基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统，由于外界环境及信号采集过程中所夹杂的噪声影响，使得反射谱的峰值点发生偏移，很大程度上影响了寻峰的精度，所以要先对采集得到的离散数据进行滤波处理后再寻峰，对采集得到的数字信号滤波，完成预处理部分；然后通过FPGA内部状态机的转换，将去噪后的波形数据调节阈值进行分割，粗略估计峰值所在位置范围；基于FPGA状态机对预处理后的数据再次进行处理，然后寻峰。不仅提高了速度并且弥补了以往常见寻峰算法对于非对称波形的忽略问题，提高了算法的精度。算法主要由峰值区域分割采集模块，峰值数据检测模块组成。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统
本专利技术属于光学数据采集领域，尤其涉及一种基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统。
技术介绍
光纤布拉格光栅作为一种新型传感技术，具有无源性、耐腐蚀、耐高温、传输距离远、抗干扰能力强、分布阵列性等特点，在石油勘探，桥梁、隧道、建筑等结构的健康监测以及航空发动机、大型机械的设备结构状态监测中得到广泛应用。在传感解调系统中，根据解调原理可知，反射光谱中心波长的移位量对应为光纤光栅反射波形峰值点位置，在FBG反射谱解调系统中所测量的都为中心波长的微小偏移量。所以，如何能够快速，准确的定位到峰值点，是本文所研究的重点内容。而在采集数据和数据传输进行处理的过程当中，往往会受到许多因素的干扰，如：外界环境的变化，电子器件本身等所造成的噪声影响，使得寻峰结果产生较大的误差，导致解调精度受到很大影响，所以解调系统的关键则为滤波去噪和寻峰。寻峰算法，即是寻找峰值点的算法，此算法不仅是解调系统中的关键也是系统中的一个难点问题。寻峰算法的目的是要对采集得到的大量离散不连续数据找寻到峰值点，在实际应用当中，寻峰算法不仅要满足准确性高，还要符合速度快的要求。在实际运用过程中，主要存在以下两方面的问题：(1)精度影响，在光纤光栅解调系统的采集数据过程中，器件本身还有外界环境以及系统硬件内部都很容易引入大量的噪声，而这些噪声会导致光功率的变化，使得FBG反射谱的中心波长发生形变和抖动，造成后续寻峰精度的降低，误差增大，很大程度上对寻峰算法的适用性产生影响。(2)速度影响，由于光纤光栅解调系统是要在实际工程项目当中进行运用，所以对于速度要求也是较高的，而寻峰算法的计算处理速度是影响整个系统运行速度的关键因素，若选取算法需要进行大量的迭代运算则会造成整个系统运行速度的延时，同样导致了解调系统在实时性方面受到较大影响。目前，寻峰算法主要分为常见传统寻峰算法、经典拟合寻峰算法和改进新型寻峰算法。常见传统寻峰算法是一种理想条件下的算法，操作简单，容易实现，但是在实际应用中，所产生的误差较大；经典拟合寻峰算法，考虑到采集数据波形曲线符合高斯曲线，但是条件为要严格符合标准对称高斯型，实用性不佳；改进新型寻峰算法，是对前两类算法的改进，考虑到前两类算法所未考虑到的因素，对于寻峰算法的精度，有了提升。虽然有了改进算法的出现，但是在精度上仍需要近一步的提升，并且在高速解调系统当中，对于速度的要求，也需有更大的提升。
技术实现思路
本专利技术的目的在于实现对光栅光纤传感信号的高速、高精度寻峰，提供一种基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰方法，该方法是基于FPGA状态机对预处理后的数据再次进行处理，然后寻峰，不仅提高了速度并且弥补了以往常见寻峰算法对于非对称波形的忽略问题，提高了算法的精度。算法主要由峰值区域分割采集模块，峰值数据检测模块组成。本专利技术的目的是通过如下技术方案予以实现的：一种基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统，包含峰值区域分割采集预处理模块、峰值数据采集模块、寻峰拟合模块，峰值区域分割采集预处理模块，用于采集滤波后的有效数据；寻峰值数据采集模块，用于采集峰值处的数据；寻峰拟合模块，用于获取高斯函数的峰值点。作为本专利技术的基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统的进一步优选方案，寻峰拟合模块采用非对称高斯模型，用于对高斯拟合所得到的峰值进行补偿修正。作为本专利技术的基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统的进一步优选方案，寻峰拟合模块的工作步骤具体如下：步骤1，光栅光纤信号通过AD芯片后，有模拟量转为数字量的数字信号；在FPGA内部状态机转换处理后，得到了一组离散数据，进行高斯拟合，得到高斯函数的峰值点，记为A′；步骤2，通过AD芯片采集的FBG信号波长在实际情况下为非对称，所以此处将非对称高斯模型f(t)引入，对高斯函数拟合得到的峰值进行校验补偿；步骤3，非对称高斯函数的判断是基于左右方差的2个二阶参数和作为本专利技术的基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统的进一步优选方案，在步骤2中，对高斯函数拟合得到的峰值进行校验补偿具体公式如下：G(x)＝A'+f(t)(1-1)其中，其中，μ为高斯拟合函数所得峰值点所对应的时间点，σ1为高斯拟合函数左侧部分的时间点采样数，σ2为高斯拟合函数右侧部分的时间点采样数。作为本专利技术的基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统的进一步优选方案，在步骤3中，非对称高斯函数的判断是基于左右方差的2个二阶参数和具体计算如下：作为本专利技术的基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统的进一步优选方案，通过方差的判断并且由式(1-2)可推导出校验补偿后的峰值A为：。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)基于FPGA状态机对预处理后的数据再次进行处理，然后寻峰。提高了处理速度并且弥补了以往常见寻峰算法对于非对称波形的忽略问题，提高了算法的精度；(2)采用本设计的光栅光纤寻峰方法，检测精度均能控制在0.5pm以内，且速度和稳定性与上述算法相比都具有显著优势；(3)通过FPGA内部状态机的转换过程，设计并实现相应的高速滤波算法，为接下来所进行的数据处理分析提供可靠的相对准确的波长数据。算法既避免了存储空间的浪费，同时又在速度和精度上，都得到了提升。附图说明图1(a)为本专利技术原始波形示意图；图1(b)为本专利技术采用低通滤波后的波形示意图；图2为本专利技术峰值范围确定过程流程图；图3为本专利技术光栅光纤传感采集在变温下各算法误差图；图4为本专利技术光栅光纤传感采集在不同噪音下各算法误差图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的相似描述。如图1(a)和图1(b)所示是原始FBG波形与本专利技术所采用的巴特沃斯低通滤波后的波形对比图，图1(a)为本专利技术原始波形示意图；图1(b)为本专利技术采用低通滤波后的波形示意图；介绍如下：由于外界环境及信号采集过程中所夹杂的噪声影响，使得反射谱的峰值点发生偏移，很大程度上影响了寻峰的精度，所以滤波处理是进行寻峰算法的首先步骤，要先对采集得到的离散数据进行滤波处理后再寻峰。本专利技术采用的滤波算法为数字滤波，数字滤波是一种通过软件算法实现的滤波算法，无需其他硬件带来的成本，且不存在阻抗匹配问题，只要适当对滤波程序进行改进便可以方便的改变滤波特性，提升滤波效果。本专利技术采用的巴特沃斯低通滤波，指标设置为通带最大衰减αp＝3dB，阻带最小衰减αs＝20dB。实验后，得到SNR＝30.081，MSE＝1.725×10-2。通过上述算法的信噪比(SNR)和均方差(MSE)的数据结果以及各算法的适用范围综合分析对比，可知巴特沃斯低通滤波具有较好的性能，通过巴特沃斯低通滤波，将处理后的数据传入FPGA进行后续的处理。如图2所示是峰值范围确定过程流程图，介绍如下：峰值数据采集模块的作用为采集峰值处的数据，为此后的寻峰算法提供更为可靠有效的数据信息。具体过程为上升、下降、错误三态之间进行相互转化，并在FPGA系统内分别设计了用于记录保持稳定同状态的数据，上升态的起始位置数据以及下降态终止位置数据的寄存器，将其存入数组a[n]中，如图2所示。首先与预处理后的数据逐个进行对比，若当前数据大于设置的阈值且前一数据小于阈值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统，其特征在于：包含峰值区域分割采集预处理模块、峰值数据采集模块、寻峰拟合模块，峰值区域分割采集预处理模块，用于采集滤波后的有效数据；寻峰值数据采集模块，用于采集峰值处的数据；寻峰拟合模块，用于获取高斯函数的峰值点。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统，其特征在于：包含峰值区域分割采集预处理模块、峰值数据采集模块、寻峰拟合模块，峰值区域分割采集预处理模块，用于采集滤波后的有效数据；寻峰值数据采集模块，用于采集峰值处的数据；寻峰拟合模块，用于获取高斯函数的峰值点。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统，其特征在于，寻峰拟合模块采用非对称高斯模型，用于对高斯拟合所得到的峰值进行补偿修正。3.根据权利要求1所述的基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统，其特征在于，寻峰拟合模块的工作步骤具体如下：步骤1，光栅光纤信号通过AD芯片后，有模拟量转为数字量的数字信号；在FPGA内部状态机转换处理后，得到了一组离散数据，进行高斯拟合，得到高斯函数的峰值点，记为A′；步骤2，通过AD芯片采集的FBG信号波长在实际情况下为非对称，所以此处将非对称高斯模型f(t)引入，对高斯函数拟合得到的峰值进行校验补偿；步骤3，非对称高斯函数的判断是基于左右方差的2个二阶参数和4.根据权利要求1所述的基于FPGA的分布式光纤光栅传感信号寻峰控制系统，其特征在于：在步骤2中，对高斯函数拟合得到的峰值进行校验补偿具体公式如下：G(x)＝A'+f(t)(1-1)其中，

【专利技术属性】
技术研发人员：闫旭，刘宪阳，王鹏程，崔鹤，侯旭涛，李晓飞，
申请(专利权)人：北京卫星信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11