（物理电子学专业论文）基于高速数字boxcar的布里渊dofs数据处理系统的实现.pdf

浙汀人学坝 学他论文 y 58 1 1 0 摘婴 摘要 本论文分析了分布式光纤传感器的原理平信号检测原理，实脱了布里渊散射d o f s 的信 峙处理系统，给山_ n 式验结果。本论文是国家8 6 3 项目“长距离海底管道分布式光纤传感技 术”l ：作的一部分。 论文在介纠光纤传感器的特点及分布式光纤传感器的原理和发展的基础上，通过分析被 检测的光纤布里渊后向散射信号的特点，比较了微弱信号检测的各种方法，最终选择了多点 数字信号平均( 数字b o x c a r ) 的处理方案，实现r 基于高速数字b o x c a r 的布里渊d o f s 数据处理系统。具体设计了由硬件电路和相应检测软件组成的数据处理系统，该系统由a d 采样芯片、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 芯片和u s b 2 0 协议控制芯片组成，并实现了各功能模块电路( 主要是基丁f p g a ) ，包括高速a d 采集、 数字叠加、高速存储、数据传送、计算机接口等，以及对采集到的数据进行相应处理的系统 处理软件，最终得到有_ | _ f j 的温度和应变信息。 本论文对于系统设计的思想和具体实现过程中的关键技术细节进行了详细的介绍，对于 所使川的新技术进行了具体的说明，并论述实际应用中各种可能出现的问题和有效解决方 法。通过反复的试验与调整，我们已经实现了数字b o x c a r 的数据a d 转换、高速采集、 基本叠加、存储平数据传送，以及可以通过数据处理提取有用的温度和应变信息的功能。在 实际实验中，能够完成以上功能。 在论文最后总结了本系统的缺点和实现难点，并提出了一些将来改进的设想。 柬璺怍誊、导师同麓 勃全文公布 塑! 兰垒兰塑1 兰丝堡些 垒竖! ：! 堡垒兰! a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u so nt h eb a s i so fd o m e s t i ct e c h n i q u e so fd i s t r i b u t e df i b e r - o p t i c a l ，t h e m e t h o d sa n d a p p r o a c h e so fs i g n a ld e t e c t i o na n dp r o c e s s i n gi nd i s t r i b u t e df i b e r - o p t i c a ls e n s o r s y s t e ma n dt h er e a l i z a t i o no ft h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m a n df o rt h ed i s t r i b u t e df i b e r - o p t i c a l s e n s o rb a s e do nb r i l l o u i ns c a t t e r i n g ，w eg a v et h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t ad i g i t a l m u l t i - p o i n ta v e r a g em e t h o d ( d i g i t a lb o x c a r ) h a sb e e np r o p o s e db a s e do i lt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es o r t so f f i b e r - o p t i c a l s e n s o r sa n d b ya n a l y s i s t h ef e a t u r eo ft h e b r i l l o u i n - s c a t t e r i n gs i g n a l ，a n da l s oc o m p a r i s o n so f a l ls o r t so f w e a k - s i g n a ld e t e c t i o nt h e o r y , a n d as i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mo f b r i l l o u i nd o f sb a s e do nh i g hs p e e dd i g i t a lb o x c a r , w h i c hi sm a d e u po f t h eh i g h - s p e e da d 、f p g ac h i p 、t h eu s bp r o t o c o lc o n t r o l l e rc h i pa n ds o f t w a r ew a s r e a l i z e dw ed e s i g n e dt h e h i g h - s p e e ds a m p l i n g ，d i g i t a la d d i n g ，h i g h s p e e ds t o r a g e ，d a t a t r a n s m i s s i o na n di n t e r f a c ec i r c u i t so fp cs u c c e s s f u l l y t h es o f f w a s ei s d e s i g n e dt og a t h e rt h e t e m p e r a t u r ea n ds t r e s si n f o r m a t i o nb yw h a tw eg e tf r o mt h eh a r d w a r ec i r c u i t t h ep r i n c i p l e so f s y s t e md e s i g na n dk e yp o i n t so f t h er e a l i z a t i o np r o c e s so ft h eb l u ep r i n ta r e d i s c u s s e d w ea l s os h o wt h en e wt e c h n o l o g yd e t a i l so ft h es y s t e md e s i g na n da l lt h ep r o b l e m s w h i c ho n e sm a ye n c o u n t e ra n dt h ee f f e c t i v es o l v i n gm e t h o d s b y t e s t i n ga n da d j u s t i n gt h es y s t e m a g a i na n da g a i n ，w eh a v e t h eb a s i cf u n c t i o n ss u c ha sa d d i n g ，s t o r a g e ，t r a n s m i s s i o no f t h ed a t ao f d i g i t a lb o x c a r ，a n dg e t t i n gt e m p e r a t u r ea n ds t r e s si n f o r m a t i o nb ya n a l y z i n gt h eo r i g i n a ld a t a t h er e s u l t sp r o v e dt h ev a l i d i t yo f t h es c h e m eo f t h es y s t e m d e s i g n f i n a l l y , t h ep r o b l e m sa n dt h ed i f f i c u l t i e so fe x p e r i m e n t a ls y s t e ma n ds o m eo p i n i o n so nt h e f u t u r ed e v e l o p m e n to f t h es y s t e mi sg i v e n 2 箱一奇 第一章绪论 1 1 光纤传感技术及其发展1 近年米，随着l ：业生产及人k 生活水平的逐步提高，高效与安全越来越被人们所重视。 为了实现1 、i k 生产的高效与安全，对生产过程的各个环节进行监测是必不可少的手段，日前 符种传感器技术已经被广泛应j 4 = | 于牛产过群的监测中，即使在民用的场合，旧可以看到各个 传感器技术的应用，如防盗报警器中的红外传感器、楼宇消防系统中的温度、烟雾传感器等。 在各种传感器技术中，光纤传感技术是近儿年得到迅速发展的技术。光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代末发展期米得一种新的传感技术，是伴随着光通讯技术和、r 导体技术发展而衍 生的一种新的传感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术。 光在传输过程中，光纤易受到外界环境的影响，如温度、压力等，从而导致传输光的强度、 相位、频率、偏振态等光波量发生变化。通过监测这些最的变化可以获得相应的物理量。光 纤传感器咀其体积小，重量轻而带来的结构简单、使用方便，耐高压、耐高温和抗电磁干扰 而带来的安全可靠，长的作i l i = | 距离而带来的高灵敏度的特点及优势，在与传统的电最，机械 量传感器的竞争中，日益的显示出其强大的生命力。众所周知，由于光纤传感技术是采用光 信号而不是电信号作为测量信息的载体，网此具有本质防爆特性，井具有体积小、精度高、 耐腐蚀、抗电磁干扰强、可传距离远以及操作简单、使用寿命k = 等一系列优点，特别是能在 极端恶劣危险的环境中t ：作，这在目前可以起到不可取代的作用。该技术的产业化可带动和 促进多个一【业领域的技术进步和发展，将给仪器仪表及其相关行业带来一次技术革命：将会 给i i 油、化l l 业的自动化计量和安全检测技术带来重大变革；大大提高冶金、化工、建材 等行业高温测量的自动化检测水平；为电力系统高压设备参数测量和安全监测提供新的手 段；为特人型i ：程的长期安全运行提供全新可靠的监测方法；还将带动和兴起一批为之配套 的加1i ：业利新型敏感材料、特种光纤等新材料t 业的发展。近年来，光纤传感器的研究开 发与应j 在许多国家特别活跃，一些发达国家更是投入了大量的人力、物力资源进行研究。 再种光纤传感器已开始进入航空航天、生物医学、军事装备、工业、交通运输及日常生活的 备个领域。 分布式光纤传感技术姓在7 0 年代末提出的，它是随着现在光纤上程中仍应用十分广泛的 光时域反射( o t d r ) 技术的出现而发展起米的。分布式光纤传感系统是一种删于实时测量 空间温度场分布的高新技术产品，它不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各 点的温度或者应变的分布式传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线儿十公 墨内各点的温度和应变，1 f 常适_ 【 = | 丁大范同多点测量的应用场合。从第个分布式光纤传感 太原理方案问世以来的短短l - j 1 年里，各种原理的新型分布式光纤传感器相继问世，并且可 剪帝 以预计将订更多、性能更优异的分布式光纤传感器走山实验室进入各个心_ l | ；| 领域。 1 2 分布式光纤传感技术的特点1 分布光纤传感技术j l 有i 司b , i 获取在传感光纤k 域内随时间和空间变化的被测量分布信 息的能力1 4 4 1 ，其基本特征为： 1 分布式光纤传感系统。f j 的传感元件仪为光纤； 2 一次测鼙就可以获取整个光纤k 域内被测量的。维分布幽，将光纤架设成光栅状， 就可测定被测堵的二维和一维分布情况； 3 系统的空问分辨力一般在米的量级，冈而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测 其平均值； 4 系统的测嚣精度与空间分辨力傲存在相互制约关系； 5 检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比； 由于z ：检测过稃中需进行人量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而 实现一次完整的测量需较长的时间 与传统传感系统相比，分布式光纤传感系统具有无可比拟的优点。表1 1 比较了分布式 光纤传感系统与传统传感系统的性能 比较内容分布式光纤传感系统传统传感系统 传感器分布特性检测点连续，可以全面检测被监视对蒙的检测点间断，只有检测探头接触的点，才 各点的情7 兄。检测范围火。能被检测。检测范制小。 光纤，不怕干扰，不怕高压，没有击穿、电子传感器，有电路通道，极易受电磁干 探头烧毁等担心。扰，对与高胝设备的绝缘要求特别高。检 修维护很难。 椅测信峙输1 t 5光信号，不受电力设备的电磁干扰。弱电信号，极易受到电磁干扰。 信吁通道光纤，探头与信号通道一体，和畸干扰，电路，对与高压设备的绝缘要求特别高。 小怕高挑，系统简单安全检修维护很难 榆测：光电技术椅测：模拟电子 信号处理技术传输：光信号传输：弱电信号 处理：高速数，技术处理：数字技术 系统日j 靠性高，取决与土机。低，受探头、信号传输通道、主机等拿部 设斋影响。 小带电，抗射频和电磁干扰、防燃、防爆、技术成熟、已被广泛接受。 j e 他特点抗腐蚀、耐高压和强电磁场、耐辐射，能 在各种青害的环境中丁作。 表i 1 ：分布式光纤传感系统o 传统传感系统的性能比较 从表中哉刷可以看山，与传统传感系统相比较，分布式光纤传感系统的传感信号是十分 微弱的信号，f 面我们通过介绍各种不i 司的分布式光纤传感系统米说明这个问题。 6 筇帝 1 3 分布式光纤传感技术的原理“川“7 1 分布式光纤传感系统是一种本征型的光纤传感系统，所有敏感点均分布丁一根传感光纤 i 。按j 分类依据的不同，起分类方式也不同。 按n s j - z t i 方式分，有两类：一类崖以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术 为基础的光时域分布式，兄类是以光波k 检测为基础的波域分布式。时域分布式的典型代 表是分布式光纤温度传感系统，技术上已趋于成熟。随着光纤光栅技术的日臻成熟，分布式 光纤光栅传感技术发展很快，已开始在智能材料结构诊断及告警系统中得到应j _ 1 ：j 。利用光纤 光栅不仅可制成波域分布式光纤传感系统，而且可制成时域波域混合分布式光纤传感系 统，还川以聚州空分复_ i _ j 技术，组成更加复杂的光纤传感网络系统。 按照测苗的信息分，可以分为分布式光纤温度传感技术和分布式应变传感技术等等。依 据信号的性质，该类传感技术可分为3 类：1 利用后向瑞利散射的传感技术；2 利用喇曼效 应的传感技术；3 利刚布里渊效应的传感技术。下面我们就重点来介绍这几种传感技术。 1 3 1 基于光纤光时域反射的瑞利散射系统的分布式光纤传感器 1 9 8 0 年罗杰斯首次提出了利用o t d r 原理来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光 脉冲被注入到纤维波导中去时，利h j 光雷达原理，该系统通过测后向散射光强随时间变化的 关系来检布光纤的连续性并测出其衰减。 当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射。 入射光经背向散射返同到光纤入射端所需的时间为t ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2 l = c ( n t 1 。c 为真空中的光速，n 为光纤的折射率。在t 时可测量到的是离光纤入射端距离 为l 处局域的背向瑞利散射光。片 o t d r 技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点和端 点的位置，因此也可成为光纤光雷达。 光纤中最强的散射过程就是瑞利散射，但它也大约只是入射光的一4 5 d b ，因此实现基于 瑞利散射的全l 蚓光纤温度分布系统是很困难的。光学时域反射法( o t d r ) 能够探测出光纤 中模式耦合点的位置。但这种方法是咀微弱的瑞利散射为基础的，系统而且需要足够长的时 间才能获得较高的信噪比，测试精度也不高，系统调整困难，结构复杂，不利t - 实川。 在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射( o t d r ) 结构来实现被 测晕的空间定位，典型传感器的结构如下图所示依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作j _ f j ， 该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。 笫市 祷感嚣壤 幽l i后向散射掣分布，光纤传感器摧本系统框图 a 强度调制型 当一束脉冲光在光纤中传播时，由丁光纤巾存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散 剿如果外界物理量的变化能够引起光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数的变化，那么通 过检测后向散射光信号的强度就能够获得外界物理量的大小目前基于对后向瑞利散射光进 行强度调制的传感器有利用微弯损耗构成的分布式光纤力传感器、利用光纤材料在放射线照 射r 所引起光损耗构成的分布式辐射传感器，利用化学染料对光的吸收特性构成的分布式化 学传感器，利崩液芯光纤瑞利散射系数与温度的关系构成的分布式温度传感器 b 偏振态调制型 偏振态光时间域反射法( p o t d r ) 最初是由r o g e r s 提出的，其基本原理是，如果光纤 受些外界物理量的调制，那么光的偏振态就会随之发生变化，而瑞利散射光在散射点的偏 振方向与入射光相同，所以在光纤的入射端对屙向瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间 进行检测就可获得外界物理量的分布情况由于磁场、电场、横向压力和温度都能够对光纤 中光的偏振态进行调制，因此该技术可用于实现多个物理量的测量 基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在8 0 年代初期得到 了广泛的发展然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷，目前在这方面的 研究已鲜有报道 1 3 2 利用拉曼( r a m a n ) 背向散射的光时域反射测量分布信息 光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生喇曼散射，波长大于入 射光为斯托克斯光，波妊小于入射光为反斯托克斯光斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比 和温度的关系可由f 式表示： r ( t ) = ( 五n 五月) 4e x p ( 一h c u k t ) ( 1 - 1 ) 式中h 一普朗克常数； c 一真空光速； k 一波尔兹曼常数； 7 1 一绝对温度 且一 蒴章 闪而这一天系与光时域反射技术结合就可构成分布式温度传感器采_ l j 斯托克斯光与反 斯托兜斯光的强度比可消除光纤的h 有损耗和不均匀性所带来的影响 利川改进的0 1 d r 技术探测拉曼散射可以确定沿光纤艮立上的温度分布。住频域毕， 喇曼散射光子分为s t o k e s 和反s t o k e s 喇曼散射光子。s t o k e s 喇曼散射频率u 。和反s t o k e s 喇 曼散射频率u 。为 u s = u ( 】一l ) ( 1 2 ) u a=u o 。u 式中u 为光纤的分子的振动频率。在光纤l 处局域的s t o k e s 曼散射光子数n ，和反s t o k e s 曼散射光子数。为 。= k ，s 。? ，e x p 【_ 如。+ 口，扛k ，仃) f 1 3 1 n 。= k 。s o , n oe x p - ( 瑾。+ ) q r 。( r ) 、7 式r pk ，k 。为与光纤s t o k e s 和反s t o k e s 喇曼散射截面有关的系数；s 为光纤的背向散射 n - # ；j 。，屹为s t o k e s 和反s t o k e s 喇曼散射光子频率；a o ，口，口。分别为入射、s t o k e s 和反s t o k e s 喇曼散射光频率的光纤传输损耗；l 为光纤待测局域处的长度：r ，仃) ，月。p ) 为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数，并有 月，仃) = 【l _ e x p ( h a o k t ) 1 _ 1 疋口) = 【e x p 伪叫胛) 一1r 】 采_ i _ j 光纤的瑞利散射o t d r 曲线来解调反s t o k e s 喇曼o t d r 曲线，则反s t o k e s 喇曼散 射0 瑞利散射光子数的比值为 丽n o ( r ) = 惫时晰嘏砜m ( 1 _ s ) 在实际测量中，用t = t o 已知起始温度的上式来确定光纤上各局域点的温度。通常瑞利 散射不依赖于温度，n 。仃) = j v 。( t o ) ，则 粼= 船= 丽 e x p ( h 厕a u k t o ) - 1 m e ， 在实际测量时，上式r p 与光子数比值相应的信号电平的比值在实验中可测到，起始温度 为已知，则从上式可确定光纤上各点的温度。 基丁喇曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术， 传统方法相比，提高了系统的相对灵敏度年【1 系统的测温精度，扩展了系统的功能，降低_ ：r 系 第一章 统的成本。喇曼分布式光纤传感器的唯一不足之处是返同信号相专弱，冈反s t o k e s 喇曼散 刺比瑞利散射强度要弱2 0 3 0 d b 。为了避免信号处理过料中信号平均时间过k ，脉 j 激光 源的峰值功率相当高。对该技术开展研究i 作的有英国的k i n g 人学，中国的重庆火学年中 国汁苗学院蹦前该类传感器的一些产，已出现在国际、国内市场，最为蕲名的是英国 y o r k 公司的d t s s 0 ，它的空间分辨力和温度分辨力分别能达到1 m 、1 ，测颦范同为4 8 k m 。 1 3 3 基于布里渊( b r i l l o u i n ) 散射的分布式光纤传感器蚰u 们 布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波相互作川的结果。这个传播的压力波等效于 一个以一定速度( 且具有一定频率) 移动的密度光栅，因此，布里渊散射町看作是入射光在 移动的光栅l 的散射多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。当某一频率的散射光与 入射光、h 力波满足相位匹配条件时，此频率的散射光强度为极大值。而由丁散射介质的声 波频率与其温度、应力等因素有关。因此。通过检测最强散射光的频率就可以间接地知道散 射介质的温度、应力等情况。这就是利崩布里渊效应的分布式光纤传感技术的基本原理。目 前采用布里渊散射的光纤传感技术主要有时域法和频域法两种，相对于时域法，频域法的工 作带宽窄不需要高速采样电路，但是测量时间长，信号处理复杂。这里我们就不做过多介 绑。而时域法主要有：布里渊时域反射计法( b o t d r ) 和布里渊时域反射分析技术( b o t d a ) 。 这两种技术的主要区别是b o t d r 利用白发的布里渊散射，而b o t d a 技术则利用受激布里 渊散射f 面我们分别介绍。 1 布里渊时域反射分析技术 b o t d a 技术最初是由日本n t t 的h o r i g u c h i 提出的，它是作为一种没有破坏性的光纤损耗 测譬技术而提出的，在明确应变和布里渊频移之间的相互关系之后，b o t d a 便发展成为一 种应变测母技术。当两束泵浦光在光纤中反向传播，并且二者的频差等于布里渊频移时，弱 的泵浦信号将被强的泵浦信号放大，称之为布里渊受激放人作用，技术便应用了这一原理。 基丁该技术的传感器的典型结构为布里渊放人器结构，如下图所示。采用两个光源分别作为 泵浦脉冲光和探测连续光，其信号可以是布里渊增苘信号，也可以是布里渊损耗信号。当光 纤的某一部分发生应变时，那里的布里渊频移便发生变化，结果引起这部分b o t d a 信号的急 剧衰减，调谐使入射泵浦光和探测光之间的频差等丁布里渊频移，便能接收到该点的布里渊 散射信号。冈此，利用b o t d a 可以测到光纤沿线任一点的布里渊散射频移。应用布里渊频移 与温度，廊变之间的关系，便可以得到光纤沿线任一点的温度和应变分布。 当脉冲光的频率高丁连续光的频率时脉冲光的能量向连续光转移，这种传感方式称为 布里渊增益型；当脉冲光的频率低于连续光的频率时，连续光的能量向脉冲光转移，这种传 感方式称为布里渊损耗型相比之f ，在其他条什相同时，布里渊损耗信号能够测量的距离 k 。冈为脉冲光在沿光纤中传播时被放大，冈此利j _ ；j 布里渊损耗信号的测量具有一定的优越 性。 0 第一章 图1 2 基十受馓布里渊效庵的分布式光纤传感器框图 b 0 r d a 系统的显著特点是：1 ) 动态范围人，测量精度高，但系统较复杂；2 ) 泵浦激光 和探测激光必须放在被测光缆的两端，因而给实际应用带来一定的困难；3 ) 不能测断点， 应_ 1 4 _ j 条件受到b 制 h o r i g u c h i 等人曾指出早期基于布里渊散射的光纤传感器包含了系统误差，这将会限制传 感器的性能1 9 9 9 年，eg e i n i t z 等人提出对系统误著进行补偿，实验测试了1 2 k m 光纤，温 度误差从2 0 降到3 ，应变误差从8 3 3u 降：1 j 3 3u ，空间分辨率2 0 m 1 9 9 9 年，a n t h o n y w 等人比较全面系统的分析了影响基于布里渊散射的分布式光纤传感器精度的因素及相互关 系，通过调整激光脉冲宽度，系统信噪比，布里渊线宽，光纤长度等来得到较小的应变和温 度误著以及较高的空间分辨率实验结果，在5 0 0 m m 的空间分辨率应变误著2 0ue ，在2 5 0 m m 的空间分辨率应变误差为4 0ue ；信噪比每f 降1 0 d b ，应变误差提高1 0 倍，布里渊线宽每增 加1 0 m h z 应变误著提高1p 。 2 自发稚里渊散射分布式光纤传感技术 光通过光纤h 十，光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，发生白发 布里渊散射。散射光的频率相对入射光的频率发生变化，这一变化的大小与散射角和光纤的 材料特性有关与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响，因此， 通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测冒t k a c h 等人在 1 9 8 9 年提出了种基于该原理的分布式传感器。p a r k e r 等人于1 9 9 7 年通过实验观察到温度、 应变1 i 白发布里渊散射光的功率分别存在正、反比例关系，并依据布里渊散射光的频移与温 度雨l 戍变的变化成正比的实验结果而提出，通过求解功率变化与频率变化的耦合方程可实现 单根光纤上温度与应变同时测量。 b o t d r 系统的优点为：1 只需住光纤。端测嚣，应用方便；2 单个激光器实现2 i 外差一作， 容易精确控制脉冲光! - j 连续光的频著；3 若本振光功率足够人，可获得最小可探测光功率； 4 外芦接收机加窄带滤波器可提高频率分辨率；5 用电子滤波器可以将布m f f * l 散射光信号与 第章 瑞利背向敞射光信号分开。 b a r n o s k 提出的光时域反射( o t d r ) 技术是实现分布式光纤传感的关键技术。光脉冲进人 光纤，f 亓，光子与光纤中的粒f 会发牛弹性和非弹性碰撞，在光脉冲传播的反方向就会出现散 射光，通过测定该散射光的同波时闻就可确定散射点的位置。 光纤中布县渊频移v 。土要由人射光频率v n 、光纤介质折射率v 、光纤内卢速v 等决定： v = ( 2 v o c ) n v ( 1 7 ) 其中，c 为真空中光速。当光纤的温度平成变发生变化时，光纤介质的折射率和声速会 发生相应的变化，从而导致布里渊频移的改变。通过检测布里渊频移的变化量就可获知温度 利戍变的变化量。 一泵浦脉冲光与一探测连续光分别从两端注入光纤，当两者的频率差处于布里渊增益带 宽内时。两束光相遇时会发生相互问的能量转移，该现象被称为布里渊放大效应。两束光在 相遇点处的能量交换满足以下关系： ，j ip = 一g l ：w i r a p t 1 - 8 ) _ di c w ：一g i c w jp 十出? f a z 。：堕坠望： 6 “q 口( r ) 一q 】2 + ( r 。2 ) 2 ( 1 9 ) ( 1 - 1 0 ) 其中，为脉冲光的光强；f 为连续光的光强，= 为两束光的作用距离；口为光纤 的散射冈子；r 。为布里渊增益带宽；q 为两束光的频率差；q 月( 丁) 为与温度相关的布里 渊额移；g 为布里渊增益冈子；g 。为布里渊增益极人值；y 为偏振态因子。对式( 2 ) 、( 3 ) 进行数学迭代，井考虑布里渊增益系数是光纤k 度的函数，可得出( 2 z v ) 时刻连续光的光 强为： i ：v = i ( ，w b e x p 一a l 一 ( 州，2 、 i g ( z ) ，p ( z ) d z ) 其中，( 。为连续光从光纤另一端射出时的光强；f ，o 为连续光锅台到光纤时的光强 上为传感光纤的长度；z 为连续光与泵浦光最初作用点距光纤一端的长度；v 为光纤中的光 速：w 为泵浦光脉冲的宽度。 当脉冲光的频率小丁连续光的频率，i 里渊增益因子取负值，脉冲光将接收能量而得到 增强，连续光的强度则减弱。当两束光的额差等于相遇点处光纤的布里渊频移，布里渊增益 冈子达到最人值，两求光的能量交换作州将达到最大。通过连续调整两爪光的频差，菇实时 2 浙汀人学坝i 学位论文 第章 检测利比较连续光的光强，就可确定光纤箨段的布里渊频移，即实现温度荆i 应变的测鲑。 们是，扣刘丁b o t d a 来说，由丁b 0 7 d r 利川的是自发布里渊散射，其强度比受激布 里渊散射要弱，冈而b o t d r 的传感信号更加的弱，这样，给信号的提取分析带来了更人的 【! | 难。 往本课题中，我制所研究的就是白发布里渊散射分布式光纤传感技术。 综上所述，由j ：光纤中1 f 线性效应1 f 常微弱，网而我们所要分析的信号是淹没在人量噪 声里的微弱信号，需要使j | _ i 专门的方法米提取和测鲑。 1 4 论文的结构以及主要工作 本沦文着重分析r 基r 布里渊散射分布式光纤传感器的信号检测的特点，实现了信号处 理系统，主要结构为： 第一章概述分布式光纤传感器及其发展、特点及应用前景，着重介绍了几种不同的分布 式光纤传感器及其检测信号的特点。 第二章介绍微弱信号检测的原理和方法，由此给山数字信号平均器( b o x c a r ) 系统设计 的理论依据和系统构成。 第三章则详述了基于高速数字b o x c a r 的布里渊散射d o f s 数据处理系统的实现。其中包 括a d 变换、高速数字b o x c a r 和u s b 2 0 控制器及计算机软件设计思想和实现方法 第四章总结在硬f ， ：、软件的具体的设计方法以及调试中遇到的问题、处理方法以及实验 结果。 第五章则给“5 了本课题的前景展望。 在课题研制中，本人主要承担了以f 工作： l 、全面分析国内外有关文献和技术资料的基础上，采j j 最新的设计思想，充分利用计算 机资源，实现了以超高速a d 、高速缓存、外部硬件加法和计算机软件处理为核心的新型多 点数字式信号平均器方案。 2 、基丁该方案，成功设计并调试了浚方案的具体硬件电路。采用以a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p 2 0 k 1 0 0 e 为数字算法实现结合前端的a d 信号采集芯片和后端的u s b 芯片构建了完整 的数字b o x c a r 系统板，包括原理图设计、p c b 设计、可编程器件的电路设计圾其调试。 3 、根据布里渊散射信号的频移和温度应变的关系，捉山了自己的提取信息方法，并编制 了相应的处理软什，能够较准确地获得温度和虑变信息。 4 、摸索了一套系统调试的方法和步骤，为后续开发和研制积累了经验。并在此基础上， 完成了电路的改进和优化设计，进一步提高了整体性能。 第一章 第二章信号检测与处理系统的基本原理及总体设计 2 1 被测信号特点 在实际的d o f s 系统中，川一个较低重复频率的方波脉冲来( 脉宽为1 0 0 n s ，霞复周期为 2 k i t z ) 触发激光器i 一作，每次触发斤，由激光器发射的脉冲光经过调制等等处理后注入传感 光纤中，在光纤上各点上的产生的白发布里渊散射，沿光纤传播返吲到注入端，经过定向耦 合器输出，在输出端检测到的是一列展宽了的散射波形，这个波形的重复周期与触发脉冲相 同。根据光速计算光纤反射回来的b r i l l o u i n 散射光信号所形成的是一个宽度为5 0 0us 的 包含许多频谱分量的不规则的脉冲信号。这个信号是甚为微弱的，由丁受传感器本底与测量 仪表的噪声影响，表现出来的总效果是，有用的被测信号被大量的噪声和干扰所淹没，使测 簟变得十分的凼难。基于本系统被测信号的特殊性，常规的信号检测方法已达不到所需的性 能要求，只有采用专f j 的弱信号检测技术才能在强噪声中提取如此微弱的信号。下面介绍微 弱信号检测的基本原理和方法。 2 2 微弱信号检测的基本原理和方法n 1 2 1 微弱信号检测的目的乃是利用电子学的、信息论的和物理学的方法，分析噪声产生的原 因和i 规律，研究被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声覆盖的弱信号。从某种意义上来 说，它是一种专门与噪声作斗争的技术：只有抑制噪声，才能取出有用信号。而信噪比的改 善则标志着微弱信号检测技术的进步。 除噪声外，实际上还存在干扰，它与噪声有本质的区别。噪声有一系列水机电乐组成， 其频率和相位都是彼此不相关的，而且是连续不断；而干扰通常都有外界的干扰源，是周期 的或瞬时的、有规律的。我们使用的微弱信号检测方法只能抑制噪声，而不能抑制干扰。 通过分析本系统的被测信号的特点，该微弱信号虽然淹没在强噪声中，但是它是周划性 信号，这一与噪声的本质隧别为我们提供了信号提取的途径。淹没于噪声中的快速时间变化 的微弱信i 的波形恢复，必须在信号出现的周期内将时间分成干个间隔，时间间隔的大小取 决丁要求恢复信号的精度。然斤对这些时间间隔的信号进行多次测量，并加以平均。某一时 间间隔的信号幅值通过取样方法获得，而信号的平均则可通过积分，或者利用计算机的数据 处理来实现，这种方法称之为“取样积分”与“多点平均”。前者常用丁模拟方法，后者适 川_ ：r 数字处理。 一种专门为恢复被噪声覆盖的微弱信号波形的技术被称为b o x c a r 。9 - 在2 0 世纪5 0 年代 初，英国的神经号家d a w s o n 提出了b o x c a r 积分的概念；1 9 5 5 年h o l c o m b 提出了取样原理； 第一章 1 9 6 2 年加利福尼弧人学劳伦茨实验室的k 1 e i nj i ti u 子技术予以实现，称作b o x c a r 积 分器( 或取样积分器) ，它的基本概念是取样和平均( 积分) 同叫进行，随着取样门的移动 而将波形慢速恢复并描记山米。b o x c a r 积分器的山现使从噪，：州- 恢复信号这一难题得以成 为现实，它仃极高分辨率以及高频信号处理的优点。 b o x c a r 积分器输入的信号，每周期只取样一次，冈此取样效率很低，对低重复频率的信 号恢复需要极k 的时间但是b o x c a r 积分器刘恢复高重复频率的快述瞬变过程订十分理想 的分辨率。 随着计算机技术的发展和电f 技术的提高，可以对一个周1 j 】内不只是取样一个点，是多 点取样，例如2 5 6 点，1 0 2 4 点，则可充分提高信号波形的利川率。b o x c a r 积分器只有一个 积分器，冈此每次取样需要一个周 i j ，但如果我们设置n 个积分器，则每个周期内的信号可 以取样n 次，取样效率提高r l 倍，这就是模拟多点平均的思想。多点平均弥补了b o x c a r 积 分器的不足，它对低重复频率的信号处理尤为方便，但b o x c a r 积分器的优点却是一般多点 平均器的不足，因为早期计算机的速度较低，从而人人限制了多点平均器重复频率的提高， 另外当时采保电路a d c 的速度也使所恢复波形的分辨率受到限制。 近儿年来，计算机技术突飞猛进，其运算能力和速度都得到了极人的提高，使得采用数 字处理技术实现多点平均成为可能。如果用计算机的存储器代替n 个积分器，由丁存储器无 限保持时间的优越性，使数字多点平均得到发展并广泛应用。 鉴丁b o x c a r 积分器与数字多点平均各自的优点，目前的发展已将两者融合一起，构成新 的时域平均系统，这就是本论文讨论的数字b o x c a r 积分器。 从本系统信号的特点出发，采用时域平均技术来实现对被测信号波形的恢复。这种技术 利用同步相关检测原理对被测信号多次取样并叠加平均，周期性的有用信号不断得到加强， 而无规律的噪声在多次甲均中由于其本质的非相关性会趋向于零，这样就达到了抑制噪声的 目的。卜| 面我们先介绑同步相关检测的基本原理，在此基础上再简介时域平均技术的原理和 方法。 2 2 1 同步相关检测原理 1 相关函数 殴两个信号对x ( t 1 ，y ( t ) 输入同一电路 如果x ( ，) 干y ( t ) 是能量有限信号( 单脉冲、 但由于某种原冈两个信号间产生了时间延迟 非周期信号等) ，则它们的相关函数可定义为 k 。= i x ( t ) y + ( 卜f ) m = 杪( 眦( h f ) d r ( 2 - 1 ) 第二章 k 矿p ( 帆+ ( f - f ) 新= p ( 咖( f + f ) a t ( 2 - 2 ) 可见，相芙函数是两信号之问时延f 的函数，若x ( f ) ，y ( f ) 不是同一信号，则k w 、k ”称 为互相芙函数，若x ( ，) ，y ( f ) 是同一信号，即y ( f ) 一x ( f ) ，则它们的_ 1 = 口关函数k 。称为臼 相必函数，即 k 。= p ( f ) x + ( 卜r ) 饥= p ( f ) x ( h r ) a t ( 2 - 3 ) 如果x ( t ) ，y ( t ) 是功率有限信号( 如周期信号、阶跃信号及随机信号) 则因为在 一。， + o 。 区间里功率函数不可积，上述定义的相关函数失去意义。通常把这类信号的相关函数 定义为 k w ( f ) ! 鳃导x w 1 一r ，2 k 。( r ) = 姆亍1 一t 拶1 2 ) y p r ) d t r ) d t ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 互相关函数用以度量埘个随机过程间的相关性。如果两个随机过程的发生互相独立( 如 信吁j 随机噪卢) ，则互相关函数将是一个常数，它等于两个函数的平均值的积：若其中自 一个平均值是零，则互相关函数处处为零。 其白相关函数为： r ) d t ( 2 6 ) 白相关函数用以度量| 亩】个随机过程前后的相关性，当随机函数不包含周期性分量时， 白相关函数将从f = 0 的最人值开始，随f 的增加单调下降，当r 趋进丁无穷人时，随机函 数x ( f ) ，的自相关函数趋近x ( ，) ，平均值的平方，如果平均值为零，则k x y ( r ) 随f 的增大而 趋近丁零。 2 相关接收 相关接收技术是应i j 信号周期性和噪声随机性的特点，通过白相关或互相关运算，达剑 去除噪声的一种技术。本系统时域信号平均技术采川的是：互相关技术，卜_ 面就详细介纠_ 相 t 6 o x )( h l r n r y 一丁 m 埘 i | ) f (盯 k 第一章 芙接收。 轰( 幽2l丰 | 关援收1 i 总幽 设发送信号的周划或频率已知，在接收端产生一重复阁期，发送端相同的“干净”的本 地信号，将本地信号与混有噪声的输入信号进行相关，就可以有效地抑【r 噪声，提高系统的 抗下扰性能。 设输入信号为_ ( r ) = 5 】( r ) + n ( f ) 本地信号为 ( t ) = s 2 ( r ) 则互相关函数 r i 2 ( 护魄寺p 肿叫出 = 嫩万1t f l ( t ) s 2 ( t - r ) 西+ 寺蹦h ) 衍 = r m 2 ( f ) + r 。2 ( f ) = r m 2 ( f ) ( 2 - 7 ) 因为5 2 ( r ) 与噪声问没有依附性，故尺。( f ) 为零，但值得注意的是t 此种情况只有在 计葬相关函数求平均值的时间比较长时，r m ( f ) 才趋近于零，才有可能得到较高的输出信 号信噪i f , ，而求平均值时间比较长时，又要求s l ( f ) 与5 2 ( f ) 的重复周期严格一致。 2 2 2 取样与时域定理 时域取样定理可描述为：若有。个时间信号用厂( f ) ，其最高频率分量为厶赫兹，j l l 【j 当 以高丁2 厂埘赫兹的采样间隔对此信号进行采样，可以不失真恢复该时间信号函数。 实际上，为保证信号质量，选用的采样频率一般都大丁采样定理所要求的最小采样频率 而选川信号最高频率的三剑四倍，取样方式可分为实时取样和变换取样两种。 实时取样丝在被取样信号的一次有效持续时间内，无失真的取出重现原信号所必需的全 部丰= i = ，这种取样疗法即为实时取样。显而易址，实时采样的优点在于对信号波形的采样效 率高洲此适j _ jt 二对恢复信号波形实时性要求高的场合。其缺点在于对取样速率要求高，冈 7 浙江人学坝 。学位论史 第二章 此1 i 雯什实现的成本较高，冈为根据采样定理，采样频率必须人j 。信号所含最高频率分 皱的两倍，所以，实时取样多j | j 丁低颜信号的处理。 变换取样即等效时间取样，在每个信号周期或每隔整数个信号周期取出一个样。铺，并1 4 _ 取样时间比前次延迟，丁是取样时问间隔等j 二信号周期整数倍加a t ，如此取出的样1 哐新皇h 成了一个信号，新纽成的信号的形状与原米信号相似，但在时间刻度上比原信呼增k 了若十倍。变换取样人人降低，对整个系统他频率要求，很适合高频信号的采样，但取样效 率太低，对重复频率低的信号取样需要冗长的积累时间。而本系统光脉冲重复频率为5 k h z 刮1 0 k i l z ，频率较低，加之要求系统对温度分布的测量具有实时性，_ l | = | 变换取样要花费很k 的秘累时间，显然不合适，故选择实时取样作为本系统的取样方式。 2 2 3 时域信号平均技术 以刊步相关检测原理为基础的时域信号平均技术，能将待测的重复信号逐点多次取样进 行同步积累，从而从噪卢中恢复信号波形。它分为单点信号平均器和多