本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號采集處理電路。

背景技術(shù)：

分布式光纖振動傳感系統(tǒng)能夠?qū)鞲泄饫w上任意一點的擾動進(jìn)行探測和定位，可以應(yīng)用于周界安防、油氣管線預(yù)警、通信線路及結(jié)構(gòu)監(jiān)測。分布式光纖方案的優(yōu)勢在于僅利用已鋪埋的通訊光纜，無需額外布設(shè)，光纜不僅是感測介質(zhì)，也是數(shù)據(jù)通信介質(zhì)，全程無需供電。分布式光纖振動傳感系統(tǒng)利用普通單模光纖作為敏感介質(zhì)，通過測量擾動造成的相位變化對擾動進(jìn)行定位；在基礎(chǔ)設(shè)施和大型結(jié)構(gòu)，如油氣管道、油氣儲備基地、光纜、鐵軌、邊海防線以及重要設(shè)施周界安防等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的分布式光纖振動傳感器的采集電路信號采集范圍較小，采樣精度不高，一般為-1V～+1V，12bit采樣。由于后向瑞利散射光隨著距離的增加而衰減，遠(yuǎn)處的散射信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號很小，那么±1V，12bit的采樣就不能滿足探測距離和探測分辨率的要求。由于后向瑞利散射信號的信噪比較低，為了提高定位的精度，需要將大量原始信號數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動平均，提高信噪比。這就對高采樣率、大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)向上位機的高速傳輸提出了更高的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高速高分辨率大動態(tài)范圍的信號采集處理電路，解決了分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號采集處理過程中高分辨率、大動態(tài)范圍以及與上位機之間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案包括：

一種分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號采集處理電路，包括FPGA信號處理模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、連續(xù)光調(diào)制模塊和模擬電路模塊；

外部輸入的干涉光信號先經(jīng)過模擬電路模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，生成模擬電信號并送入AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，生成的數(shù)字信號送入FPGA信號處理模塊中，F(xiàn)PGA信號處理模塊對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過PCIE總線送入上位機，同時，F(xiàn)PGA信號處理模塊還生成脈沖信號，并送入連續(xù)光調(diào)制模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊中，送入AD轉(zhuǎn)換模塊中的脈沖信號用于使能模數(shù)轉(zhuǎn)換，連續(xù)光調(diào)制模塊根據(jù)FPGA信號處理模塊輸出的脈沖信號，對激光器產(chǎn)生的連續(xù)光信號進(jìn)行調(diào)制，生成脈沖光信號并發(fā)射出去；數(shù)據(jù)緩存模塊用于對FPGA信號處理模塊處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。

所述FPGA信號處理模塊包括控制邏輯預(yù)處理模塊、PCIE接口模塊、存儲器控制器模塊和脈沖生成模塊；

脈沖生成模塊生成脈沖信號，并同時送入連續(xù)光調(diào)制模塊與AD轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊接收到該脈沖信號之后，觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號送入控制邏輯預(yù)處理模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后生成的數(shù)據(jù)送入存儲器控制器模塊中，存儲器控制器模塊將接收到數(shù)據(jù)送入所述數(shù)據(jù)緩存模塊中進(jìn)行緩存，數(shù)據(jù)緩存模塊中存儲的數(shù)據(jù)，在存儲器控制器模塊的控制下，通過PCIE接口模塊發(fā)送給上位機。

所述將模數(shù)轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號送入控制邏輯預(yù)處理模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體為：控制邏輯預(yù)處理模塊為輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號進(jìn)行滑動平均處理。

所述滑動平均處理通過如下方式實現(xiàn)：

n∈[0,65535],m∈[0,+∞]，其中，B[m][n]為平滑后的數(shù)據(jù)，A[m][n]為模數(shù)轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號。

所述的AD采集模塊包含AD轉(zhuǎn)換芯片和驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片用于驅(qū)動AD轉(zhuǎn)換芯片工作。

所述的數(shù)據(jù)緩存模塊包含兩片并聯(lián)的DDR3芯片。

所述模擬電路模塊的模擬信號輸出范圍為-1.7V～+1.7V。

AD采集模塊每通道數(shù)據(jù)采集速率為16bit，130MSPS。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的信號采集處理電路具有有益的技術(shù)效果：

(1)在根據(jù)本發(fā)明的用于分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號采集處理電路中，模擬信號采樣范圍為-1.7V～+1.7V，每通道數(shù)據(jù)采集速率高達(dá)16bit，130MSPS。整個板卡的數(shù)據(jù)采集速率可達(dá)到4.16Gbps。相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，不論從采樣通道、采樣精度還是采樣率上都有大大的提高，有力地保證了振動傳感系統(tǒng)的探測距離和探測分辨率。

(2)在根據(jù)本發(fā)明的用于分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號采集處理電路，電路與上位機通信采用8x PCI-E總線通信，在DMA方式下上位機讀取速率可達(dá)到10.96Gbps。相較于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，在傳輸速率上也有了大大的提高。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的電路原理框圖；

圖2為AD采集模塊的電路原理示意圖；

圖3為FPGA實現(xiàn)示意圖；

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實施例對根據(jù)本發(fā)明的用于分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號采集處理電路做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明的用于分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號采集處理電路，實現(xiàn)了傳感系統(tǒng)后向瑞利散射光干涉信號的高速采集、預(yù)處理，同時也解決了信號實時傳輸至上位的技術(shù)問題。本電路包括FPGA信號處理模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、AD采集模塊以及脈沖生成模塊。FPGA信號處理模塊作為電路的核心與其余模塊相連接，F(xiàn)PGA產(chǎn)生脈沖信號用于調(diào)制連續(xù)光，同時此脈沖信號也用于觸發(fā)AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理以一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送至數(shù)據(jù)緩存模塊進(jìn)行存儲。當(dāng)存儲的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定數(shù)量時，F(xiàn)PGA以DMA的方式通過PCI-E接口傳輸至上位機。

如圖1所示，本發(fā)明提出了一種分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號采集處理電路，包括FPGA信號處理模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、脈沖生成模塊和模擬電路模塊；

外部輸入的干涉光信號先經(jīng)過模擬電路模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，生成模擬電信號并送入AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，生成的數(shù)字信號送入FPGA信號處理模塊中，F(xiàn)PGA信號處理模塊對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過PCIE總線送入上位機，同時，F(xiàn)PGA信號處理模塊還生成脈沖信號，并送入連續(xù)光調(diào)制模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊中，送入AD轉(zhuǎn)換模塊中的脈沖信號用于使能模數(shù)轉(zhuǎn)換，連續(xù)光調(diào)制模塊根據(jù)FPGA信號處理模塊輸出的脈沖信號，對激光器產(chǎn)生的連續(xù)光信號進(jìn)行調(diào)制，生成脈沖光信號并發(fā)射出去；數(shù)據(jù)緩存模塊用于對FPGA信號處理模塊處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。

如圖3所示，F(xiàn)PGA信號處理模塊包括控制邏輯預(yù)處理模塊、PCIE接口模塊、存儲器控制器模塊和脈沖生成模塊；

脈沖生成模塊生成脈沖信號，并同時送入連續(xù)光調(diào)制模塊與AD轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊接收到該脈沖信號之后，觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號送入控制邏輯預(yù)處理模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后生成的數(shù)據(jù)送入存儲器控制器模塊中，存儲器控制器模塊將接收到數(shù)據(jù)送入所述數(shù)據(jù)緩存模塊中進(jìn)行緩存，數(shù)據(jù)緩存模塊中存儲的數(shù)據(jù)，在存儲器控制器模塊的控制下，通過PCIE接口模塊發(fā)送給上位機。

將模數(shù)轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號送入控制邏輯預(yù)處理模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于分布式光纖振動傳感器返回干涉光信號的信噪比較低，因此需對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理以提高其信噪比，具體為：控制邏輯預(yù)處理模塊為輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號進(jìn)行滑動平均處理。所述滑動平均處理通過如下方式實現(xiàn)：

n∈[0,65535],m∈[0,+∞]，其中，B[m][n]為平滑后的數(shù)據(jù)，A[m][n]為模數(shù)轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字信號。

如圖2所示，AD采集模塊包含AD轉(zhuǎn)換芯片和驅(qū)動芯片，AD轉(zhuǎn)換芯片用于將光電轉(zhuǎn)換后的模擬信號以高速率轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，驅(qū)動芯片用于將原始光電轉(zhuǎn)換后的單端模擬信號轉(zhuǎn)換為低失真的差分信號，增強了驅(qū)動能力提高了原始信號的信噪比。

AD采集模塊每通道數(shù)據(jù)采集速率最高可達(dá)到130MSPS，16bit，實現(xiàn)了高速、高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)緩存模塊包含兩片并聯(lián)的DDR3芯片，其數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)到800MHz，用于對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，便于PCIE接口進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)傳輸。

模擬電路模塊的模擬信號輸出范圍為-1.7V～+1.7V，其輸出的動態(tài)范圍與AD芯片的輸入范圍保持了一致，有效地提高了數(shù)據(jù)的采集范圍，保證了分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的探測距離和探測分辨率。

實施例

本發(fā)明的一種分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的信號采集處理電路核心處理器為Xilinx的XC7K325T-FFG900,其具有326k個邏輯單元16Mb的片上存儲空間，同時還具備PCI-E硬核和DDR控制器，具備本發(fā)明的所需的信號采集、處理、傳輸?shù)热抗δ?。AD采集模塊以AD9461和AD8138為核心，采樣速率和采樣深度可達(dá)到130MSPS、16bit，滿足分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的高速高精度采樣要求。數(shù)據(jù)緩存模塊包含兩片MT41J128M16HA-15E的DDR3芯片，利用MIG核可輕松實現(xiàn)DDR3的讀寫，在32bit位寬的情況下，其讀寫速率可達(dá)到1.3GB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本發(fā)明所需的數(shù)據(jù)吞吐率，保證了數(shù)據(jù)在緩存及處理的過程中無失真。

本發(fā)明的信號采集處理電路可實現(xiàn)兩路光纖振動傳感器的信號采集與處理，實現(xiàn)了對光纖干涉信號的高速、高分辨率、大動態(tài)范圍的實時采集與處理，實現(xiàn)了分布式光纖振動傳感系統(tǒng)遠(yuǎn)距離和高精度探測的功能。