高适应性光纤振动传感系统参数综合控制方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明是高适应性光纤振动传感系统参数综合控制方法及装置，设及光纤传感领 域W及信号处理领域。
【背景技术】
[0002] 随着光纤和光电子器件技术研究的不断深入，光纤传感技术得到了突飞猛进的发 展。由于光纤传感器的体积小、质量轻、精度高、响应快、动态范围宽、响应快等优点，并且它 具有良好的抗电磁干扰、耐腐蚀性和不导电性，所W在很多领域都应用广泛。其可W探测的 物理量有电压、电流、加速度、流速、压力、温度、位移等。用于测量振动信号的光纤振动传感 器就是其中一员，目前已被应用于周界安防、管道防护及线缆安全监测等领域。
[0003] 光纤振动传感系统对光纤中的背向散射光信号的参数进行分析，提取和分离出其 所载的振动事件所含信号序列的强度、频率及空间信息及特征，准确识别出振动事件。然 而，在不易识别的小振动信号存在的情况下，振动信号易受光纤中的背景噪声干扰，使测量 结果的准确性降低；同时，在大背景噪声，即大风、大雨等情况下，系统接收到的背向散射光 信号强度会大幅增加，极易超出系统中增益放大器的动态范围，同样影响测量结果的准确 性。为此，需要提高小振动信号时系统的灵敏度和信噪比，同时提高大背景噪声下的系统的 动态测量范围。
[0004] 在现有的技术中，提高系统的灵敏度和信噪比的方法有设计宽带高灵敏度光接收 机，但其提高能力有限，且不具有自适应性；还有使用平均周期图法，即进行傅里叶变换，对 信号在频域上表现的特征进行分析处理，该种方法的算法较为复杂，且适用于被测信号W 一定频率持续存在的环境。提高系统的动态测量范围的方法有将连续波信号的幅值或峰值 与预设阔值进行比较，根据比较的结果对可控增益放大器进行调节，使得信号的范围保持 稳定，但该种方法只对可控增益放大器单一调节，调节范围有限。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种高适应性光纤振动传感系统参数综合控制方法及装置，实现了小 背景信号下的高灵敏度和高信噪比，W及大动态测量范围，同时兼顾系统的能耗分析，最大 限度地降低了系统能耗。
[0006] 本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种高适应性光纤振动传感系统参数综合控制方法，光源模块产生光信号，并输 出至光纤光路，所述光信号的功率Pm为：
[000引 P0t = A (I。-1化)，（n-1) T《t < nT
[0009] 其中t为时刻，T为过电压阔值率检测的周期，T = 10us，n为周期序数，n = 1，2， 3,...，且满足n= ^ +1，□表示向下取整函数，I。为所述的光源模块在第n个周期内的 驱动电流，第一个周期的所述的光源模块的驱动电流Ii为系统初始值，11= 100mA，I th为所 述的光源模块的阔值电流，Ith= 70mA，且I"〉Ith，A为所述的光源模块的电流转换效率，A = 7W/A。
[0010] 所述的光纤光路产生光信号Pit，并输出至光接收机，其中Pit为：
[0011] Pit=P〇t+Pit+P2t
[0012] 其中Pit为所述的光纤光路受到背景信号影响产生的光信号，P 2t为所述的光纤光 路受到扰动信号影响产生的光信号，所述的光接收机对光信号Pit作光电转换，产生输入电 压巧f.并输出至增益可控放大器，其中为；
[001 引
【主权项】
1. 一种高适应性光纤振动传感系统参数综合控制方法，其特征在于，光源模块（1)产 生光信号，并输出至光纤光路（2)，所述光信号的功率P&为： Pot=A(In-Ith)，（n-l)T彡t<nT 其中t为时刻，T为过电压阈值率检测的周期，T= 10us，n为周期序数，n= 1，2，3，...， 且满足
□表示向下取整函数，In为所述的光源模块（1)在第n个周期内的驱 动电流，第一个周期的所述的光源模块（1)的驱动电流1为系统初始值，Il〇〇mA，I&为 所述的光源模块（1)的阈值电流，Ith= 70mA，且In>Ith，A为所述的光源模块（1)的电流转 换效率，A= 7W/A， 所述的光纤光路（2)产生光信号PIt，并输出至光接收机（3)，其中PIt为： Plt= P〇t+Pit+P2t 其中Plt为所述的光纤光路（2)受到背景信号影响产生的光信号，P2t为所述的光纤光 路（2)受到扰动信号影响产生的光信号，所述的光接收机（3)对光信号PIt作光电转换，产 生输入电压，并输出至增益可控放大器（4)，其中为：
其中R为所述的光接收机（3)中的光检测器的响应度，G为所述的光接收机（3)中的 前置放大器的跨阻增益，其中R约为0. 85A/W，G= 499Q，所述的增益可控放大器（4)产生 输出电压t/孟，并输出至目标事件滤除模块（5)，其中[/I为：
其中Gn为在第n个周期内的所述的增益可控放大器（4)的电压增益，第一个周期的所 述的增益可控放大器（4)的电压增益Gi为系统初始值，G 2,Gn满足：
其中a和b为所述的增益可控放大器（4)的增益控制参数，a= 2. 5V'b= 0. 22,Vn_i为在第n个周期所述的增益可控放大器（4)接收到的增益控制模拟电压信号， 所述的目标事件滤除模块（5)使用低通滤波器，将目标扰动事件产生的高频电压信号 滤除，输出只包含背景信号的模拟电压信号UBt至模数转换模块（6)，其中UBt满足：
所述的模数转换模块（6)对模拟电压信号UBt进行模数转换，并产生数字电压信号， 输出至综合参数控制模块（7)，其中tC满足：
其中a为所述的模数转换模块（6)的转换系数，a= 409. 6/V，t为所述的模数转换 模块（6)的电压采样周期，t=50ns，m为周期T内的电压采样序数，且m=l，2,3，...， M，M为周期T内的采样次数，M= 200,且M满足
，□为向下取整函数， 所述的综合参数控制模块（7)接收数字电压信号[C，计算第n周期的过低电压阈值率LCLsn和过高电压阈值率LCHsn，LCLs，LCHs"分别为：
其中低电压阈值，UHTH是高电压阈值，n为逻辑与，W为逻辑判断函数，判断的方 法为：当大括号内的判断为真时，W为1，判断为假时，W为0， 所述的综合参数控制模块（7)利用当前存储的过低电压阈值率阈值LCL、过高电压阈 值率阈值LCH、最小驱动电流控制数字电压、最大增益控制数字电压以及第n-1周 期的增益控制数字电压信号以二和驱动电流控制数字电压信号C/，计算出第n周期的 增益控制数字电压信号1C和驱动电流控制数字电压信号，将第n-1周期的增益控制数 字电压信号和驱动电流控制数字电压信号U 更新为第n周期的增益控制数字电压 信号和驱动电流控制数字电压信号，并将t/,f输出至电路参数调节模块（8)，将[/,丨输 出至光源参数调节模块（9)，所述的电路参数调节模块（8)将增益控制数字电压信号转 化为增益控制模拟电压信号Vn并输出至所述的增益可控放大器（4)，作为下一周期中所述 的增益可控放大器（4)的增益控制模拟电压的输入信号，所述的光源参数调节模块（9)根 据驱动电流控制数字电压信号产生驱动电流In，作为下一周期中光源模块（1)的驱动电 流，输出至所述的光源模块（1); 所述第n周期的增益控制数字电压信号C/,f和驱动电流控制数字电压信号的计算 方法为： 首先将第n周期的背景信号划分为大背景信号、小背景信号及适中背景信号三种情 况，再对所述三种情况分别进行如下处理： 1)若LCHsn>LCH，则将第n周期的背景信号鉴别为大背景信号： 若第n-1周期驱动电流控制数字电压信号大于存储于所述综合参数控制模块（7) 中的最小驱动电流控制数字电压，且= 1，则第n周期的增益控制数字电压信号 和驱动电流控制数字电压信号V,丨分别为：
其中I为线性调节驱动电流控制数字电压信号l/丨的系数，KI= 0. 04V， 若第n-1周期驱动电流控制数字电压信号CL小于或等于存储于所述综合参数控制模 块（7)中的最小驱动电流控制数字电压[/in，且￡^=1.81^，则第n周期的增益控制数字电 压信号和驱动电流控制数字电压信号分别为：
其中心为线性调节增益控制数字电压信号[/,f的系数，心=0. 05V; 2) 若LCHsn<LCH且LCLsn<LCL，则将第n周期的背景信号鉴别为小背景信号： 若第n-1周期的增益控制数字电压信号小于存储于所述综合参数控制模块（7) 中的最大增益控制数字电压=2F，则第n周期的增益控制数字电压信号C/f和驱 动电流控制数字电压信号分别为：
若第n-1周期的增益控制数字电压信号"L大于或等于存储于所述综合参数控制模 块（7)中的最大增益控制数字电压t/fu，=2/则第n周期的增益控制数字电压信号 和驱动电流控制数字电压信号R丨分别为：
3) 若LCHsn<LCH且LCLsLCL，则将第n周期的背景信号鉴别为适中背景信号，则 第n周期的增益控制数字电压信号Lf和驱动电流控制数字电压信号l/:分别为：
2. -种高适应性光纤振动传感系统参数综合控制装置，其特征在于，包括：一个光源 模块（1)和一个综合参数控制模块（7)， 所述的光源模块（1)的输出接口连接有光纤光路（2)，且与所述的光纤光路（2)的输 入接口相连接，所述的光纤光路（2)的输出接口连接有光接收机（3)，且与所述的光接收机 (3)的输入接口相连接，所述的光接收机（3)的输出接口连