[發明專利]基于FPGA的光纖傳感系統的集成型控制方法

有效

• 申請號: 201610608564.2
• 申請日: 2016-07-28
• 公開（公告）號: CN107664962B
• 公開（公告）日: 2020-01-24
• 發明（設計）人: 崔珂;李珊珊;朱日宏;吳晗
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042;G01D5/353
• 代理公司: 32203 南京理工大學專利中心
• 代理人: 薛云燕

1.一種基于FPGA的光纖傳感系統的集成型控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，基于FPGA產生用于生成控制相位調制信號的數字電壓信號，并通過模擬變換電路轉換為能夠觸發相位調制器產生π/2相位偏移的模擬電脈沖信號；

步驟2，光電轉換器將光纖傳感系統的干涉光強結果轉換為模擬電學信號；

步驟3，模擬數字轉換模塊將模擬電學信號線性地轉換為光強數據；

步驟4，基于FPGA的實時控制和數據處理模塊生成控制相位調制信號的數字電壓信號，該數字電壓信號控制采樣窗口同步抽取有效的光強數據，根據移相調制法原理計算包裹相位，通過相位解包算法恢復絕對相位，并將相位結果格式化輸出；

步驟4所述基于FPGA的實時控制和數據處理模塊生成控制相位調制信號的數字電壓信號，該數字電壓信號控制采樣窗口同步抽取有效的光強數據，根據移相調制法原理計算包裹相位，通過相位解包算法恢復絕對相位，并將相位結果格式化輸出，具體如下：

(4.1)相位調制信號產生單元基于三步移相調制原理產生脈沖寬度為T_p和重復周期為T的相位調制信號的數字電壓信號，經由模擬變換電路處理后控制相位調制器產生的相位偏移；

(4.2)從干涉光強數據流中定位調制相位分別為0的三個時間窗口，分別抽取每個時間窗口內中心采樣位置對應的數據I_A，I_B，I_C作為有效光強數據；

(4.3)計算包裹相位θ_W，公式為

(4.4)基于區域生長算法計算與每個包裹相位對應的干涉級次k值，進而計算絕對相位θ＝θ_W+k·π；

(4.5)相位信息格式化和通信單元按照用戶定制的數據格式對相位結果進行組幀，通過USB或者TCP/IP通信協議接口將數據傳送給主機。

2.根據權利要求1所述的基于FPGA的光纖傳感系統的集成型控制方法，其特征在于，步驟(4.1)中所述脈沖寬度為T_p和重復周期為T的相位調制電脈沖信號，其中用n表示光纖折射率，c表示光速，ΔL表示干涉臂長的差值，則用s表示相鄰兩個傳感器之間距離，m表示光纖傳感系統的傳感器數目，對于三步移相調制原理，滿足T≥m·3T_p。

3.根據權利要求1所述的基于FPGA的光纖傳感系統的集成型控制方法，其特征在于，步驟(4.2)所述抽取每個時間窗口內中心采樣位置對應的數據，抽取原則為：在每個重復周期T內，抽取有效光強數據時的采樣窗口的時間原點是相位調制電脈沖信號的上升沿。

4.根據權利要求1所述的基于FPGA的光纖傳感系統的集成型控制方法，其特征在于，步驟(4.4)所述區域生長算法滿足以下條件：采樣間隔時間內由實際物理參數變化引起的相位數值的絕對變化量小于預設的常量型參數D_min且D_min＜π；

所述區域生長算法具體過程如下：令第一個包裹相位θ_W(1)對應的干涉級次k(1)為0，依次計算后一個包裹相位θ_W(i+1)與前面相鄰的包裹相位θ_W(i)的差值Δ，其中1≤i≤N，N為包裹相位的總數：

如果|Δ|≤D_min，則k(i+1)＝k(i)；

如果-π＜Δ≤D_min-π，則k(i+1)＝k(i)+1；

如果π-D_min＜Δ≤π，則k(i+1)＝k(i)-1；

其他情況下，視該包裹相位為無效的噪聲相位；

通過梯度連續性原則計算絕對相位：θ(i+1)＝2θ(i)-θ(i-1)。