一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路技术方案

一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，实现了传感系统后向瑞利散射光干涉信号的高速采集、预处理，同时也解决了信号实时传输至上位的技术问题。本电路包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD采集模块以及光电子器件控制模块。FPGA信号处理模块作为电路的核心与其余模块相连接，FPGA产生脉冲信号用于调制连续光，同时此脉冲信号也用于触发AD进行模数转换。采集到的数据经过预处理以一定的数据格式发送至数据缓存模块进行存储。当存储的数据达到设定数量时，FPGA以DMA的方式通过PCI‑E接口传输至上位机。本发明专利技术广泛应用于分布式光纤振动传感系统。

Signal collecting and processing circuit of distributed optical fiber vibration sensing system

The signal processing circuit of a distributed optical fiber vibration sensing system, the sensing system of Rayleigh backscattering light interference in high-speed data acquisition, signal preprocessing, and solves the technical problem of signal real-time transmission to the host. The circuit includes FPGA signal processing module, data buffer module, AD acquisition module and optoelectronic device control module. As the core of the circuit, the FPGA signal processing module is connected with the other modules, and the FPGA generates a pulse signal to modulate the continuous light. At the same time, the pulse signal is also used to trigger the AD to perform analog to digital conversion. The collected data is sent to the data buffer module to be stored in the data format. When the stored data reaches the set number, the FPGA in DMA by PCI E interface to the host computer. The invention is widely used in a distributed optical fiber vibration sensing system.

【技术实现步骤摘要】
一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及基于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路。
技术介绍
分布式光纤振动传感系统能够对传感光纤上任意一点的扰动进行探测和定位，可以应用于周界安防、油气管线预警、通信线路及结构监测。分布式光纤方案的优势在于仅利用已铺埋的通讯光缆，无需额外布设，光缆不仅是感测介质，也是数据通信介质，全程无需供电。分布式光纤振动传感系统利用普通单模光纤作为敏感介质，通过测量扰动造成的相位变化对扰动进行定位；在基础设施和大型结构，如油气管道、油气储备基地、光缆、铁轨、边海防线以及重要设施周界安防等方面有着广阔的应用前景。传统的分布式光纤振动传感器的采集电路信号采集范围较小，采样精度不高，一般为-1V～+1V，12bit采样。由于后向瑞利散射光随着距离的增加而衰减，远处的散射信号经光电转换后的电压信号很小，那么±1V，12bit的采样就不能满足探测距离和探测分辨率的要求。由于后向瑞利散射信号的信噪比较低，为了提高定位的精度，需要将大量原始信号数据进行滑动平均，提高信噪比。这就对高采样率、大数据量数据向上位机的高速传输提出了更高的要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高速高分辨率大动态范围的信号采集处理电路，解决了分布式光纤振动传感系统的信号采集处理过程中高分辨率、大动态范围以及与上位机之间高速数据传输的问题。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案包括：一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD转换模块、连续光调制模块和模拟电路模块；外部输入的干涉光信号先经过模拟电路模块进行光电转换，生成模拟电信号并送入AD转换模块进行模数转换，生成的数字信号送入FPGA信号处理模块中，FPGA信号处理模块对输入的数字信号进行处理，处理结果通过PCIE总线送入上位机，同时，FPGA信号处理模块还生成脉冲信号，并送入连续光调制模块和AD转换模块中，送入AD转换模块中的脉冲信号用于使能模数转换，连续光调制模块根据FPGA信号处理模块输出的脉冲信号，对激光器产生的连续光信号进行调制，生成脉冲光信号并发射出去；数据缓存模块用于对FPGA信号处理模块处理的数据进行缓存。所述FPGA信号处理模块包括控制逻辑预处理模块、PCIE接口模块、存储器控制器模块和脉冲生成模块；脉冲生成模块生成脉冲信号，并同时送入连续光调制模块与AD转换模块，AD转换模块接收到该脉冲信号之后，触发模数转换，将转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理，处理后生成的数据送入存储器控制器模块中，存储器控制器模块将接收到数据送入所述数据缓存模块中进行缓存，数据缓存模块中存储的数据，在存储器控制器模块的控制下，通过PCIE接口模块发送给上位机。所述将模数转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理，具体为：控制逻辑预处理模块为输入的模数转换生成的数字信号进行滑动平均处理。所述滑动平均处理通过如下方式实现：n∈[0,65535],m∈[0,+∞]，其中，B[m][n]为平滑后的数据，A[m][n]为模数转换生成的数字信号。所述的AD采集模块包含AD转换芯片和驱动芯片，驱动芯片用于驱动AD转换芯片工作。所述的数据缓存模块包含两片并联的DDR3芯片。所述模拟电路模块的模拟信号输出范围为-1.7V～+1.7V。AD采集模块每通道数据采集速率为16bit，130MSPS。与现有技术相比，根据本专利技术的信号采集处理电路具有有益的技术效果：(1)在根据本专利技术的用于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路中，模拟信号采样范围为-1.7V～+1.7V，每通道数据采集速率高达16bit，130MSPS。整个板卡的数据采集速率可达到4.16Gbps。相较于传统的数据采集，不论从采样通道、采样精度还是采样率上都有大大的提高，有力地保证了振动传感系统的探测距离和探测分辨率。(2)在根据本专利技术的用于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，电路与上位机通信采用8xPCI-E总线通信，在DMA方式下上位机读取速率可达到10.96Gbps。相较于传统的数据采集，在传输速率上也有了大大的提高。附图说明图1为根据本专利技术的电路原理框图；图2为AD采集模块的电路原理示意图；图3为FPGA实现示意图；具体实施方式下面将结合附图和具体实施例对根据本专利技术的用于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路做进一步详细的说明。本专利技术的用于分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，实现了传感系统后向瑞利散射光干涉信号的高速采集、预处理，同时也解决了信号实时传输至上位的技术问题。本电路包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD采集模块以及脉冲生成模块。FPGA信号处理模块作为电路的核心与其余模块相连接，FPGA产生脉冲信号用于调制连续光，同时此脉冲信号也用于触发AD进行模数转换。采集到的数据经过预处理以一定的数据格式发送至数据缓存模块进行存储。当存储的数据达到设定数量时，FPGA以DMA的方式通过PCI-E接口传输至上位机。如图1所示，本专利技术提出了一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD转换模块、脉冲生成模块和模拟电路模块；外部输入的干涉光信号先经过模拟电路模块进行光电转换，生成模拟电信号并送入AD转换模块进行模数转换，生成的数字信号送入FPGA信号处理模块中，FPGA信号处理模块对输入的数字信号进行处理，处理结果通过PCIE总线送入上位机，同时，FPGA信号处理模块还生成脉冲信号，并送入连续光调制模块和AD转换模块中，送入AD转换模块中的脉冲信号用于使能模数转换，连续光调制模块根据FPGA信号处理模块输出的脉冲信号，对激光器产生的连续光信号进行调制，生成脉冲光信号并发射出去；数据缓存模块用于对FPGA信号处理模块处理的数据进行缓存。如图3所示，FPGA信号处理模块包括控制逻辑预处理模块、PCIE接口模块、存储器控制器模块和脉冲生成模块；脉冲生成模块生成脉冲信号，并同时送入连续光调制模块与AD转换模块，AD转换模块接收到该脉冲信号之后，触发模数转换，将转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理，处理后生成的数据送入存储器控制器模块中，存储器控制器模块将接收到数据送入所述数据缓存模块中进行缓存，数据缓存模块中存储的数据，在存储器控制器模块的控制下，通过PCIE接口模块发送给上位机。将模数转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理。由于分布式光纤振动传感器返回干涉光信号的信噪比较低，因此需对模数转换后的数字信号进行处理以提高其信噪比，具体为：控制逻辑预处理模块为输入的模数转换生成的数字信号进行滑动平均处理。所述滑动平均处理通过如下方式实现：n∈[0,65535],m∈[0,+∞]，其中，B[m][n]为平滑后的数据，A[m][n]为模数转换生成的数字信号。如图2所示，AD采集模块包含AD转换芯片和驱动芯片，AD转换芯片用于将光电转换后的模拟信号以高速率转换为数字信号，驱动芯片用于将原始光电转换后的单端模拟信号转换为低失真的差分信号，增强了驱动能力提高了原始信号的信噪比。AD采集模块每本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，其特征在于：包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD转换模块、连续光调制模块和模拟电路模块；外部输入的干涉光信号先经过模拟电路模块进行光电转换，生成模拟电信号并送入AD转换模块进行模数转换，生成的数字信号送入FPGA信号处理模块中，FPGA信号处理模块对输入的数字信号进行处理，处理结果通过PCIE总线送入上位机，同时，FPGA信号处理模块还生成脉冲信号，并送入连续光调制模块和AD转换模块中，送入AD转换模块中的脉冲信号用于使能模数转换，连续光调制模块根据FPGA信号处理模块输出的脉冲信号，对激光器产生的连续光信号进行调制，生成脉冲光信号并发射出去；数据缓存模块用于对FPGA信号处理模块处理的数据进行缓存。

【技术特征摘要】
1.一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，其特征在于：包括FPGA信号处理模块、数据缓存模块、AD转换模块、连续光调制模块和模拟电路模块；外部输入的干涉光信号先经过模拟电路模块进行光电转换，生成模拟电信号并送入AD转换模块进行模数转换，生成的数字信号送入FPGA信号处理模块中，FPGA信号处理模块对输入的数字信号进行处理，处理结果通过PCIE总线送入上位机，同时，FPGA信号处理模块还生成脉冲信号，并送入连续光调制模块和AD转换模块中，送入AD转换模块中的脉冲信号用于使能模数转换，连续光调制模块根据FPGA信号处理模块输出的脉冲信号，对激光器产生的连续光信号进行调制，生成脉冲光信号并发射出去；数据缓存模块用于对FPGA信号处理模块处理的数据进行缓存。2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤振动传感系统的信号采集处理电路，其特征在于：所述FPGA信号处理模块包括控制逻辑预处理模块、PCIE接口模块、存储器控制器模块和脉冲生成模块；脉冲生成模块生成脉冲信号，并同时送入连续光调制模块与AD转换模块，AD转换模块接收到该脉冲信号之后，触发模数转换，将转换生成的数字信号送入控制逻辑预处理模块中进行数据处理，处理后生成的数据送入存储器控制器模块中，存储器控制器模块将接收到数据送入所述数...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙道昱，李成志，刘诚，王学锋，王明超，卞贺明，王凯，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11