自適應(yīng)增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型是一種自適應(yīng)增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收裝置，涉及光纖測量技術(shù)領(lǐng)域以及信號處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖傳感是利用光纖的一維空間連續(xù)特性進行傳感的技術(shù)。光纖既作傳感元件，又作傳輸元件，可以在整個光纖長度上對沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進行連續(xù)測量，同時獲得被測量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息。由于在光纖中傳播的光的相位、強度、及偏振態(tài)會受到光纖周圍的物理場，比如，溫度、壓力、振動等的影響，通過檢測光的參數(shù)，可以還原出這些物理量。該技術(shù)在周界安防、航空航天、船舶工業(yè)、電力工業(yè)、石油化工業(yè)和醫(yī)學等各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用和廣闊的前景。
[0003]分布式光纖傳感技術(shù)需要對微弱的背向散射光信號進行接收和處理。傳統(tǒng)的處理方法要么傳感探測距離長，可達幾十公里，但是空間分辨率較低；要么空間分辨率較高，可達5?10米，但傳感探測范圍僅I?2公里。造成這個問題的原因是因為激光在光線中傳輸，其強度隨著距離成指數(shù)衰減，距離越長，光也越弱。而背向散射光又比正向傳輸?shù)墓庖〉枚?，導致在接收端接收到的光能量很小。為了增強激光脈沖的能量，可以增加它的脈寬，但是這樣就犧牲了分辨率和靈敏度。
[0004]為了解決這個問題，提高分布式光纖傳感的探測距離和靈敏度，業(yè)內(nèi)有的采用時間增益控制(TGC)的方法(如《CN200810024484.8寬域全光纖擾動定位信號時間增益控制裝置》)，讓光接收機的增益隨著時間的增加而指數(shù)增大，從而實現(xiàn)對呈指數(shù)衰減的背向散射光的均衡放大；有的采用將信號強度跟預設(shè)閾值比較，信號過強則減小放大倍數(shù)，信號過小則增大放大倍數(shù)的自動增益控制方法(如《CN201110286454.6寬域全光纖傳感系統(tǒng)連續(xù)波自適應(yīng)大動態(tài)范圍信號處理方法》)。
[0005]但是這些方法沒有對光電轉(zhuǎn)換器件輸出信號的直流偏置進行消除。不消除直流偏置就進行時間增益控制，會使直流電壓也被指數(shù)放大，導致后級運算放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器飽和，光傳感信息被淹沒。不消除直流偏置就進行自動增益控制，會導致直流偏置電壓也被計入信號強度，使增益控制不正確，損失動態(tài)范圍。另外，這些方法沒有考慮到系統(tǒng)實際工作，光纖上的背向散射光是被周圍環(huán)境狀況所調(diào)制的，并不是干凈的指數(shù)衰減的信號，而是指數(shù)衰減信號和擾動信號的疊加。為了增益均衡，需要對指數(shù)衰減信號的數(shù)學參數(shù)進行提取。只有在沒有擾動信號的前提下，數(shù)學參數(shù)的提取才是準確的。這些方法并沒有考慮到擾動信號對增益均衡控制的影響。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]技術(shù)問題:本實用新型提供一種實現(xiàn)分布式光纖傳感系統(tǒng)的增益自動均衡功能，拓展了系統(tǒng)的空間動態(tài)范圍，保證了靈敏度在空間范圍上的均勻性，同時具有高適應(yīng)性和穩(wěn)定性的自適應(yīng)增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收裝置。
[0007]技術(shù)方案:本實用新型的自適應(yīng)增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收裝置，包括前置放大器、主放大器、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)平均模塊、參數(shù)提取模塊、增益控制曲線發(fā)生器、減法器、增益可控運算放大器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器、擾動判別模塊、偏置提取模塊、比例積分控制器、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
[0008]所述前置放大器的輸出接口與主放大器的輸入接口連接，主放大器的輸出接口同時與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入接口和減法器的同相輸入端口連接，減法器的輸出接口與增益可控運算放大器的信號輸入接口連接。
[0009]所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接口與數(shù)據(jù)平均模塊的數(shù)據(jù)輸入接口連接，所述數(shù)據(jù)平均模塊的輸出接口與參數(shù)提取模塊的輸入接口連接，所述參數(shù)提取模塊的輸出接口與增益控制曲線發(fā)生器的輸入接口連接，所述增益控制曲線發(fā)生器的輸出接口與第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入接口連接，所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出接口與增益可控運算放大器的增益控制接口相連，所述增益可控運算放大器的輸出接口與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入接口連接。
[0010]所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接口同時與擾動判別模塊的輸入接口和偏置提取模塊的數(shù)據(jù)輸入接口連接，所述擾動判別模塊的輸出接口同時與數(shù)據(jù)平均模塊的控制接口和偏置提取模塊的控制接口連接，所述偏置提取模塊的輸出接口與比例積分控制器的輸入接口相連，所述比例積分控制器的輸出接口與第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入接口相連，所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出接口與減法器的反相輸入端相連。
[0011]有益效果:本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0012]本實用新型通過采取智能化參數(shù)識別模塊，分析背向散射光信號的參數(shù)，可以識別出系統(tǒng)中光信號的初始功率和在傳感光纖中的衰減因子，并通過控制增益控制曲線發(fā)生器的輸出，自動實時匹配增益可控運算放大器的放大倍數(shù)，實現(xiàn)信號增益均衡放大，消除光在光纖中傳播時指數(shù)衰減對信號檢測的影響，將增益隨時間呈指數(shù)形式衰減的背向散射信號修正為增益均勻隨時間保持不變的背向散射信號，擴展了系統(tǒng)的動態(tài)范圍，保證了傳感光纖沿線均一的靈敏度，同時，簡化了后續(xù)信號處理過程。
[0013]為了消除振動信號對參數(shù)識別的影響，本實用新型提出了擾動判別模塊，只對不載有振動信號的光纖背向散射信號進行平均與參數(shù)提取，準確獲取相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)增益的精確均衡放大。
[0014]市售的光接收模塊的輸出信號都帶有直流偏置電壓，不同的光接收模塊的直流偏置不一樣，并且，其輸出的直流偏置電壓會受到工作環(huán)境的影響發(fā)生緩慢漂移。如果直接對疊加有直流偏置的光信號進行放大或均衡放大，會導致直流偏置電壓也被放大，限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍，無法實現(xiàn)遠距離傳感。另外，對于指數(shù)型增益均衡方法，由于放大倍數(shù)是隨時間指數(shù)增長的，放大后的信號迅速增長，達到飽和，無法探測傳感光纖后半段的傳感信號。本實用新型通過偏置提取模塊、比例積分控制器、減法器，可準確地檢測出不同光接收模塊的偏置電壓，并可實時消除光接收模塊的偏置電壓，為實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的增益均衡控制奠定了基礎(chǔ)。同時，由于偏置提取與消除的結(jié)構(gòu)是個閉環(huán)，采用比例積分控制算法，可以自動補償光接收模塊的輸出偏置電壓的緩慢漂移，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型的電路框架圖；
[0016]圖2為前置放大器的電路圖；
[0017]圖3為主放大器的電路圖；
[0018]圖4為減法器的電路圖；
[0019]圖5為增益可控運算放大器的電路圖；
[0020]圖6為第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路圖；
[0021]圖7為第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路圖；
[0022]圖8為第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路圖；
[0023]圖9為第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路圖；
[0024]圖10為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的I/O BANKO的硬件電路圖；
[0025]圖11為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的I/O BANKl的硬件電路圖；
[0026]圖12為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的I/O BANK2的硬件電路圖；
[0027]圖13為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的I/O BANK3的硬件電路圖；
[0028]圖14為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的I/O BANK4的硬件電路圖；
[0029]圖15為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的I/O BANK5的硬件電路圖；
[0030]圖16為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的電源接口硬件電路圖；
[0031]圖17為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的接地接口硬件電路圖；
[0032]圖18為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的SFP電路圖；
[0033]圖19為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的NC接口硬件電路圖；
[0034]圖20為本實用新型所述的自適應(yīng)增益均衡型分布式光纖傳感信號接受方法或裝置的輸入輸出波形圖；
[0035]圖21為本實用新型所述的自適應(yīng)增益均衡型分布式光纖傳感信號接受方法或裝置的光纖、激光器自適應(yīng)功能的效果圖；
[0036]圖22為本實用新型所述的自適應(yīng)增益均衡型分布式光纖傳感信號接受方法或裝置的偏置緩慢漂移的補償效果圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0038]本實用新型的自適應(yīng)增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收裝置，包括前置放大器1、主放大器2、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器3、數(shù)據(jù)平均模塊4、參數(shù)提取模塊5、增益控制曲線發(fā)生器6、減法器7、增益可控運算放大器8、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器9、擾動判別模塊12、偏置提取模塊10、比例積分(PI)控制器11、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器13、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器14 ；
[0039]所述前置放大器I的輸出接口與主放大器2的輸入接口連接，主放大器2的輸出接口同時與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器3的輸入接口和減法器7的同相輸入端口連接，減法器7的輸出接口與增益可控運算放大器8的信號輸入接口連接，
[0040]所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器3的輸出接口與數(shù)據(jù)平均模塊4的數(shù)據(jù)輸入接口 401連接，所述數(shù)據(jù)平均模塊4的輸出接口與參數(shù)提取模塊5的輸入接口連接，所述參數(shù)提取模塊5的輸出接口與增益控制曲線發(fā)生器6的輸入接口連接，所述增益控制曲線發(fā)生器6的輸出接口與第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器14的輸入接口連接，所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器14的輸出接口與增益可控運算放大器8的增益控制接口相連，所述增益可控運算放大器8的輸出接口與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的輸入接口連接；
[0041]所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的輸出接口同時與擾動判別模塊12的輸入接口和偏置提取模塊10的數(shù)據(jù)輸入接口連接，所述擾動判別模塊12的輸出接口同時與數(shù)據(jù)平均模塊4的控制接口和偏置提取模塊10的控制接口連接，所述偏置提取模塊10的輸出接口與比例積分控制器11的輸入接口相連，所述比例積分控制器11的輸出接口與第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器13的輸入接口相連，所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器13的輸出接口與減法器7的反相輸入端相連。
[0042]本實用新型自適應(yīng)增益均衡型分布式光纖傳感光信號接收裝置的具體實施例中，前置放大器包括光電二極管、放大器A、電阻Rf，光電二極管的陽極與放大器A的輸入端相連，電阻Rf的一端與放大器A的輸入端相連，電阻Rf的另一端與放大器A的輸出端相連；
[0043]所述主放大器包括芯片U2，電阻Rl，R5，R9，Rll, R12。芯片U2的型號為AD8336，Rl阻值為Ik歐，為電位器。R5阻值為510歐。R9阻值為510歐。Rll阻值為100歐。R12阻值為910歐。芯片U2的I腳是所述主放大器I的輸出端，芯片U2的2腳、3腳接地，芯片U2的4腳與R5的一端相連，芯片U2的5腳與Rll和R12的一端，芯片U2的8腳與芯片U2的9腳相連，芯片U2的9腳與R12的另一端相連，芯片U2的10腳接負電源VEE = -5V，芯片U2的11腳與Rl的滑動觸點相連，芯片U2的12腳接地，芯片U2的13腳接正電源VCC=5V，R5的另一端為輸入，與所述前置放大器的輸出端相連，R9的一