基于光纤布拉格光栅传感器测量系统和方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于光纤布拉格光栅传感器测量系统和方法，包括可调谐激光光源、电光调制器、环形器、n个串接的光纤布拉格光栅传感器、光电转换模块、FPGA嵌入式采集卡和ARM主控模块。由FPGA嵌入式采集卡控制OTDR采集单元进行数据采集，搭建的测量系统能够实现波分复用技术与时分复用技术结合，提高系统搭载传感器数量，扩大传感网络规模，解决传感器空间定位问题；采用基于FPGA作为微处理器，通过内部逻辑单元以及状态机功能实现数据采集与传输的速度控制，固有的并行工作方式，为本系统提供数据高速高精度以及并行处理的能力，提高系统实时性。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤布拉格光栅传感器测量系统和方法
本专利技术涉及光纤传感测量
，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅传感器测量系统和方法。
技术介绍
光纤光栅具有易与光纤连接，传输损耗小，光谱特性好和可靠性高等特点。光纤光栅作为传感元件，可通过波长调制实现物理量的大容量、分布式动态监测，能够有效克服传统电类传感技术及其测量系统在长期稳定性、环境适应性和分布传感检测等方面存在的不足，可对温度、应变、振动、压力等物理量进行有效测量，广泛应用于桥梁隧道、大坝电站、油田油罐、机械装备等领域的健康监测，极大满足军民应用的物理量测量要求。随着光纤光栅传感技术的发展和实际应用的需求，光纤布拉格光栅传感测量系统正朝着大容量和多参数测量方向发展，如何对测量系统中光纤传来的庞大数量的传感信号，进行有效采集处理成为光纤布拉格光栅传感测量系统的一个重要问题，特别是在高精度、大范围分布式测量中，数据采集处理技术是影响系统实用性的关键。目前，光纤布拉格光栅传感测量系统的数据采集采用“硬采集、软处理”方式的通用数据采集卡来实现，然而这种采集方式却难以满足对采集系统实现性要求比较高的使用环境。虽然采用“硬采集、硬处理”的方式，可以应用流水线等技术，大大提高数据的处理速度，且易于实现高速高精度的实时数据采集，具有更好的实用性。但是由于不同数据采集需求，目前市场上仍没有通用的带有硬件算法处理功能的数据采集卡。
技术实现思路
本专利技术所要解决的是现有光纤布拉格光栅传感测量系统实时性不强的问题，提供一种基于光纤布拉格光栅传感器测量系统和方法。为解决上述问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：基于光纤布拉格光栅传感器测量系统，包括可调谐激光光源、电光调制器、环形器、n个串接的光纤布拉格光栅传感器、光电转换模块、FPGA嵌入式采集卡和ARM主控模块；其中FPGA嵌入式采集卡、电光调制器、环形器和光电转换模块组成OTDR信号采集单元；可调谐激光光源的输出端连接电光调制器的输入端，电光调制器的输出端连接环形器的第一个分光端口；环形器的第二分光端口连接n个串接的光纤布拉格光栅传感器；环形器的第三分光端口输出的光信号接至光电转换模块的输入端；ARM主控模块与可调谐激光光源和FPGA嵌入式采集卡相连；光电转换模块的输出端连接FPGA嵌入式采集卡的输入端，FPGA嵌入式采集卡的输出端与电光调制器的控制端连接。上述方案中，FPGA嵌入式采集卡包括FPGA模块、模数转换模块、触发脉冲模块和SDRAM；模数转换模块的输入端连接光电转换模块的输出端，模数转换模块的输出端连接FPGA模块的输入端；FPGA模块的输出端连接触发脉冲模块的输入端，触发脉冲模块的输出端连接电光调制器的控制端；SDRAM与FPGA模块相连；FPGA模块通过并行总线与ARM主控模块相连。上述方案中，模数转换模块包括输入SMA连接器、差分驱动器，AD转换器和差分振荡器；输入SMA连接器的输入端形成FPGA嵌入式采集卡的输入端，与光电转换模块连接；输入SMA连接器的输出端与差分驱动器的输入端连接；差分驱动器的输出端连接AD转换器的输入端，AD转换器的输出端连接FPGA模块的输入端；差分振荡器连接AD转换器的时钟控制端。上述方案中，FPGA模块的输出端连接单路反向器的输入端，单路反向器的输出端与输出SMA连接器的输入端连接；输出SMA连接器的输出端形成FPGA嵌入式采集卡的输出端，与电光调制器连接。上述系统所实现的基于光纤布拉格光栅传感器测量方法，具体包括步骤如下：步骤1、可调谐激光光源在ARM主控模块的控制下输出波长步进λstep的可调谐波长，该可调谐波长送入到电光调制器；步骤2、可调谐波长由电光调制器调制为脉冲激光信号后进入环形器，环形器将该脉冲激光信号送入到光纤布拉格光栅传感器；步骤3、光纤布拉格光栅传感器对脉冲激光信号进行响应，并形成具有明显波峰的反射光信号反射回环形器，并送入光电转换模块；步骤4、光电转换模块将反射光信号转换为反射电信号后送至FPGA嵌入式采集卡；步骤5、FPGA嵌入式采集卡判断是否收到ARM主控模块所发来的采集系统工作信号；若接收到采集系统工作信号，则进入步骤6；若没有收到采集系统工作信号，则继续执行步骤5；步骤6、FPGA嵌入式采集卡判断是否收到光电转换模块所发来的反射电信号；若检测到反射电信号即受到触发，则FPGA嵌入式采集卡将该反射光电信号送入模数转换模块进行模数转换后，写入FPGA模块自带的先进先出缓存器中，每写入一个数据，模数转换模块的数据计数加1，并进入步骤7；若没有检测到反射电信号即没有被触发，则继续执行步骤6；步骤7、FPGA模块判断模数转换模块的数据计数值与FPGA模块自带的先进先出缓存器的采集深度的关系：当模数转换模块的数据计数值≥FPGA模块自带的先进先出缓存器的采集深度时，则完成一次采集深度的采样，FPGA模块将模数转换模块的数据计数置0，并进入执行步骤8；当模数转换模块的数据计数值＜FPGA模块自带的先进先出缓存器的采集深度时，则FPGA模块执行输出触发脉冲置0，并经由触发脉冲模块控制电光调制器输出脉冲光，此时OTDR采集单元开始工作，输出一个时钟周期后，FPGA模块执行触发脉冲置1，结束电光调制器输出脉冲光，并经延时后，返回执行步骤6；步骤8、FPGA模块判断是否为第一次采样；当采样是第一次完成时，FPGA模块将采样结果通过FPGA模块自带的先进先出缓存器存入SDRAM中，返回执行步骤6；当采样不是第一次完成时，FPGA模块读取SDRAM中对应地址存储的数据，将采集结果累加到对应地址存储的数据，并将累加结果存储于SDRAM中，并进入步骤9；步骤9、FPGA模块判断是否完成最后一次采样；当完成的采样是最后一次采样时，结束采样，将FPGA模块将数据从SDRAM读入，并进行平均处理和抑噪处理后，通过并行总线传输至ARM主控模块；当完成的采样不是最后一次采样时，返回执行步骤6。上述步骤1中，波长步进λstep大于等于可调谐激光光源的分辨率R，即λstep≥R。上述步骤1中，可调谐激光光源当次输出激光信号的波长λm等于上次输出的激光信号的波长λm-1加上波长扫描步进λstep，即λm＝λm-1+λstep。与现有技术相比，本专利技术具有如下特点：1、由FPGA嵌入式采集卡控制OTDR采集单元进行数据采集，搭建的测量系统能够实现波分复用技术与时分复用技术结合，提高系统搭载传感器数量，扩大传感网络规模，解决传感器空间定位问题；2、系统采用基于FPGA作为微处理器，通过内部逻辑单元以及状态机功能实现数据采集与传输的速度控制，固有的并行工作方式，为本系统提供数据高速高精度以及并行处理的能力，提高系统实时性；3、采用SDRAM提高系统数据采集容量，来满足海量跨时钟数据处理与转换的需求；采用FSMC技术，通过发出相应的数据/地址/控制信号类型以匹配信号的速度，提高ARM与FPGA之间数据交换的便利性与实时性。附图说明图1为基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的结构示意图；其中虚线表示光信号，实线表示电信号。图2为FPGA嵌入式采集卡的结构示意图。图3为基于光纤布拉格光栅传感器测量方法的流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光纤布拉格光栅传感器测量系统，其特征是，包括可调谐激光光源、电光调制器、环形器、n个串接的光纤布拉格光栅传感器、光电转换模块、FPGA嵌入式采集卡和ARM主控模块；其中FPGA嵌入式采集卡、电光调制器、环形器和光电转换模块组成OTDR信号采集单元；可调谐激光光源的输出端连接电光调制器的输入端，电光调制器的输出端连接环形器的第一个分光端口；环形器的第二分光端口连接n个串接的光纤布拉格光栅传感器；环形器的第三分光端口输出的光信号接至光电转换模块的输入端；ARM主控模块与可调谐激光光源和FPGA嵌入式采集卡相连；光电转换模块的输出端连接FPGA嵌入式采集卡的输入端，FPGA嵌入式采集卡的输出端与电光调制器的控制端连接。

【技术特征摘要】
1.基于光纤布拉格光栅传感器测量系统，其特征是，包括可调谐激光光源、电光调制器、环形器、n个串接的光纤布拉格光栅传感器、光电转换模块、FPGA嵌入式采集卡和ARM主控模块；其中FPGA嵌入式采集卡、电光调制器、环形器和光电转换模块组成OTDR信号采集单元；可调谐激光光源的输出端连接电光调制器的输入端，电光调制器的输出端连接环形器的第一个分光端口；环形器的第二分光端口连接n个串接的光纤布拉格光栅传感器；环形器的第三分光端口输出的光信号接至光电转换模块的输入端；ARM主控模块与可调谐激光光源和FPGA嵌入式采集卡相连；光电转换模块的输出端连接FPGA嵌入式采集卡的输入端，FPGA嵌入式采集卡的输出端与电光调制器的控制端连接。2.根据权利要求1所述基于光纤布拉格光栅传感器测量系统，其特征是，FPGA嵌入式采集卡包括FPGA模块、模数转换模块、触发脉冲模块和SDRAM；模数转换模块的输入端连接光电转换模块的输出端，模数转换模块的输出端连接FPGA模块的输入端；FPGA模块的输出端连接触发脉冲模块的输入端，触发脉冲模块的输出端连接电光调制器的控制端；SDRAM与FPGA模块相连；FPGA模块通过并行总线与ARM主控模块相连。3.根据权利要求2所述基于光纤布拉格光栅传感器测量系统，其特征是，模数转换模块包括输入SMA连接器、差分驱动器，AD转换器和差分振荡器；输入SMA连接器的输入端形成FPGA嵌入式采集卡的输入端，与光电转换模块连接；输入SMA连接器的输出端与差分驱动器的输入端连接；差分驱动器的输出端连接AD转换器的输入端，AD转换器的输出端连接FPGA模块的输入端；差分振荡器连接AD转换器的时钟控制端。4.根据权利要求2所述基于光纤布拉格光栅传感器测量系统，其特征是，触发脉冲模块包括单路反向器和输出SMA连接器；FPGA模块的输出端连接单路反向器的输入端，单路反向器的输出端与输出SMA连接器的输入端连接；输出SMA连接器的输出端形成FPGA嵌入式采集卡的输出端，与电光调制器连接。5.基于光纤布拉格光栅传感器测量方法，其特征是，具体包括步骤如下：步骤1、可调谐激光光源在ARM主控模块的控制下输出波长步进λstep的可调谐波长，该可调谐波长送入到电光调制器；步骤2、可调谐波长由电光调制器调制为脉冲激光信号后进入环形器，环形器将该脉冲激光信号送入到光纤布拉格光栅传感器；步骤3、光纤布拉格光栅传感器对脉冲激光信号进行响应，并形成具有明显波峰...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫金海，陶辉，潘海波，徐学武，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45