基于FPGA的分布式光纤测温系统
《基于FPGA的光纤环形衰荡腔温度传感系统设计》范文
《基于FPGA的光纤环形衰荡腔温度传感系统设计》篇一一、引言随着科技的发展，光纤传感器在众多领域的应用日益广泛。
其中，光纤环形衰荡腔（Fiber Ring Resonator，FRR）作为一种高效、稳定的光纤传感器件，具有广泛的测量和感知能力。
然而，由于环境因素如温度变化的影响，其性能会受到影响。
因此，设计一个基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的光纤环形衰荡腔温度传感系统显得尤为重要。
本文将详细介绍该系统的设计思路、实现方法和应用前景。
二、系统设计概述本系统以FPGA为核心控制器，结合光纤环形衰荡腔传感器，实现对温度的实时监测和精确控制。
系统主要由FPGA控制器、光纤环形衰荡腔传感器、数据采集与处理模块、显示与输出模块等部分组成。
通过FPGA控制传感器的工作模式，实现温度的实时测量与显示。
三、系统设计原理（一）光纤环形衰荡腔原理光纤环形衰荡腔由一环形光纤光路组成，通过引入特定的波长信号到光路中，并利用光纤中的非线性效应（如光克尔效应）产生共振，从而实现对外界环境（如温度）的感知。
（二）FPGA控制原理FPGA作为一种可编程逻辑器件，可以实现对光纤环形衰荡腔的精确控制。
通过编程设置FPGA的工作模式，实现对传感器数据的实时采集、处理和传输。
同时，FPGA还可以根据实际需求进行升级和优化，提高系统的性能和稳定性。
四、系统实现方法（一）硬件设计硬件部分主要包括FPGA控制器、光纤环形衰荡腔传感器、数据采集与处理模块等。
其中，FPGA控制器选用高性能、低功耗的型号，确保系统的稳定性和可靠性；光纤环形衰荡腔传感器选用高灵敏度、高稳定性的器件，确保测量的准确性；数据采集与处理模块负责对传感器数据进行实时采集和处理。
（二）软件设计软件部分主要包括FPGA编程和上位机软件设计。
FPGA编程实现对光纤环形衰荡腔的精确控制和对数据的实时处理；上位机软件则负责与FPGA进行通信，实现对数据的显示和存储等功能。
基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制系统的开题报告
基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制系统的开题报告一、研究背景光纤温度传感器广泛应用于生产工业、医学健康监测、环境保护等领域中，具有非接触式、高精度、多点监测等优点，因此在实现快速、精确、可靠的物理量测量上具有一定的优势。
在已有的光纤温度传感器中，FPGAs (Field-Programming Gate Arrays) 是一种普遍使用的数字器件，其灵活性和可重配置性使其成为实现可靠性和效率的理想选择。
此外，分布式光纤传感技术亦是现代科学中的一种重要发展方向，它将光纤传感器部署在物体的表面或其内部，并通过具有各种标准接口的数字控制器来控制光纤传感器。
二、研究目的本次研究的主要目的是设计和实现一种基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制系统，该系统可以快速、准确地实现光纤传感器的部署和控制，进而实现对物体温度的多点监测。
本项目的研究重点在于：1. 设计并实现一种基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制器，该控制器可以通过各种标准接口与光纤传感器进行通信。
2. 探索分布式光纤传感技术的控制策略，并在系统中实现该策略。
3. 根据研究结果，进一步优化系统性能，提高可靠性和效率，最终实现该系统的工程化应用。
三、研究内容本项目的研究内容包括以下几个方面：1. 光纤温度传感器的基本原理及分布式传感技术的研究分析。
2. FPGA控制器的设计与实现，包括控制器接口的设计与实现、控制器软件的编程等。
3. 探索不同的分布式传感控制策略，并在系统中实现这些策略。
4. 设计适合今后工程应用的编程环境和调试工具，以提高系统的可维护性和可扩展性。
四、研究步骤本项目的研究步骤如下：1. 确定研究方向，并对光纤温度传感器、FPGA控制器和分布式传感技术进行深入了解和研究分析。
2. 根据研究成果，设计并实现基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制系统。
3. 测试整个系统的性能，并分析系统在不同条件下的稳定性和可靠性。
4. 根据研究结果，对整个系统进行必要的优化，提高系统的可靠性和效率，为工程化应用奠定基础。
分布式光纤测温系统的设计与实现
西南大学毕业论文题目：分布式光纤测温系统的设计与实现专业：电子信息工程技术班级：一班学生姓名：杨杰指导教师：谢熹摘要以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术在20世纪后半叶至今的几十年里R新月异，极大地推动了人类社会的进步。
与其他传感器相比，光纤作为一种新型的传感器件有其独特的优势。
它抗电磁，耐高温，对温度、应变等外界变化敏感，而且价格便宜，容易获取，可以形成分布式的线测量甚至是场测量。
因此光纤传感在最近几年的到快速发展．将应用于更广的范围。
分布式光纤测温系统的信号采集、数据处理，以及后台软件的编写占系统成本的绝大部分。
它的检测精度和速度决定了整个系统的测量精度，空问分辨率，采集速度以及最后的请求响应时间。
如何提高系统各个部分的处理速度，协调好数据传输，成为分布式光纤铡温系统的关键。
论文提出了一种基于嵌入式的利用光纤拉曼散射原理的分布式测温解调方案。
由于传感距离长，使得系统可以进行场式的温度测量，可以全面的获得空间式的3维温度模型，满足大型工程传感网络的实时监测。
论文详细介绍了嵌入式光纤传感分布测温系统的光路设计，硬件电路设计和软件设计。
光路设计包括：在嵌入式主机的控制下利用激光源和脉冲调整器形成固定周期的脉冲光，作为光纤传感器的激励信号；使用3dB耦合器对激励光进行分束，传入光纤传感器，散射拉曼光回传经过耦合器进入分光系统，只有固定频率的Stokes光和Anti ．Stokes光透过分光系统；两束光分别进入光电探测器( PD) ，完成光电转换过程。
系统中各个模块间的同步由硬件电路控制，主控芯片为TI公司的双核微处理器。
0M AP5912对FPG A模块发出采集控制信号，FPG 巩负责控制与脉冲调制器间的同步，计时，同时触发AD采集。
采集结束，FPG A发出中断，通知采集过程结束。
O M AP5912发出传输数据指令，将外接RAM 中的数据读入DSP进行数据处理。
在DSP中对数据进行小波变换多分辨分析对采样的数字量进行降噪处理，消除传输和测量过程中的各种噪音和随机干扰。
基于FPGA的温度检测系统设计
湖北民族学院科技学院信息工程学院数字系统与Verilog设计报告题目：基于FPGA的温度检测系统设计姓名：学号：指导老师：2014/6/23摘要本文利用数字温度传感器DS18B20的数据接口和特点，阐述了一种基于现场可编程门阵列( FPGA)控制DS18B20的方法。
使用FPGA作为控制器，严格控制DS18B20 的时序，在单总线上实现读写功能，完成测量数字温度的功能。
将测量的二进制数转换为BCD码，并通过数码管显示。
系统设计使用Verilog 语言。
关键字：数字温度传感器，数字温度检测，FPGA，Verilog语言目录1 引言温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。
随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。
单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。
FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
随着温度检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计利用数字温度传感器DS18B20的数据接口和特点。
使用FPGA作为控制器，严格控制DS18B20 的时序，在单总线上实现读写功能，完成测量数字温度的功能。
一种基于FPGA的分布式光纤检测系统的设计
２ ０ １ ５年 第 ５期
文章编号 ： １ ６ ７ ４ — ４ ５ ７ ８ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ － ０ ０ ０ ５ — ０ ３
一
应 用 实践
种基 于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的 分 布 式 光 纤检 测 系统 的设 计
江 丽 ，刘 志斌
（ 湖 南 高速铁路 职 业技 术 学 院机 电 系， 湖南 衡 阳 ４ ２ １ ０ ０ ２ ）
射光 ， 一起反射 回方 向耦 合器 、 射 至光 电二极管 ， 转换成 电脉 冲。转换后 的电信 号经 由放大器和 Ａ Ｉ Ｄ转换处理后送入 数
Ｇ Ａ代替传统 的 Ｍ Ｃ Ｕ架构完 成数 据的采集和处理 ， 能完成高
速的实时数据采集 ， 测量误差小 ， 工作可靠性高 。
据处理模块 ， 由于此 项反射光强度微弱 ， 故需 反复传 送 、 收集
６
数据存储 和控 制信号。
山
西
电
子
技
术
２ ０ １ ５年
Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的 Ｓ Ｒ Ａ Ｍ 中去 ， 对Ｆ Ｐ Ｇ Ａ进行配置 。当设计完成 ， 调试 无误 时 ， 应当用此模式进行 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的配置 。 Ａ Ｓ下载需 要 Ａ ｓ配 置 芯 片。本设 计 采 用 的存 储 器 为
为光 纤中 ￡处的功率反射系数 ， Ｐ ０为注入 光纤 的峰值 功率 ，
口为光纤 衰减常数。
２ 硬 件设 计
如图 １ 所 示为系统硬 件设计 原理 图 。由脉冲器 产生 的 电脉冲 ， 驱动光 源模块 产生 光脉 冲， 经方 向耦合 器射 入待 测
光纤 。射入光纤的光脉 冲， 由于光纤材料本身固有的性质会 产生瑞利散射光 ， 连 同遇 到不平整光纤端面会产生菲涅尔 反
基于FPGA模式的温度检测显示系统
基于FPGA模式的温度检测显示系统摘要：温度参数是我国传统工业研究新产品的重要考虑因素之一，这种重要性尤其体现在高精尖领域的行业上。
掌握精准有效的温度监测与控制系统，对于提升新产品的整体性能、提高整个工业行业的科技水平具有重要意义。
本研究基于现有的研究成果，将FPGA引入到温度检测系统进行研究，探讨使用了FPGA模式的温度检测显示系统如何发挥出更加强大的性能，从而寻求更稳定、更有效的温度检测显示系统。
关键词：FPGA；温度检测系统前言：温度监测显示系统是指利用现代科学技术，使用智能型微型处理器装置对产品运行时的外界环境以及内部温度进行检测并控制，保证产品稳定发挥其性能，并在出现问题时及时反馈，甚至对问题进行自我修复的一整套系统。
通俗来讲，也就是指产品的信息处理能力。
我国温度检测显示系统目前仍存在着高耗能、低效率、自主能力弱等问题。
1.我国温度检测系统的发展历程起步较晚、速度缓慢、是我国温度检测显示系统发展的最突出特点，这与我国的国情是息息相关的。
建国以后到改革开放之前，我国基于五年计划的基本遵循，经济发展的重心主要集中在重工业上，而对于第三产业和自主芯片研发等却了解甚少。
因此，我国的这类仪器大都依赖于进口，长期以来缺乏自主性。
我国关于温度检测系统的发展起步是在改革开放以后。
基于第三次科技革命在全球范围内的推进，再加上我国政府的重视、高校理工人才的输送以及国外人才的引进，我国的温度检测系统取得了较快发展。
但由于我国在起点上落后于其他发达国家，很多产品的温度检测处理器仍然依赖于向国外进口，而我国自主研发的产品则在温度检测的及时性和温度管控的有效性等方面存在着明显的弱势。
近年来，一些研究发现，FPGA的信息处理和数据分析性能很强，如果将其应用到温度检测系统中，产品的性能至少可以提高6倍。
然而，由于该领域的研究才刚刚着手，技术经验等许多方面还不够成熟，因此仍是一个初步应用环节。
由于温度检测对于一项高新技术产品而言，相当于产品心脏的重要地位，因此每一项新技术在温度检测系统中的应用既是大胆的也是谨慎的。
分布式光纤测温系统
分布式光纤测温系统一、综述分布式光纤测温系统集光、电、机械、计算机和微弱信号检测等技术为一体，可实现大范围空间温度分布式实时测量，具有测量距离长、覆盖探测区域、实时监测、可精确定位等优点，在交通隧道、地铁、电力、石化、水利等等领域均有应用。
分布式光纤测温系统同时实现温度测量和空间定位功能，其中温度测量利用光纤自发拉曼（Raman）散射效应，空间定位利用光时域反射（OTDR）技术。
光纤既是传输介质，又是传感器。
高速驱动电路驱动激光器发出一窄脉宽激光脉冲，激光脉冲经波分复用器后沿传感光纤向前传输，激光脉冲与光纤分子相互作用，产生多种微弱的背向散射，包括瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生温度不敏感的斯托克斯（Stokes）光和温度敏感的反斯托克斯（Anti-Stokes）光，两者的波长不一样，经波分复用器分离后由高灵敏的探测器所探测。
光纤中的Anti-Stokes光强受外界温度调制，Anti-Stokes与Stokes 的光强比值准确反映了温度信息；不同位置的拉曼散射信号返回探测器的时间是不一样的，通过测量该回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置；结合高速信号采集与数据处理技术，可准确、快速地获得整根传感光纤上任一点的温度分布信息。
分布式光纤测温技术原理二、系统组成2.1系统组成概述系统主要包括测量主机、传感光缆、用户软件和相关配件。
2.1.1 测量主机测温主机采用多项光电测量和光纤技术以及性能高的光电器件，测量距离（16km）可定制、响应速度（2s）、测温精度（0.5℃）。
客户可以针对应用需求，选择相应的型号。
测量主机外观分布式光纤测温系统技术指标如下：2.1.2感温探测光缆传感光缆采用特殊设计的快速导热型光缆，纤芯采用进口GI 62.5/ 125多模光纤，光纤保护层选用高强度聚合物及不锈钢螺旋管铠装护套，外护套为低烟无卤阻燃材料，抗拉强度、耐弯、耐压性能好，防水、抗腐蚀性，稳定可靠，工作寿命长。
基于FPGA的实时分布式温度采集技术
基于FPGA的实时分布式温度采集技术按照以上的分析，接下来用语言编写描述有限状态机功能的程序。
程序用法两个进程来描述有限状态机的功能：state_transfer进程用来描述有限状态机中的次态规律和状态寄存器．通过CASE语句，按照次态规律值实现状态值的转变；output_logic进程用来描述有限状态机中的输出规律，通过IF语句推断状态值然后转入相应的命令程序。
3 基于FPGA与基于单片机控制DS18B203.1 保证时序精确单片机作为基于DS18B20的温度监控系统的控制器，用汇编语言编写程序，很简单控制时光，由于我们知道每条语句的执行时光，每段宏的执行时光，每段子程序加调用语句所消耗的时光。
但是当系统进入中断，时序的控制就无法保证精确。
3.2 查找序列号单片机的管脚有限，所以要用单片机检测多个温度点，就需要将多个DS18B20挂在一条总线上。
很明显，序列号许配工作需要额外的时光，而且在读取一个测温点温度值的过程中，其它的测温点也都完成了测温并等待读取，这无疑降低了测温的效率。
用FPGA代替单片机，以上问题就不存在了。
首先FPGA具有丰盛的管脚资源，可以让每个传感器都单独用法一根数据线。
这样不但可以实现同时读取每一个传感器的温度值，而且可以不用举行序列号的匹配。
大大提高了囫囵系统测温的效率，维护越发便利快捷。
3．3 成本考虑单片机技术如今已经十分成熟。
应用领域也十分广泛．价钱也十分廉价。
一般的型号价格在l美元左右，最高端的型号也惟独10美元。
因此用单片机作为控制器．整体系统的成本相对较低。
虽然FPGA如今也已经得到了广泛的普及，但是价格还是相对较高，因此用FPGA作为系统的控制器威本就相对高一些。
4 结论第1页共2页。
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报警中的应用
监测地铁 公路铁路隧道沿线的温度分布情况 进行灾情预报 对矿井下的生产设 施进行在线监测 u 其他应用 堤坝渗漏监测 油井温度测量 桥面 路面的温度监控 监测仓储库房或场地的温 １ 避免火灾和瓦斯爆炸 工业和民用建筑的火灾监控和报警
transmitted to the two-way parallel high-speed ADC08D500. Thus Output signal of fiber-optic temperature sensor is acquired under the control of two Nios II processors signals is saved in the internal FIFO of EP3C25, then these data is treated by internal Dsp processing modules circuitry of EP3C25. Eventually usful data is transmitted to the computer through the Uart. These data is analysed and displayed by the software on the computer.The system is mainly focused on data processing, transmission and display. Average filter algorithm is used by system for data processing, firstly the algorithm is proved right for the system, then Matlab's Dsp Builder tools and QuartusII software is used by Dsp module for functional simulation and timing simulation the feasibility and reliability of Dsp module is fully verified. After data is processed by Dsp module, in the order of PC, The NiosII processor ＩＩＩ
本系统主要侧重于数据的处理 传输及显示部分 数据的处理主要采用 了平均滤波算法 文中首先作了相关的理论验证 然后使用 Ｍａｔｌａｂ 的 Ｄｓｐ
Ｂｕｉｌｄｅｒ 工具和 ＱｕａｒｔｕｓＩＩ 软件对Ｄｓｐ 模块又作了相关的功能仿真和时序仿 真 充分验证了 Ｄｓｐ 模块的可行性和可靠性 在 Ｄｓｐ 模块完成数据的处理
太原理工大学 硕士学位论文 基于FPGA的分布式光纤测温系统 姓名：胡玉良 申请学位级别：硕士 专业：@ 指导教师：董冠军 @
太原理工大学硕士研究生学位论文
基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的分布式光纤测温系统 摘 要
基于拉曼散射的分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场 分布的传感器系统 此系统主要是利用一根光纤作为温度信息的传感和传 导介质 利用光纤后向拉曼散射的温度效应和时域反射技术来测量光纤的
高压输配电电缆 动力电缆沿线及接头的温度在线监测 高压开关柜静触头及一次 连接处温度在线监测 大型变压器内 外部温度监测 发电机 电动机及其他动力设备 的温度在线监测 u 石油 化工行业中的应用
输油管线 输气管线泄漏的在线监测 大型油 气密封贮罐的温度和渗漏监测 地 下洞穴的气体和油类储存状态的监控 u 交通运输行业中的应用 各种运输工具 u 火灾预防 火车 飞机 轮船等 敏感部位的温度监测 大型反应釜 热交换器的温度监控
温温原理的基础上 结合 Ａｌｔｅｒａ 公司 推出的 ＣｙｃｌｏｎｅＩＩＩ 系列 ＦＰＧＡ 器件以及 ＮｉｏｓＩＩ 软核处理器 提出了一种具 有 Ｄｓｐ 处理器功能的 ＳＯＰＣ 解决方案 这种解决方案采用 Ａｌｔｅｒａ 公司 ２００７ 年推出的 ＣｙｃｌｏｎｅＩＩＩ 系列 ＥＰ３Ｃ２５ 从现场采集的两路信号经过 ＡＰＤ 转换成 电信号 经过放大器放大 送给模数转换器 ＡＤＣ０８Ｄ５００ 实现对光纤温度传 感器输出信号的高速数据采集 然后再转换为 ＬＶＤＳ 差分信号 在 ＮｉｏｓＩＩ 处理器的控制下 先缓存在 ＦＰＧＡ 内部的 ＦＩＦＯ 中 经过 ＦＰＧＡ 内部 Ｄｓｐ 硬件 电路处理后 再通过 Ｕａｒｔ 传输到电脑上进行显示和分析
ＩＶ
太原理工大学硕士研究生学位论文
第 一 章 绪论
本章主要介绍了选取这个课题的目的及意义 分析了目前国内外在研究这个课题方 面的进展 然后提出了课题的研究目标
1.1 课题的目的及意义
分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统 它利用同 一根光纤作为温度信息的传感和传导介质 利用光纤后向拉曼散射光谱的温度效应测量 光纤所在的温度场信息 利用光纤的光时域反射技术对测量点进行定位 分布光纤温度 传感系统中的检测光纤不带电 抗射频和电磁干优 防燃 防爆 抗腐蚀 耐高电压和 强电磁场 耐电离辐射 能在有害环境中安全运行 能快速多点测量并定位 应用领域 十分广泛 u 电力 目前主要应用领域[3] 冶金行业中电力设备的温度监测应用
处理器所面临的速度问题 开发升级周期长和不可移植性等问题 使用上 位机软件进行数据的保存和显示 大大增强了人机交互功能 能够更加灵 活地对数据进行各种分析和汇总
关键词 拉曼散射 ＦＰＧＡ ＮｉｏｓＩＩ 处理器 Ｓｏｐｃ Ｂｕｉｌｄｅｒ Ｄｓｐ Ｂｕｉｌｄｅｒ
ＩＩ
太原理工大学硕士研究生学位论文
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transmits data through Uart to PC. In this article, various modules (Timer, DIO) which are controled by NiosII processor are tested and verified.The relevant software code is listed in the appendix. After Dsp module and NiosII processor is tested, a general schematic is protracted; the content is described in detail in chapter 7. After processing and transmising data is verified, the software codes of computer are written in order to preserve and display data. These elements are described in detail chapter 6. According to the requirements of overall system, security and flexibility is also considered in the software. The highlight of the system is the usage of FPGA devices for data processing, the two advantage of being flexible and high-speed are combined. So it does better than other traditional Dsp processors which faced problems of being high-speed, non-reconfigurable hardware structure and long-term development period and non- migrationthe. The usage of PC software for data preservation and display greatly enhanced interactive features, more flexibility to conduct various kinds of data analysis and summary. KEY WORDS: Raman Backscattering, NiosII Processor, FPGA, Sopc Builder, Dsp Builder
后 在上位机的命令下 ＮｉｏｓＩＩ 处理器把数据通过 Ｕａｒｔ 串口传送到上位机 本文中 对定制的 ＮｉｏｓＩＩ 处理器调用的各种模块 Ｔｉｍｅｒ Ｕａｒｔ ＤＩＯ 做 了许多测试和验证 在论文的附录中 也列出相关的软件代码 测试了 Ｄｓｐ
Ｉ
太原理工大学硕士研究生学位论文
模块和 ＮｉｏｓＩＩ 处理器之后 进行了总体的原理图的绘制 这些内容在第七 章中进行了详细的介绍
THE SYSTEM OF OPTICAL FIBER DISTRIBUTED TEMPERRATURE
MEASUREMENT BASED ON FPGA
ABSTRACT
The optical fiber distributed temperature measurement which based on the fiber Raman backscattering system is a sensor system which measure real-time distributed temperature field of space. It is used as temperature sensor and transition medium by one optical fiber measuring temperature of optical fiber based on the temperature affect of Raman backscattering.It also calculates the position which is measued by OTDR. In this paper, on the principle of distributed fiber-optic temperature measurement system based on Raman scattering, combined with FPGA and NiosII embedded soft-core processor which are produced by Altera, one SOPC solution is advanc ed. According to the solution Cyclone III series EP3C25 produced by Altera in 2007 is adopted, Optical signals which is collected from the scene is transmitted to APD which transforms optical signals into electrical signals,through amplifier electrical signals which transforms into LVDS differential signal