[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

本發明公開了一種基于FPGA的光纖傳感系統集成控制方法和裝置，該方法包括基于三步移相調制原理產生相位調制信號，從合適的采樣窗口抽取光強數據，計算包裹相位，以及依據區域生長算法計算絕對相位。所述裝置包括光電轉換器，模擬數字轉換模塊，基于FPGA的實時控制和數據處理模塊，相位調制信號模擬變換電路；其中基于FPGA的實時控制和數據處理模塊包括相位調制信號產生單元，光強數據抽取單元，相位計算單元，相位解包單元，相位信息格式化和通信單元。本發明集成型控制裝置系統集成度高、對功能器件的需求量極少，顯著降低了成本。此外，由于FPGA具備可編程重配的特性，該裝置還具備可重配性和靈活性，擴展能力強。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，特別是一種基于FPGA的光纖傳感系統的集成型控制方法及裝置。

背景技術

光纖傳感器具有重量輕，抗電磁干擾，靈敏度高，安全可靠，耐腐蝕，可進行分布式測量，易于組網等諸多優點，已經被應用在油井溫度與壓力測量、輸油管道監測、測井技術、地震波監測等方面。光纖傳感器一般是基于干涉的原理，將傳感探頭感知的應力、溫度、加速度等物理參量，線性地轉變為干涉雙臂中信號臂的相位變化，并以干涉光強條紋的形式反映出來。光纖傳感器的干涉光強一般連接光電轉換器以獲得與光強成比例的電壓信號，它的輸出形式可以表達為：

I＝I_dc+I_accos(θ)

其中，I_dc表示光強的直流偏置，I_ac表示干涉儀的輸出增益，θ表示由光纖傳感器感知得到的相位信息。

為了求得θ，并保證整套光纖傳感系統具有較高的精度和動態范圍，一般采用調制解調的方式處理相位信息，它是光纖傳感技術領域的核心技術之一。例如工程技術中常用的相位產生載波(PGC)法中加入了正弦調制項，上式表達為：

其中，M表示調制深度，ω表示調制頻率，φ表示調制的初始相位。該系統的解調裝置使用模擬數字轉換器(ADC)對光強變化進行采樣，然后經過求導、乘法、低通濾波等一系列運算處理求解得到相位信息θ，因而該實現方法的處理電路較為復雜，容易引入相關電路噪聲。此外，由外界因素擾動造成的M和φ的變化也會影響該測量方法的精度。

如果ADC采樣頻率是調制載波頻率的整數倍，采樣得到的調制相位是固定的數值，例如當每個載波頻率周期內采樣8個點，載波相位值可以分別為0，π/4，π/2，3π/4，π，5π/4，3π/2，7π/4。此時上述PGC法中的正弦型載波可以被替換為8 個具有不同固定相位值的階梯型載波。當采樣得到具有固定調制相位關系的光強數據后，可以直接由三角函數關系求解得到相位信息θ，被稱為移相調制法，該解調方法具有簡單、實時性高的特點。此類方法在應用時至少需要3個不同的調制相位值，例如采用-π/2，0，π/2，采樣得到的光強分別用I_A，I_B，I_C表示，則：

求解得到：由于求得的相位被壓縮在了的范圍之內，故被稱為包裹相位，用θ_W表示，它與絕對相位之間相差π的整數倍k(k被稱為干涉級次)，θ＝θ_W+k·π。使用三個固定調制相位來計算相位信息的方法被稱為三步移相調制法，它是移相調制法中實現最為簡單的一種。

當采樣頻率足夠快，保證在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(D_min＜π)，那么基于區域生長算法，通過判斷相鄰相位點之間的包裹相位的躍變關系可以恢復出絕對相位值(被稱為相位解包)，其測量的動態范圍理論上可以達到無窮大。移相調制法還易于實現基于時分復用技術的光纖傳感器組網。通過合理組織和控制傳感器的分布，將不同傳感器的干涉光強信號在時間上面區分開，就能夠針對每個傳感器分別找出其所對應的3個采樣時間窗口，獲得光強數據并求解得到相位信息。