[发明专利]基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的光纤传感系统集成控制方法和装置，该方法包括基于三步移相调制原理产生相位调制信号，从合适的采样窗口抽取光强数据，计算包裹相位，以及依据区域生长算法计算绝对相位。所述装置包括光电转换器，模拟数字转换模块，基于FPGA的实时控制和数据处理模块，相位调制信号模拟变换电路；其中基于FPGA的实时控制和数据处理模块包括相位调制信号产生单元，光强数据抽取单元，相位计算单元，相位解包单元，相位信息格式化和通信单元。本发明集成型控制装置系统集成度高、对功能器件的需求量极少，显著降低了成本。此外，由于FPGA具备可编程重配的特性，该装置还具备可重配性和灵活性，扩展能力强。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是一种基于FPGA的光纤传感系统的集成型控制方法及装置。

背景技术

光纤传感器具有重量轻，抗电磁干扰，灵敏度高，安全可靠，耐腐蚀，可进行分布式测量，易于组网等诸多优点，已经被应用在油井温度与压力测量、输油管道监测、测井技术、地震波监测等方面。光纤传感器一般是基于干涉的原理，将传感探头感知的应力、温度、加速度等物理参量，线性地转变为干涉双臂中信号臂的相位变化，并以干涉光强条纹的形式反映出来。光纤传感器的干涉光强一般连接光电转换器以获得与光强成比例的电压信号，它的输出形式可以表达为：

I＝I_dc+I_accos(θ)

其中，I_dc表示光强的直流偏置，I_ac表示干涉仪的输出增益，θ表示由光纤传感器感知得到的相位信息。

为了求得θ，并保证整套光纤传感系统具有较高的精度和动态范围，一般采用调制解调的方式处理相位信息，它是光纤传感技术领域的核心技术之一。例如工程技术中常用的相位产生载波(PGC)法中加入了正弦调制项，上式表达为：

其中，M表示调制深度，ω表示调制频率，φ表示调制的初始相位。该系统的解调装置使用模拟数字转换器(ADC)对光强变化进行采样，然后经过求导、乘法、低通滤波等一系列运算处理求解得到相位信息θ，因而该实现方法的处理电路较为复杂，容易引入相关电路噪声。此外，由外界因素扰动造成的M和φ的变化也会影响该测量方法的精度。

如果ADC采样频率是调制载波频率的整数倍，采样得到的调制相位是固定的数值，例如当每个载波频率周期内采样8个点，载波相位值可以分别为0，π/4，π/2，3π/4，π，5π/4，3π/2，7π/4。此时上述PGC法中的正弦型载波可以被替换为8 个具有不同固定相位值的阶梯型载波。当采样得到具有固定调制相位关系的光强数据后，可以直接由三角函数关系求解得到相位信息θ，被称为移相调制法，该解调方法具有简单、实时性高的特点。此类方法在应用时至少需要3个不同的调制相位值，例如采用-π/2，0，π/2，采样得到的光强分别用I_A，I_B，I_C表示，则：

求解得到：由于求得的相位被压缩在了的范围之内，故被称为包裹相位，用θ_W表示，它与绝对相位之间相差π的整数倍k(k被称为干涉级次)，θ＝θ_W+k·π。使用三个固定调制相位来计算相位信息的方法被称为三步移相调制法，它是移相调制法中实现最为简单的一种。

当采样频率足够快，保证在采样间隔时间内由实际物理参数变化引起的相位数值的绝对变化量小于预设的常量型参数D_min(D_min＜π)，那么基于区域生长算法，通过判断相邻相位点之间的包裹相位的跃变关系可以恢复出绝对相位值(被称为相位解包)，其测量的动态范围理论上可以达到无穷大。移相调制法还易于实现基于时分复用技术的光纤传感器组网。通过合理组织和控制传感器的分布，将不同传感器的干涉光强信号在时间上面区分开，就能够针对每个传感器分别找出其所对应的3个采样时间窗口，获得光强数据并求解得到相位信息。