分布式光纤传感系统测试平台的设计

分布式光纤传感系统测试平台的设计

分布式光纤传感技术通过检测沿光纤每个位置的散射光强度,来推算出光纤上的温度和应变分布。布里渊光时域分析仪(Brilouin Optical Time Domain Analysis:BOTDA)是一种分布式光纤传感技术,它适用于长距离、大范围和高灵敏度的分布式光纤传感系统,能对于光纤上的温度和应变实现准确实时的测量,有重要的研究意义和实用价值。本论文研究了光纤中的布里渊散射效应和BOTDA 的传感原理,基于BOTDA传感系统的信号特点,设计了一种分布式光纤传感系统测试平台。

本论文的主要研究内容和创新点如下:(1)基于FPGA的分布式光纤传感系统测试平台的设计本文在研究了BOTDA传感系统基础上,提出了基于FPGA的分布式光纤传感系统的实现方案。针对方案中对各个模块的功能需求,进行了FPGA,高速ADC和扫频模块等硬件电路设计以及基于FPGA的系统逻辑设计。并应用仿真软件对各个模块进行了仿真,结果表明,设计的方案可以实现传感信号的有效测量。

(2)一种基于频率合成技术的频率扫描实现方案根据系统对频率和步长可调的频率扫描的需求,提出了应用宽带RF频率合成芯片LMX2594来产生扫频信号的方案,并进行了硬件电路的设计。LMX2594可在不使用内部加倍器的情况下生成10MHz至15GHz范围内的任何频率,内置的32位N分频器可满足频率步进为1Hz 的扫频输出,且可通过编程控制其输出的频率及步进长度,为布里渊散射光谱特征提取算法的实现提供了硬件支持。结果表明,设计的频率扫描模块可满足系统的需求。

(3)基于半间隔搜索扫频法的布里渊散射光谱特征提取算法的实现方案由于

基于互相关算法的布里渊散射光谱特征提取方法的系统测量时间长,本文提出了基于半间隔搜索扫频法的布里渊散射光谱特征提取算法。传统算法设置扫频模块的输出频率为步进增长,而优化算法主要结合二分查找法的思想设置扫频模块的输出,缩短了频率扫描的范围,使系统的测量时间明显缩短。基于(2)中扫频模块的硬件基础,优化算法可得以实现。

应用两种算法对常温和加温条件下采集的实验数据做了仿真,结果表明,两种算法均可对温度准确有效测量,优化算法较传统算法的系统测量时间有明显缩短。