自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型是一种自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置，涉及光纤测量技术领域以及信号处理领域。
【背景技术】
[0002]分布式光纤传感是利用光纤的一维空间连续特性进行传感的技术。光纤既作传感元件，又作传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。由于在光纤中传播的光的相位、强度、及偏振态会受到光纤周围的物理场，比如，温度、压力、振动等的影响，通过检测光的参数，可以还原出这些物理量。该技术在周界安防、航空航天、船舶工业、电力工业、石油化工业和医学等各个领域都有广泛的应用和广阔的前景。
[0003]分布式光纤传感技术需要对微弱的背向散射光信号进行接收和处理。传统的处理方法要么传感探测距离长，可达几十公里，但是空间分辨率较低；要么空间分辨率较高，可达5?10米，但传感探测范围仅I?2公里。造成这个问题的原因是因为激光在光线中传输，其强度随着距离成指数衰减，距离越长，光也越弱。而背向散射光又比正向传输的光要小得多，导致在接收端接收到的光能量很小。为了增强激光脉冲的能量，可以增加它的脉宽，但是这样就牺牲了分辨率和灵敏度。
[0004]为了解决这个问题，提高分布式光纤传感的探测距离和灵敏度，业内有的采用时间增益控制(TGC)的方法(如《CN200810024484.8宽域全光纤扰动定位信号时间增益控制装置》)，让光接收机的增益随着时间的增加而指数增大，从而实现对呈指数衰减的背向散射光的均衡放大；有的采用将信号强度跟预设阈值比较，信号过强则减小放大倍数，信号过小则增大放大倍数的自动增益控制方法(如《CN201110286454.6宽域全光纤传感系统连续波自适应大动态范围信号处理方法》)。
[0005]但是这些方法没有对光电转换器件输出信号的直流偏置进行消除。不消除直流偏置就进行时间增益控制，会使直流电压也被指数放大，导致后级运算放大器或模数转换器饱和，光传感信息被淹没。不消除直流偏置就进行自动增益控制，会导致直流偏置电压也被计入信号强度，使增益控制不正确，损失动态范围。另外，这些方法没有考虑到系统实际工作，光纤上的背向散射光是被周围环境状况所调制的，并不是干净的指数衰减的信号，而是指数衰减信号和扰动信号的叠加。为了增益均衡，需要对指数衰减信号的数学参数进行提取。只有在没有扰动信号的前提下，数学参数的提取才是准确的。这些方法并没有考虑到扰动信号对增益均衡控制的影响。
【实用新型内容】
[0006]技术问题:本实用新型提供一种实现分布式光纤传感系统的增益自动均衡功能，拓展了系统的空间动态范围，保证了灵敏度在空间范围上的均匀性，同时具有高适应性和稳定性的自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置。
[0007]技术方案:本实用新型的自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置，包括前置放大器、主放大器、第一模数转换器、数据平均模块、参数提取模块、增益控制曲线发生器、减法器、增益可控运算放大器、第二模数转换器、扰动判别模块、偏置提取模块、比例积分控制器、第一数模转换器、第二数模转换器。
[0008]所述前置放大器的输出接口与主放大器的输入接口连接，主放大器的输出接口同时与第一模数转换器的输入接口和减法器的同相输入端口连接，减法器的输出接口与增益可控运算放大器的信号输入接口连接。
[0009]所述第一模数转换器的输出接口与数据平均模块的数据输入接口连接，所述数据平均模块的输出接口与参数提取模块的输入接口连接，所述参数提取模块的输出接口与增益控制曲线发生器的输入接口连接，所述增益控制曲线发生器的输出接口与第二数模转换器的输入接口连接，所述第二数模转换器的输出接口与增益可控运算放大器的增益控制接口相连，所述增益可控运算放大器的输出接口与第二模数转换器的输入接口连接。
[0010]所述第二模数转换器的输出接口同时与扰动判别模块的输入接口和偏置提取模块的数据输入接口连接，所述扰动判别模块的输出接口同时与数据平均模块的控制接口和偏置提取模块的控制接口连接，所述偏置提取模块的输出接口与比例积分控制器的输入接口相连，所述比例积分控制器的输出接口与第一数模转换器的输入接口相连，所述第一数模转换器的输出接口与减法器的反相输入端相连。
[0011]有益效果:本实用新型与现有技术相比，具有以下优点:
[0012]本实用新型通过采取智能化参数识别模块，分析背向散射光信号的参数，可以识别出系统中光信号的初始功率和在传感光纤中的衰减因子，并通过控制增益控制曲线发生器的输出，自动实时匹配增益可控运算放大器的放大倍数，实现信号增益均衡放大，消除光在光纤中传播时指数衰减对信号检测的影响，将增益随时间呈指数形式衰减的背向散射信号修正为增益均匀随时间保持不变的背向散射信号，扩展了系统的动态范围，保证了传感光纤沿线均一的灵敏度，同时，简化了后续信号处理过程。
[0013]为了消除振动信号对参数识别的影响，本实用新型提出了扰动判别模块，只对不载有振动信号的光纤背向散射信号进行平均与参数提取，准确获取相关参数，实现增益的精确均衡放大。
[0014]市售的光接收模块的输出信号都带有直流偏置电压，不同的光接收模块的直流偏置不一样，并且，其输出的直流偏置电压会受到工作环境的影响发生缓慢漂移。如果直接对叠加有直流偏置的光信号进行放大或均衡放大，会导致直流偏置电压也被放大，限制了系统的动态范围，无法实现远距离传感。另外，对于指数型增益均衡方法，由于放大倍数是随时间指数增长的，放大后的信号迅速增长，达到饱和，无法探测传感光纤后半段的传感信号。本实用新型通过偏置提取模块、比例积分控制器、减法器，可准确地检测出不同光接收模块的偏置电压，并可实时消除光接收模块的偏置电压，为实现稳定可靠的增益均衡控制奠定了基础。同时，由于偏置提取与消除的结构是个闭环，采用比例积分控制算法，可以自动补偿光接收模块的输出偏置电压的缓慢漂移，提高了系统的稳定性。
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型的电路框架图；
[0016]图2为前置放大器的电路图；
[0017]图3为主放大器的电路图；
[0018]图4为减法器的电路图；
[0019]图5为增益可控运算放大器的电路图；
[0020]图6为第一数模转换器的电路图；
[0021]图7为第二数模转换器的电路图；
[0022]图8为第一模数转换器的电路图；
[0023]图9为第二模数转换器的电路图；
[0024]图10为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANKO的硬件电路图；
[0025]图11为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANKl的硬件电路图；
[0026]图12为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK2的硬件电路图；
[0027]图13为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK3的硬件电路图；
[0028]图14为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK4的硬件电路图；
[0029]图15为现场可编程门阵列(FPGA)的I/O BANK5的硬件电路图；
[0030]图16为现场可编程门阵列(FPGA)的电源接口硬件电路图；
[0031]图17为现场可编程门阵列(FPGA)的接地接口硬件电路图；
[0032]图18为现场可编程门阵列(FPGA)的SFP电路图；
[0033]图19为现场可编程门阵列(FPGA)的NC接口硬件电路图；
[0034]图20为本实用新型所述的自适应增益均衡型分布式光纤传感信号接受方法或装置的输入输出波形图；
[0035]图21为本实用新型所述的自适应增益均衡型分布式光纤传感信号接受方法或装置的光纤、激光器自适应功能的效果图；
[0036]图22为本实用新型所述的自适应增益均衡型分布式光纤传感信号接受方法或装置的偏置缓慢漂移的补偿效果图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合实施例和说明书附图对本实用新型作进一步的说明。
[0038]本实用新型的自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置，包括前置放大器1、主放大器2、第一模数转换器3、数据平均模块4、参数提取模块5、增益控制曲线发生器6、减法器7、增益可控运算放大器8、第二模数转换器9、扰动判别模块12、偏置提取模块10、比例积分(PI)控制器11、第一数模转换器13、第二数模转换器14 ；
[0039]所述前置放大器I的输出接口与主放大器2的输入接口连接，主放大器2的输出接口同时与第一模数转换器3的输入接口和减法器7的同相输入端口连接，减法器7的输出接口与增益可控运算放大器8的信号输入接口连接，
[0040]所述第一模数转换器3的输出接口与数据平均模块4的数据输入接口 401连接，所述数据平均模块4的输出接口与参数提取模块5的输入接口连接，所述参数提取模块5的输出接口与增益控制曲线发生器6的输入接口连接，所述增益控制曲线发生器6的输出接口与第二数模转换器14的输入接口连接，所述第二数模转换器14的输出接口与增益可控运算放大器8的增益控制接口相连，所述增益可控运算放大器8的输出接口与第二模数转换器9的输入接口连接；
[0041]所述第二模数转换器9的输出接口同时与扰动判别模块12的输入接口和偏置提取模块10的数据输入接口连接，所述扰动判别模块12的输出接口同时与数据平均模块4的控制接口和偏置提取模块10的控制接口连接，所述偏置提取模块10的输出接口与比例积分控制器11的输入接口相连，所述比例积分控制器11的输出接口与第一数模转换器13的输入接口相连，所述第一数模转换器13的输出接口与减法器7的反相输入端相连。
[0042]本实用新型自适应增益均衡型分布式光纤传感光信号接收装置的具体实施例中，前置放大器包括光电二极管、放大器A、电阻Rf，光电二极管的阳极与放大器A的输入端相连，电阻Rf的一端与放大器A的输入端相连，电阻Rf的另一端与放大器A的输出端相连；
[0043]所述主放大器包括芯片U2，电阻Rl，R5，R9，Rll, R12。芯片U2的型号为AD8336，Rl阻值为Ik欧，为电位器。R5阻值为510欧。R9阻值为510欧。Rll阻值为100欧。R12阻值为910欧。芯片U2的I脚是所述主放大器I的输出端，芯片U2的2脚、3脚接地，芯片U2的4脚与R5的一端相连，芯片U2的5脚与Rll和R12的一端，芯片U2的8脚与芯片U2的9脚相连，芯片U2的9脚与R12的另一端相连，芯片U2的10脚接负电源VEE = -5V，芯片U2的11脚与Rl的滑动触点相连，芯片U2的12脚接地，芯片U2的13脚接正电源VCC=5V，R5的另一端为输入，与所述前置放大器的输出端相连，R9的一