基于FPGA的分布式光纤传感高速信号探测系统研究

作     者：韩新颖 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：文泓桥

授予年度：2019年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：高速信号处理 现场可编程门阵列 弱光纤光栅阵列 光时域反射 

摘      要：泥石流地声的监测和高压传输网络的安全预警,对分布式光纤传感的高速连续处理能力提出了越来越高的要求。为了解决传统的上位机信号处理方法解调速度缓慢,有效数据丢失的问题,将现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)与分布式光纤传感技术结合,构建基于FPGA的分布式光纤传感高速信号探测系统。待测光信号由高速A/D模块转换为数字信号,并在FPGA内进行解调,最后用PCIe高速串行协议将解调数据传输到上位机进行显示,从而实现了对传感信号的高速连续解调。本文的主要研究内容如下:(1)针对瑞利散射信号强度较弱,解调信号信噪比低的问题,研究一种基于弱光纤光栅阵列的增强型φ-OTDR系统,分析激光器不同线宽,多次反射串扰和光谱阴影效应对FPGA高速信号处理可能带来的噪声影响。理论分析滑动平均算法对减少系统噪声的必要性,并提出一种改进的反正切解调算法。对算法分别在理想情况,相位不对称和直流量不相等的情况下进行仿真,验证算法的正确性并且进行可能存在的误差分析。(2)研究FPGA设计流程和逻辑模块具体实现方法,并分析跨时钟域信号和流水线处理方法,用Verilog语言实现以FPGA为主控制器的高速信号探测逻辑模块。分析ADI公司AD9250 A/D芯片的性能参数。分析比较两款Xilinx公司的FPGA芯片,并选定XC7A200TFBG676-2作为主控芯片。将滑动平均算法和反正切解调算法在FPGA里实现。(3)搭建基于FPGA的分布式光纤传感高速信号探测系统,根据应用场景研究局部放电所产生声信号的特点。实验结果表明本系统频率响应范围为100 Hz到18 KHz。在一次触发解调1000个光栅的情况下,能够达到20 KHz吞吐率,并实现长时间稳定运行。在实际局部放电情况下,实现对局放信号的准确测量,测量信号的频率范围为10 KHz到15 KHz。实验表明本系统的频率响应范围宽,灵敏度较高,能够对待测信号进行连续采集以及高速解调。