基于FPGA的弱光纤光栅高速解调装置及方法与流程

本发明涉及光纤光栅传感领域，尤其涉及一种基于fpga的弱光纤光栅高速解调装置及方法。

背景技术：

弱光纤光栅由于具有复用能力强、串扰小、性价比高等优势，在火灾报警、安全围栏等传感监测领域具有广泛应用。弱光纤光栅传感网络探测距离长、空间分辨率高，需要存储和处理的数据量非常大，现在传统顺序处理的方法是通过数据采集单元采集数据，将采集的数据存储再传输给数据处理单元进行解调处理，但这样采集数据的存储以及数据采集单元与数据处理单元之间的数据传输成为进一步提高弱光纤光栅传感距离、传感密度以及解调速度的瓶颈。

fpga拥有并行处理的优势，其巨大的逻辑资源可以实现解调算法的并行处理和流水处理，这样可以实现弱光纤光栅的高速、多通道、长距离的解调。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中弱光纤光栅解调效率低以及资源消耗大，提供一种基于fpga的高速、多通道、长距离的解调方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于fpga的弱光纤光栅高速解调装置，其特征在于，该装置利用fpga并行处理多通道数据，并对每个通道进行并行流水处理，该装置包括adc器件和fpga器件；adc器件用于将弱光纤光栅模拟信号转换为离散的数字信号；fpga器件的每个通道均包括：adc采样模块，用于接收adc器件的数据，用于通过脉冲上升沿触发采集n个数据，每个数据对应不同空间位置的反射信号，每个周期内有m个脉冲，每个脉冲对应不同的扫描波长，一个周期内每个通道采集m×n个数据：

脉冲1：{x11，x12，…，x1n}

脉冲2：{x21，x22，…，x2n}

…

脉冲m：{xm1，xm2，…，xmn}；

数据累加模块，用于将采集的数据按列进行累加si＝x1i+x2i+…+xmi，i＝1，2，3…n，得到累加和序列{s1，s2，…，sn}。

光栅定位模块，用于对累加和序列{s1，s2，…，sn}进行寻峰，得到各个光栅的空间位置信息{p1，p2，…，pk}，其中k为光栅个数，且n≥2k；

光谱拼接模块，用于根据光栅空间位置信息{p1，p2，…，pk}从每个光栅空间位置处提取各自的光谱：

光栅1：{x1p1，x2p1，…，xmp1}

光栅2：{x1p2，x2p2，…，xmp2}

…

光栅k:{x1pk，x2pk，…，xmpk}；

波长解调及发送模块，用于对光栅光谱{x1p1，x2p1，…，xmp1}，{x1p2，x2p2，…，xmp2}，…，{x1pk，x2pk，…，xmpk}进行寻峰得到各个光栅的波长{λ1，λ2，…λk}，并将解调结果包括光栅空间位置信息{p1，p2，…，pk}和光栅波长{λ1，λ2，…λk}发送出去。

本发明还提供一种基于fpga的弱光纤光栅高速解调方法，包括以下步骤：

利用fpga并行处理多通道数据，并对每个通道进行并行流水处理，具体包括：

s1、通过fpga器件接收adc器件的当前周期的采样数据，脉冲上升沿触发采集n个数据，每个数据对应不同空间位置的反射信号，每个周期内有m个脉冲，每个脉冲对应不同的扫描波长，一个周期内每个通道采集m×n个数据：

脉冲1：{x11，x12，…，x1n}

脉冲2：{x21，x22，…，x2n}

…

脉冲m：{xm1，xm2，…，xmn}；

s2、进行s1步骤的同时，将当前周期采集的数据按列进行累加si＝x1i+x2i+…+xmi，i＝1，2，3…n，得到累加和序列{s1，s2，…，sn}。

s3、对当前周期的累加和序列{s1，s2，…，sn}进行寻峰，得到各个光栅的空间位置信息{p1，p2，…，pk}，其中k为光栅个数，且n≥2k；

s4、进行s1和s2步骤的同时，根据上个周期的光栅空间位置信息{p1，p2，…，pk}从每个光栅空间位置处提取各自的光谱：

光栅1：{x1p1，x2p1，…，xmp1}

光栅2：{x1p2，x2p2，…，xmp2}

…

光栅k:{x1pk，x2pk，…，xmpk}；

s5、进行s3步骤的同时，对光栅光谱{x1p1，x2p1，…，xmp1}，{x1p2，x2p2，…，xmp2}，…，{x1pk，x2pk，…，xmpk}进行寻峰得到各个光栅的波长{λ1，λ2，…λk}，

并将解调结果包括光栅空间位置信息{p1，p2，…，pk}和光栅波长{λ1，λ2，…λk}发送出去。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其具有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述技术方案的基于fpga的弱光纤光栅高速解调方法的步骤。

本发明产生的有益效果是：本发明通过利用fpga并行流水处理的优势，解决了弱光纤光栅解调的数据存储和传输的瓶颈问题，实现弱光纤光栅的高速、多通道、长距离的解调。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于fpga的弱光纤光栅高速解调方法的总体方案图。

图2是本发明实施例fpga并行流水处理时序图。

图3是本发明实施例fpga数据存储示意图。

图4是本发明实施例fpga数据传输示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例基于fpga的弱光纤光栅高速解调方法，包括以下步骤：

利用fpga并行处理多通道数据，并对每个通道进行并行流水处理，具体包括：

s1、通过fpga器件接收adc器件的当前周期的采样数据，脉冲上升沿触发采集n个数据，每个数据对应不同空间位置的反射信号，每个周期内有m个脉冲，每个脉冲对应不同的扫描波长，一个周期内每个通道采集m×n个数据：

脉冲1：{x11，x12，…，x1n}

脉冲2：{x21，x22，…，x2n}

…

脉冲m：{xm1，xm2，…，xmn}；

s2、进行s1步骤的同时，将当前周期采集的数据按列进行累加si＝x1i+x2i+…+xmi，i＝1，2，3…n，得到累加和序列{s1，s2，…，sn}。

s3、对当前周期的累加和序列{s1，s2，…，sn}进行寻峰，得到各个光栅的空间位置信息{p1，p2，…，pk}，其中k为光栅个数，且n≥2k；

s4、进行s1和s2步骤的同时，根据上个周期的光栅空间位置信息{p1，p2，…，pk}从每个光栅空间位置处提取各自的光谱：

光栅1：{x1p1，x2p1，…，xmp1}

光栅2：{x1p2，x2p2，…，xmp2}

…

光栅k:{x1pk，x2pk，…，xmpk}；

s5、进行s3步骤的同时，对光栅光谱{x1p1，x2p1，…，xmp1}，{x1p2，x2p2，…，xmp2}，…，{x1pk，x2pk，…，xmpk}进行寻峰得到各个光栅的波长{λ1，λ2，…λk}，

并将解调结果包括光栅空间位置信息{p1，p2，…，pk}和光栅波长{λ1，λ2，…λk}发送出去。

如图1所示，本发明实施例的基于fpga的弱光纤光栅高速解调装置利用fpga并行处理多通道数据，并对每个通道进行并行流水处理，该装置包括adc器件和fpga器件；adc器件用于将弱光纤光栅模拟信号转换为离散的数字信号；fpga器件包括多个通道，每个通道均包括adc采样模块1、数据累加模块2、光栅定位模块3、光谱拼接模块4、波长解调及发送模块5。该装置利用fpga并行处理多通道数据，并对每个通道进行并行流水处理，提高了解调速度的同时有效降低了数据存储量。

adc采样模块1通过脉冲上升沿触发采集n个数据(每个数据对应不同空间位置的反射信号)，每个周期内有m个脉冲(每个脉冲对应不同的扫描波长)，一个周期内每个通道各需要采集m×n个数据。

脉冲1：{x11,x12,……,x1n}

脉冲2：{x21,x22,……,x2n}

……

脉冲m:{xm1,xm2,……,xmn}

数据累加模块2将adc采样模块1采集的数据按列进行累加即sn＝x1n+x2n+……+xmn，得到累加和序列{s1,s2,……,sn}。

光栅定位模块3对数据累加模块2中的累加和序列{s1,s2,……,sn}进行寻峰得到各个光栅的空间位置信息{p1,p2,……,pk},其中k为光栅个数(根据奈奎斯特定理，信号采样的频率至少是实际信号频率的两倍，所以n≥2k)。

光谱拼接模块4根据光栅定位模块3得到的光栅空间位置信息{p1,p2,……,pk}，从每个光栅空间位置处提取各自的光谱。

光栅1：{x1p1,x2p1,……,xmp1}

光栅2：{x1p2,x2p2,……,xmp2}

……

光栅k:{x1pk,x2pk,……,xmpk}

波长解调及发送模块5对光谱拼接模块4中得到的光栅光谱{x1p1,x2p1,……,xmp1},{x1p2,x2p2,……,xmp2},……,{x1pk,x2pk,……,xmpk}进行寻峰得到各个光栅的波长{λ1,λ2,……λk}，

并将解调结果包括光栅空间位置信息{p1,p2,……,pk}和光栅波长{λ1,λ2,……λk}传输出去。

fpga并行流水处理时序如图2所示。每个周期都会同时进行多通道的adc采样模块1、数据累加模块2、光栅定位模块3、光谱拼接模块4和波长解调及发送模块5的操作，为了实现adc采样模块1和光谱拼接模块4的并行处理，减少数据的存储量，当前周期的光谱拼接模块4使用上个周期光栅定位模块3得到的光栅空间位置信息{p1,p2,……,pk}。

如图3所示，由于使用光栅空间位置信息{p1,p2,……,pk}对原始采样数据进行实时筛选，相比传统顺序处理的方法，每个通道的数据存储量由原有的m×n个缩减为m×k个，数据存储量至少降低2倍，很大程度减轻了fpga存储负担，可支持更多通道、更长距离的弱光纤光栅解调。当前周期的adc采样模块1、数据累加模块2、光谱拼接模块4并行处理，当前周期的波长解调及发送模块5与当前周期的光栅定位模块3、下个周期的adc采样模块1、数据累加模块2、光谱拼接模块4并行处理，实现光栅解调的流水处理。如图4所示，如果使用传统顺序处理的方法，需要将adc采样模块1采集的每个通道各m×n个数据传输给数据处理单元，才能执行光栅定位模块3、光谱拼接模块4以及波长解调及发送模块5的操作，而使用fpga并行流水处理，只需要将每个通道的解调结果包括光栅空间位置信息{p1,p2,……,pk}和光栅的波长{λ1,λ2,……λk}传输出去，比起传统的顺序处理的方法，数据传输量至少降低m倍，解决数据传输的瓶颈，实现了弱光纤光栅的高速解调。

本发明较佳实施例中，以光纤长度10km，每间隔1m一个光纤光栅传感器，共10000个传感器为例。adc采样模块1通过脉冲上升沿触发进行200mhz采样20000个数据(每个数据对应相隔0.5m的空间位置的反射信号)，每个周期内有600个脉冲(每个脉冲对应不同的扫描波长，波长从1550nm扫描到1555.99nm，波长步进10pm)，一个周期内每个通道各需要采集600×20000个数据。

脉冲1：{x1-1,x1-2,……,x1-20000}

脉冲2：{x2-1,x2-2,……,x2-20000}

……

脉冲600：{x600-1,x600-2,……,x600-20000}

数据累加模块2将adc采样模块1采集的数据按列进行累加得到累加和序列{s1,s2,……,s20000}。

光栅定位模块3对数据累加模块2中的累加和序列{s1,s2,……,s20000}进行寻峰得到各个光栅的空间位置信息{p1,p2,……,p1000},其中光栅个数为10000。

光谱拼接模块4根据光栅定位模块3得到的光栅空间位置信息{p1,p2,……,p10000}，从每个光栅空间位置处提取各自的光谱。

光栅1：{x1-p1,x2-p1,……,x600-p1}

光栅2：{x1-p2,x2-p2,……,x600-p2}

……

光栅10000：{x1-p10000,x2-p10000,……,x600-p10000}

如图3所示，由于使用光栅空间位置信息{p1,p2,……,p10000}对原始采样数据进行实时筛选，相比传统顺序处理的方法，每个通道的数据存储量由原有的600×20000个缩减为600×10000个，数据存储量降低了2倍，很大程度减轻了fpga存储负担，可支持更多通道、更长距离的弱光纤光栅解调。

波长解调及发送模块5对光谱拼接模块4中得到的光栅光谱进行寻峰得到各个光栅的波长{λ1,λ2,……λ10000}，并将解调结果包括光栅空间位置信息{p1,p2,……,p10000}和光栅波长{λ1,λ2,……λ10000}传输出去。

如图4所示，如果使用传统顺序处理的方法，需要将adc采样模块1采集的每个通道各600×20000个数据传输给数据处理单元，才能执行光栅定位模块3、光谱拼接模块4以及波长解调及发送模块5的操作，只需要将每个通道的解调结果包括光栅空间位置信息{p1,p2,……,p10000}和光栅的波长{λ1,λ2,……λ10000}传输出去，比起传统的顺序处理的方法，数据传输量降低600倍，解决数据传输的瓶颈，实现了弱光纤光栅的高速解调。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。