基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法，系统包括光纤干涉传感模块和信号解调模块；光纤干涉传感模块用于将声发射信号调制为拍频光强信号；信号解调模块用于从拍频光强信号中解调出声发射原始信号；光纤干涉传感模块包括激光源、声光调制器、驱动源、第一光电耦合器、第二光电耦合器、参考光纤和传感光纤，信号解调模块包括信号发生器、光电探测器、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA处理器和ARM处理器。本发明专利技术环境适应性好，可提高运算速度，减小上位机运算资源需求。运算资源需求。运算资源需求。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法


[0001]本专利技术涉及声发射信号检测
，更具体地说是涉及一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法。

技术介绍

[0002]声发射(Acoustic Emission,AE)是指材料在受到外部或内部载荷作用时，局部损伤源快速释放能量而产生瞬态弹性波的物理现象。从承受载荷作用后逐渐变形，到最终发生滑移、错位、裂纹扩展以及断裂等现象的过程中，材料均会产生不同程度的声发射信号。利用传感器持续检测声发射信号，可得到结构体在载荷下的实时健康状况，从而对其缺陷、故障等进行预测和管理。
[0003]声发射检测技术是一种被动检测技术，它对材料发生各种形变过程中产生的高频超声信号(通常为20KHz
‑
500KHz)进行检测，无需额外的信号源激励，逐渐成为无损检测领域的重要研究方向。相较于其他无损检测方法，声发射检测技术不会因缺陷的形状、大小、所处位置等特性参数而影响最终检测结果，广泛应用于地质环境、石油化工、航空航天、电力工业、工程建造等领域。
[0004]目前，针对声发射信号检测应用广泛且实现商业化的传感器为压电陶瓷声发射传感器，其基于压电效应敏感声发射信号的质点运动，产生压缩和拉伸，经压电转换后，进行电信号处理，本质上是一种电学传感器，易受电磁干扰，且在远距离传输时，电信号衰减过大。
[0005]基于光纤传感的声发射检测方法采用光纤声发射传感器。因光纤材料的物理特性，该传感器兼具信号传感与信号传输功能，灵敏度高、动态范围宽、可实时监测。相较于压电陶瓷声发射传感器，其具有抗电磁干扰、传输损耗低等优点。
[0006]光纤声发射信号检测系统主要由光纤干涉传感模块和信号解调模块两部分组成，其中，声发射信号解调模块的解调效果直接决定最终检测精度，其解调运算较为复杂。
[0007]目前，对于光纤声发射信号的解调多采用以AD芯片或高速数据采集卡采集数据，再传输给现场上位PC机进行数据解调的运算模式。在该模式下，可直接采用成熟的信号处理软件进行处理，使光纤声发射传感技术的研究更加便捷。
[0008]但随着光纤声发射传感器逐渐应用到工程场景中，暴露出了现有解调模式的一些不足之处，主要包括：解调运算系统仅限于工业现场工作，不适于远程传输运算，不适于组网工作，对空间局促、强电磁干扰等恶劣工业现场环境的适应性差；受PC机实时速率限制，完成复杂的解调运算需消耗大量上位机资源；PC机功能拓展性弱，影响了解调系统的通用性。
[0009]因此，如何克服现有不足是本领域研究人员亟需解决的问题。基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法为该问题的解决提供了一种思路。

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统及方法，利用FPGA与ARM结合的嵌入式硬件系统实现信号的解调与系统的功能拓展，在提高抗电磁干扰、分布式组网等能力的同时，对进一步提高光纤声发射检测系统处理速度、促进工程化应用有着重要意义。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0012]一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统，包括：光纤干涉传感模块和信号解调模块；
[0013]所述光纤干涉传感模块用于将声发射信号调制为拍频光强信号；
[0014]所述信号解调模块用于从拍频光强信号中解调出声发射原始信号。
[0015]优选地，所述光纤干涉传感模块包括激光源、声光调制器、驱动源、第一光电耦合器、第二光电耦合器、参考光纤和传感光纤；
[0016]所述第一光电耦合器用于将所述激光源发出的激光分为两束相干光，分别进入所述参考光纤和所述传感光纤；
[0017]所述传感光纤上设置有所述声光调制器，所述驱动源输出的其中一路驱动信号用于驱动所述声光调制器，所述声光调制器将所述传感光纤中光的频率移至高频段；
[0018]所述第二光电耦合器用于对形成光频差后的所述参考光纤和所述传感光纤的光进行干涉，形成拍频光强信号。
[0019]优选地，所述信号解调模块包括信号发生器、光电探测器、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA处理器和ARM处理器；
[0020]所述光电探测器用于将拍频光强信号转换为电信号输出拍频调相信号；
[0021]所述信号发生器用于输出固定频率正弦信号，正弦信号作为所述第一混频器和所述第二混频器的本振信号源输入；
[0022]所述第一混频器将拍频调相信号和本振信号源进行混频后输出传感中频信号；
[0023]所述第一低通滤波器用于将传感中频信号进行滤波输出传感信号；
[0024]所述第一AD转换模块用于将传感信号转换为数字信号；
[0025]所述第二混频器将所述驱动源输出的另一路驱动信号和本振信号源进行混频后输出参考中频信号；
[0026]所述第二低通滤波器用于将参考中频信号进行滤波输出参考信号；
[0027]所述第二AD转换模块用于将参考信号转换为数字信号；
[0028]所述FPGA处理器用于对转换后的参考信号和传感信号进行实时解调，还原出声发射原始信号，并通过所述ARM处理器进行人机交互，实现结果显示。
[0029]优选地，所述FPGA处理器包括数据采集控制模块、交叉相乘模块、反正切解调模块和信号分析模块；
[0030]所述数据采集控制模块对输入的参考信号移相90
°
，与输入参考信号构成一组正交信号；
[0031]所述交叉相乘模块通过乘法器IP核将传感信号与正交信号分别相乘得到两路混频信号，并通过低通滤波器滤除两路混频信号中的高频无用信号；
[0032]所述反正切解调模块用于将两路低通滤波器的输出信号进行相除运算，再通过反正切运算器对相除结果进行反正切求解，得到声发射原始信号；
[0033]所述信号分析模块用于将声发射原始信号采用数字信号处理算法进行时域和频域的分析，以适应多种场景应用需求。
[0034]优选地，所述声光调制器和所述第二光电耦合器之间的传感光纤为光纤环；所述参考光纤长度与所述传感光纤长度相同。
[0035]一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调方法，包括：
[0036]S1：通过光纤干涉传感模块将声发射信号调制为拍频光强信号；
[0037]S2：通过信号解调模块从拍频光强信号中解调出声发射原始信号。
[0038]优选地，S1具体包括：
[0039]将激光源发出的激光经第一光电耦合器分为两束相干光，分别进入参考光纤和传感光纤；
[0040]所述传感光纤上设置有声光调制器，驱动源输出的其中一路驱动信号用于驱动所述声光调制器，所述声光调制器将所述传感光纤中光的频率移至高频段；
[0041]所述参考光纤和所述传感光纤的光形成光频差后进入所述第二光电耦合器进行干涉，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统，其特征在于，包括：光纤干涉传感模块和信号解调模块；所述光纤干涉传感模块用于将声发射信号调制为拍频光强信号；所述信号解调模块用于从拍频光强信号中解调出声发射原始信号。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统，其特征在于，所述光纤干涉传感模块包括激光源、声光调制器、驱动源、第一光电耦合器、第二光电耦合器、参考光纤和传感光纤；所述第一光电耦合器用于将所述激光源发出的激光分为两束相干光，分别进入所述参考光纤和所述传感光纤；所述传感光纤上设置有所述声光调制器，所述驱动源输出的其中一路驱动信号用于驱动所述声光调制器，所述声光调制器将所述传感光纤中光的频率移至高频段；所述第二光电耦合器用于对形成光频差后的所述参考光纤和所述传感光纤的光进行干涉，形成拍频光强信号。3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统，其特征在于，所述信号解调模块包括信号发生器、光电探测器、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一AD转换模块、第二AD转换模块、FPGA处理器和ARM处理器；所述光电探测器用于将拍频光强信号转换为电信号输出拍频调相信号；所述信号发生器用于输出固定频率正弦信号，正弦信号作为所述第一混频器和所述第二混频器的本振信号源输入；所述第一混频器将拍频调相信号和本振信号源进行混频后输出传感中频信号；所述第一低通滤波器用于将传感中频信号进行滤波输出传感信号；所述第一AD转换模块用于将传感信号转换为数字信号；所述第二混频器将所述驱动源输出的另一路驱动信号和本振信号源进行混频后输出参考中频信号；所述第二低通滤波器用于将参考中频信号进行滤波输出参考信号；所述第二AD转换模块用于将参考信号转换为数字信号；所述FPGA处理器用于对转换后的参考信号和传感信号进行实时解调，还原出声发射原始信号，并通过所述ARM处理器进行人机交互，实现结果显示。4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA和ARM的光纤声发射信号解调系统，其特征在于，所述FPGA处理器包括数据采集控制模块、交叉相乘模块、反正切解调模块和信号分析模块；所述数据采集控制模块对输入的参考信号移相90
°
，与输入参考信号构成一组正交信号；所述交叉相乘模块通过乘法器IP核将传感信号与正交信号相乘得到两路混频信号，并通过低通滤波器滤除两路混频信号中的高频无用信号；所述反正切解调模块用于将两路低通滤波器的输出信号进行相除运算，再通过反正切运算器对相除结果进行反正切求解，得到声发射原始信号；所述信号分析模块用于将声发射原始信号采用数字信号处理算法进行时域和频域的分析，以适应多种场景应用需求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李帆，从政，赵建辉，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：