]
进一步的，根据adc采样模块2采集的数据，计算出的对应的光纤相位信息如下：
[0100]
脉冲1：
[0101]
脉冲2：
[0102]
……
[0103]
脉冲m:
[0104][0105][0106]
……
[0107][0108]
需要说明的是，所述第一散射光相位信息与所述多个第二散射光相位信息采用列相加的方法进行相加处理。
[0109]
在一些实施例中，所述均值相位信息可通过如下公式表示：
[0110][0111]
其中，m表示每个周期内的脉冲数目，n表示采集的数据量，表示第m个秒冲对应的第n个相位信息，表示均值相位信息。
[0112]
通过对相位解调后获得的相位信息进行按列合并处理，合并后的数据如下所示：
[0113][0114][0115]
[0116]
……
[0117][0118]
在一个具体的实施例中，光纤长度10km，通过生成编码脉冲对光源进行调制(光源的脉冲光注入到光纤中并从光纤中散射回来的信号光经过法拉第旋镜反射后再经3
×
3耦合器输出为3路信号，3路信号的幅度相等，并且3路信号相位差都等于120
°
)，编码脉冲由10个单脉冲构成，相邻单脉冲的时间间隔分别为tx(x为大于0小于10的整数)，并满足如下关系:
[0119][0120]
其中fs＝200mhz为adc采样率。
[0121]
通过adc采样模块通过单脉冲触发进行200mhz采样n组数据(每组数据对应相隔0.5m的空间位置的光纤散射信号)，每个周期的编码脉冲由10个单脉冲构成，每个通道对应3路信号，一个周期内每个通道各需要采集10
×
20000
×
3个数据。其中x、y、z分别为每个通道的3路信号，3路信号的幅度都等于a，并满足3路信号相位差都等于120
°
。
[0122][0123][0124][0125]
脉冲1：{x
1-1
,x
1-2
,
……
,x
1-20000
}，{y
1-1
,y
1-2
,
……
,y
1-20000
}，{z
1-1
,z
1-2
,
……
,z
1-20000
}
[0126]
脉冲2：{x
2-1
,x
2-2
,
……
,x
2-20000
}，{y
2-1
,y
2-2
,
……
,y
2-20000
}，{z
2-1
,z
22
,
……
,z
2-20000
}
[0127]
……
[0128]
脉冲10:{x
10-1
,x
10-2
,
……
,x
10-20000
}，{y
10-1
,y
10-2
,
……
,y
10-20000
}，{z
10-1
,z
10-2
,
……
,z
10-20000
}
[0129]
其中脉冲1对应的数据为0.5m、1m、1.5m、
…
、10km的空间位置的光纤散射信号；脉冲2对应的数据为0.45m、0.95m、1.45m、
…
、9999.95m的空间位置的光纤散射信号；脉冲m对应的数据为0.05m、0.55m、1.05m、
…
、9999.05m的空间位置的光纤散射信号。
[0130]
通过对adc采样采集到的数据进行相位解调处理，解调出光纤采样点的散射光相位信息，光纤散射光相位的变化可以直接反映光纤振动情况。对于连续函数x、y、z而言，满足条件：
[0131][0132]
根据公式1、2和4可推导出以下结果：
[0133][0134][0135]
公式
⑸

⑸
，可得：
[0136][0137]
公式
⑸‑⑸
，可得：
[0138][0139]
根据公式1、3和4同理可得：
[0140][0141][0142]
根据公式2、3和4同理可得：
[0143][0144][0145]
综上所说，公式
⑺‑⑼
，可得：
[0146][0147][0148]
公式(11)/(13)，可得：
[0149][0150]
相位解析为：
[0151][0152]
根据adc采样采集到的数据，计算出的对应的光纤相位信息如下：
[0153]
脉冲1：
[0154]
脉冲2：
[0155]
……
[0156]
脉冲10:
[0157][0158][0159]
……
[0160][0161]
通过对相位解调后的相位信息进行按列合并的方式，合并后的数据如下所示：
[0162][0163][0164][0165]
……
[0166][0167]
每个周期都会同时进行多通道的脉冲编码、adc采样、相位解调、相位合并的操作，每个周期的第1个单脉冲下的相位解调结果写入到fifo中；第2～m-1即第2～9个单脉冲会从fifo中读取本周期上个单脉冲的相位结果，并将当前单脉冲下的相位解调的相位结果和上个单脉冲的相位结果累加，将累加后的相位结果写入fifo中；第m＝10个单脉冲会从fifo中读取本周期上个单脉冲的相位结果，并将当前单脉冲下的相位解调结果和上个单脉冲的相位结果累加并平均，将平均后的相位结果写入fifo中，实现光纤相位解调的流水处理。由于相位解调和相位合并使用的是同一个fifo，并且相位合并在读取一个相位结果后会写入一个累加或者平均后的相位结果，故每个通道最大的fifo数据存储量为n＝20000。请参阅图6，如果使用传统顺序处理的方法，需要将adc采样采集的每个通道各m
×n×
3＝10
×
20000
×
3个数据存储并传输给数据处理单元，才能执行相位解调和相位合并的操作，而使用fpga并行流水处理，每个通道需要存储的相位解调和合并结果的数据量为n＝20000，并只需要将每个通道的合并后的相位解调结果传输出去，相比传统顺序处理的方法，每个通道的每个周期的数据存储和传输量由原有的m
×n×
3＝10
×
20000
×
3个缩减为n＝20000个，数据存储和传输量降低3m＝30倍，很大程度减轻了fpga存储传输负担，可支持更多通道、更长距离的光纤振动相位解调，实现了光纤振动的高速解调。
[0168]
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。