CN101813497B - 一种布里渊散射谱实时频谱分析装置及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种布里渊散射谱实时频谱分析装置及其数据处理方法，装置包括低通滤波器、低噪声放大器、模数转换器、FPGA、DSP和至少三个存储器；其中低通滤波器的输入端连接布里渊散射谱信号，低通滤波器、低噪声放大器、模数转换器、FPGA依次连接，所有存储器与FPGA的连接为乒乓结构，各存储器按存储时域数据→进行FFT处理→输出频域数据的过程循环工作，在FPFA的控制下依次连续进行，实时输出处理完成的频谱数据。本发明提供了一种快速、实时测绘BOTDR频谱图的高速数据处理装置以及其数据处理方法，与传统方法相比较，可以大大减少测绘所需要的时间，实时给出待测光纤的布里渊频谱，以捕获应变或温度的动态变化信息。
Description
技术领域
本发明属于高速数据处理领域，涉及光纤传感技术，是一种基于布里渊散射效应的光时域反射计(BOTDR)的布里渊散射谱实时频谱分析装置及其数据处理方法。
背景技术
布里渊散射是光在光纤中传输过程中发生的一种非线性效应。布里渊散射是由光子与声子的相互作用产生的，其结果是散射光相对于入射光产生频移，频移的大小与材料的声速成正比，而声速与光纤应变或温度相关，典型的频移量约为几十吉赫兹。由于它的存在使光信号产生传输损耗，这对信号传输而言是不利的，但可以利用这种效应对光纤应变或温度的变化进行传感测量。利用这种原理可以制成基于布里渊散射效应的光时域反射计，用来测量光纤沿线的应变或温度分布。
目前对于BOTDR数据处理方法主要有两种：扫频的方式和基于FFT的时频转换方式。
1、扫频的方法。这种方法在K.Shimizu，T.Horiguchi，Y.Koyamada and T.Kurashima，《Coherent self-heterodyne Brillouin OTDR for measurement of Brillouin frequency shiftdistribution in optical fibers》，Journal of Lightwave Technology，Vol.12，No.5，pp.730-736，1994等文献中有详细描述。由于布里渊散射谱具有较大的半峰全宽(普通单模光纤的布里渊散射谱半峰全宽为几十MHZ)，这种方法按照一定的频率间隔，依次获得布里渊散射半峰全宽谱中各频率点对应的功率，再通过洛仑兹曲线拟合，得到整个传感光纤上的布里渊频移曲线。此外，由于布里渊散射信号十分微弱，所以需要通过对信号多次采样平均，以从噪声背景中恢复出布里渊散射信号。缩小扫频间隔和增加采样次数都能提高测量精度。但探测距离越长、扫频范围越宽、扫频间隔越小，所需的时间就越长。为此，基于频率扫描方法的BOTDR技术单次测量时间通常都在几分钟以上，难以对光纤状态进行快速传感测量。以100km长光纤、216次累加平均的测量为例，即使不考虑数据处理的时间，单个频点的测量时间约为65秒。由于布里渊频带的典型宽度为35～100MHz，取扫频步进为1MHz，则总测量时间约为2小时。此外，这种测量方法需要假定频谱的形状在整个测量时间中保持不变。实际上，由于对每一个频点的有效测量时间只占整个测量时间的1/100，在剩余的99/100的死区时间内往往会漏掉许多瞬变的信号，无法捕捉瞬变的频谱变化，因此，这种方法不具备实时性。一些改进的方案中使用高速数据采集卡实时采集布里渊信号的时域数据，但仍需要上传到计算机后进行数据处理，才能获得布里渊的频谱信息。
2、基于FFT的时频变换方式。在路元刚、张旭苹、窦蓉蓉、王峰《基于快速傅立叶变换的布里渊光时域反射测量方法》(专利号200710133453.1)中对这种方法进行了详细的阐述。这种方法的光路部分与扫频的方法没有太大的区别，仍然是把高频的布里渊散射谱的中心频率调整至低频，再进行数据的采集和处理的，采样频率f高于2倍宽带低通滤波器的带宽。不同的是时域采样信号被多次累加平均后，从头至尾被分成时长为W的若干个单元，每个单元有W×f个采样点，对每个单元都进行快速傅立叶变换后，将所得的布里渊散射谱进行洛伦兹拟合，得到各单元上的布里渊散射谱峰值对应的频率，根据前述对布里渊散射谱电信号中心频率的调整进行恢复，即得到整个光纤上每个单元的布里渊频移。这种方法可以大大减小数据处理的时间，但是这种方法仍然很依赖上位机(即计算机)的运算能力，具体操作时是把采集到的数据先完整地保存在上位机中，全部采集完成后，再进行FFT运算，如此操作仍然需要较长的测试时间，无法实时的分析数据，给出布里渊频谱。
发明内容
本发明要解决的问题是：目前对于BOTDR数据处理方法耗时长，不具备实时性，依赖上位机的处理能力进行数据分析处理，不能实时给出布里渊频谱，需要一种能够快速、实时的测绘BOTDR频谱图的实时频谱分析装置以及其数据处理方法。
本发明的技术方案为：一种布里渊散射谱实时频谱分析装置，频谱分析装置的输入端连接布里渊光时域反射计的输出，所述布里渊光时域反射计输出经过下移频的布里渊散射谱信号，频谱分析装置包括低通滤波器、低噪声放大器、模数转换器、现场可编程逻辑阵列FPGA、数字信号处理器DSP和至少三个存储器；其中布里渊散射谱信号输入低通滤波器的输入端口，低通滤波器的输出端口连接低噪声放大器的输入端，低噪声放大器的输出接模数转换器的输入端，模数转换器的输出连接FPGA的输入端，所有存储器和DSP均与FPGA双向连接，且所有存储器与FPGA的连接为乒乓结构，FPGA设有输出端口，输出布里渊频谱信号。
低通滤波器的截止频率为经过下移频后的布里渊散射谱信号中心频率的2倍，模数转换器的采样率至少大于经过下移频后的布里渊散射谱中心频率的2倍。低通滤波器滤除信号高频分量，仅留下待测的布里渊散射谱；模数转换器的采样率保证空间分辨率，以恢复出布里渊散射信号。
进一步的，FPGA的输出端口连接上位机。用于完成对布里渊频谱的进一步处理。
上述实时频谱分析装置的数据处理方法，基于快速傅立叶变换FFT方式，现场可编程逻辑阵列FPGA协调各个总线接口并控制数据读写；存储器与FPGA的连接为乒乓结构，所有存储器同时工作，执行不同的工作，所有存储器初始均为空闲状态：
FPGA先控制第一存储器的地址和数据总线，把模数转换器采集到的时域信号数据存入第一存储器，设FFT的窗口大小定为N个点，则按顺序把N个点存入第一存储器；完成N个点在第一存储器的存储后，FPGA释放第一存储器的地址和数据总线控制权，取得第二存储器的地址数据总线控制权，把后面继续采集到的N个数据存入第二存储器，同时DSP取得第一存储器的控制权，对其中的时域数据进行FFT变换，得到的频域数据仍然存入第一存储器；
第二存储器完成N个点的存储，并且第一存储器完成本身N个点的FFT变换后，FPGA释放第二存储器的控制权，取得第三存储器的控制权，把下面继续采集到的N个点存入第三存储器，同时DSP取得第二存储器的控制权，对其中的时域数据进行FFT变换，得到的频域信号仍然存入第二存储器，在这个过程中FPGA同时控制第一存储器，把第一存储器中的频域数据向上位机输出；
第三存储器完成存储，并且第二存储器完成本身N个点的FFT变换，第一存储器完成频域数据的输出后，第一存储器回到空闲状态，FPGA释放第三存储器的控制权，取得下一空闲的存储器的控制权，把下面继续采集到的N个点存入下一空闲的存储器，DSP取得第三存储器的控制权，对其中的时域数据进行FFT变换，同时FPGA控制第二存储器把其中的频域数据向上位机输出；这样各存储器形成流水线工作，同时各自独立，两两之间互不干扰，每个存储器都按存储时域数据→FFT处理→输出频域数据的工作过程循环工作，在FPFA的控制下数据采集、数据处理、数据输出连续进行，实现模数转换器采集的数据及时进行FFT变换，并且实时输出处理完成的频谱数据到上位机的功能。
多次重复进行单次测量后，利用上位机对每次从存储器获得的频谱数据进行频谱拼接和显示工作，得到处理后的布里渊光时域频谱信息。
本发明实时频谱分析装置及其数据处理方法是一种能够快速的、实时的测绘BOTDR频谱图的高速数据处理装置以及其数据处理方法。与传统方法相比较，可以大大减少测绘所需要的时间，实时给出待测光纤的布里渊频谱，以捕获应变或温度的动态变化信息：
1)、本发明可以大大提高信号处理的时间效率，实时地绘制出布里渊频谱，以捕获变化中的动态应变或温度信息。
原来的BOTDR处理数据方法是用上位机存储模数转换器采集到的时域数据，得到完整的时域信号后，再由上位机对时域数据加窗分段，假定为N个数据点分为一段，逐段进行FFT变换，最后把每段FFT后得到频谱拼接得到完整的频谱。这样才进行完成一次完整的操作，可以开始下一次采集。一次操作所需要的时间＝采集(并保存)时间+分段并逐段进行FFT的时间，其中分段并进行FFT的时间即为死区时间，这段时间内，BOTDR需要等待上位机完成处理，然后才能开始下一次探测。
本发明方法是在采集过程中，每采集到N个点，假设N个数据点分为一段，就进行FFT变换，与此同时采集后续数据点的工作并没有停止，也就是说采集、加窗分段进行FFT、输出FFT后的频谱数据三个操作在同时并行完成。一次操作所需要的时间＝采集数据的时间。没有死区时间的存在，即BOTDR完成一次探测后可以立即开始下一次探测。
2)、本发明数据采集和处理部分都采用硬件结构来实现，不需要高速的上位机进行数据运算处理，上位机仅起到频谱拼接和显示的作用。如果有需要，可以利用嵌入式***来代替上位机，完成频谱拼接和显示的工作，很方便的把整个***制作成便携仪器。
附图说明
图1为本发明应用在BOTDR的整体***框图。
图2为本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，BOTDR***中窄带连续波激光器1发出的连续光经95:5耦合器2分为两路，探测光路和本地参考光路。探测光路中，探测光经过电光调制器3被调制成探测脉冲光后，经环行器4注入到传感光纤5中，探测脉冲光在传感光纤5中产生后向自发布里渊散射光(包含斯托克斯与反斯托克斯光)和瑞利散射光，得到背向散射光，这个背向散射光即为需要检测的信号光。信号光通过环形器4，进入50:50耦合器10与参考光相干；本地参考光路中，95:5耦合器2分出的另一路连续光经偏振控制器6，进入电光调制器7调制，调制电信号由微波源8给出，约为10.8GHz。调制后的光信号与斯托克斯布里渊散射光频率相距约数百兆赫兹，经过扰偏器9作为本地参考光与探测光路反射回来的斯托克斯布里渊散射光相干。相干后，原信号光中的布里渊散射谱的中心频率下移至低频处，这样频率的信号，再经过光电传感器11转换为电信号后，可以被模数转换器直接捕捉到，被送入数据采集和实时处理电路12进行处理。
数据采集和实时处理电路12也就是本发明的实时频谱分析装置，在数据采集和实时处理电路中，光电传感器11转换后得到的电信号首先经过低通滤波器13，该低通滤波器的截止频率为下移频后的布里渊散射谱中心频率的2倍，目的是滤除信号高频分量，仅留下待测的布里渊散射谱。这个信号再通过低噪声放大器14后，进入高速模数转换器15，根据香农采样定律，模数转换器15的采样率应至少大于下移频后的布里渊散射谱中心频率的2倍，目前的市场上可提供的模数转换器的采样率水平可以高达吉赫兹，而经过下移频的信号仅为数百兆赫兹，可以满足要求，甚至可以选取高采样率的模数转换器来增加待测光纤单位长度上的采样点数，信号光的时间轴代表了待测光纤的长度信息，用过采样的方式来增加空间分辨率，可以达到与扫频法相同的空间分辨率。
采样量化后的数据送入实时信号处理模块，该模块包括现场可编程逻辑阵列FPGA16、数字信号处理器DSP20和至少三个存储器，该模块中使用FPGA16协调各个总线接口并控制数据读写。这里使用乒乓结构，以三个存储器为例：FPGA16先控制第一存储器17的地址和数据总线，把采集到的时域信号数据存入第一存储器17，如果FFT的窗口大小定为256个点，那么按顺序把采集的第一轮256个点存入第一存储器17；完成256个点的存储后，FPGA16释放第一存储器17的地址和数据总线控制权，取得第二存储器18的地址数据总线控制权，把后面采集到的第二轮256个数据存入第二存储器18，同时DSP20取得第一存储器17的控制权，对其中的时域数据进行FFT变换，得到的频域数据仍然存入第一存储器17；完成第二轮256个点的采集、存储，并完成第一轮256个点的FFT变换后，FPGA16释放第二存储器18的控制权，取得第三存储器19的控制权，把采集的第三轮256个点存入第三存储器19，同时DSP20取得第二存储器18的控制权，对其中存储的第二轮时域数据进行FFT变换，得到的频域信号仍然存入第二存储器18，在这个过程中FPGA16同时控制第一存储器17，把其中已经处理好的频域数据向上位机21输出。第三存储器19完成存储，并且第二存储器18完成第二轮256个点的FFT变换，第一存储器17完成频域数据的输出后，第一存储器17回到空闲状态，FPGA16释放第三存储器19的控制权，重新取得第一存储器17的控制权，把下面继续采集到的256个点存入第一存储器17，DSP20取得第三存储器19的控制权，对其中的时域数据进行FFT变换，同时FPGA16控制第二存储器18把其中的频域数据进行输出；这样各存储器形成流水线工作，同时各自独立，两两之间互不干扰，每个存储器都按存储时域数据→FFT处理→输出频域数据的工作过程循环工作，在FPFA16的控制下数据采集、数据处理、数据输出连续进行，实现模数转换器采集的数据及时进行FFT变换，并且实时输出处理完成的频谱数据。
三个以上的存储器还是以同样的方式工作，可以提高性能，FPGA16依次控制存储器存储数据、进行FFT变换、输出数据，所有存储器循环工作，数据不间断采集、存储、处理、输出，形成流水线工作，并且存储器之间由乒乓结构实现循环，最少三个存储器就可满足实时处理数据的需求，保证每当模数转换器采到数据，都能够及时进行FFT变换，并且实时输出处理完成的频谱数据到上位机21。
本发明不仅可以实现布里渊频谱的实时处理，还能实现仪器的便携化，不再依赖上位机的处理性能，通常高性能的上位机体积比较大，不便于携带，本发明的各部分可以很容易集成为一台便携仪器，同时保持高性能数据处理，目前DSP的流水线技术已相当成熟，采用全并行结构FFT的DSP技术就能实现数据采集与信号实时处理，以采用TI公司TMS320C64x系列DSP器件为例，它有8条并行指令主频达到800MHz，理论上最都可以同时处理8条指令，并且提供专门为FFT变换优化的乘加指令。若每个光纤单元做FFT的点数为256个，则在下一轮256个点采集完毕之前就可以完成这256个点FFT的功能，并完成存储。也就是说，对于1个脉冲光产生的布里渊散射信号，基于本发明的处理方法，可以实时地给出其布里渊频谱，并能提供更高的空间分辨率。
如果使用原先BOTDR的先存储后进行运算的方法，假设对时域数据的加窗分段时，每200个点分为一段，再加上56个补零点，那么FFT的点数为256个，完成这256个点FFT的功能需要88ns。以50km传感光纤为例，在光纤中光速约为2*108m/s，在光纤中传播并且返回的所需要的时间为500us，即探测周期为500us，基于FFT的数据处理方法在处理的时间是522.3ms。所以完成单次的探测需要的时间为500us+522.3ms，其中522.3ms是BOTDR探测器等待上位机处理数据的时间，无法进行探测，为死区时间。
在同样的条件下(50km传感长度、200个数据点补零56个点进行FFT)，若使用本发明装置和方法来进行实时的频谱分析处理，那么就不需要额外进行FFT数据处理的时间，可以实时的输出频谱数据，完成单次探测的时间即为500us。可以看到使用本发明可以大大减小死区时间。
Claims (5)
1.一种布里渊散射谱的实时频谱分析装置，其特征是频谱分析装置的输入端连接布里渊光时域反射计的输出，所述布里渊光时域反射计输出经过下移频的布里渊散射谱信号，频谱分析装置包括低通滤波器(13)、低噪声放大器(14)、模数转换器(15)、现场可编程逻辑阵列FPGA(16)、数字信号处理器DSP(20)和至少三个存储器；其中布里渊散射谱信号输入低通滤波器(13)的输入端口，低通滤波器(13)的输出端口连接低噪声放大器(14)的输入端，低噪声放大器(14)的输出接模数转换器(15)的输入端，模数转换器(15)的输出连接FPGA(16)的输入端，所有存储器和DSP(20)均与FPGA(16)双向连接，且所有存储器与FPGA(16)的连接为乒乓结构，FPGA(16)设有输出端口，输出布里渊频谱信号。
2.根据权利要求1所述的一种布里渊散射谱实时频谱分析装置，其特征是低通滤波器(13)的截止频率为经过下移频后的布里渊散射谱信号中心频率的2倍，模数转换器(15)的采样率至少大于经过下移频后的布里渊散射谱中心频率的2倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种布里渊散射谱实时频谱分析装置，其特征是FPGA(16)的输出端口连接上位机(21)。
4.权利要求1-3任一项所述的布里渊散射谱实时频谱分析装置的数据处理方法，其特征是基于快速傅立叶变换FFT方式，现场可编程逻辑阵列FPGA(16)协调各个总线接口并控制数据读写；存储器与FPGA(16)的连接为乒乓结构，所有存储器同时工作，执行不同的工作，所有存储器初始均为空闲状态：
FPGA(16)先控制第一存储器(17)的地址和数据总线，把模数转换器(15)采集到的时域信号数据存入第一存储器(17)，设FFT的窗口大小定为N个点，则按顺序把N个点存入第一存储器(17)；完成N个点在第一存储器(17)的存储后，FPGA(16)释放第一存储器(17)的地址和数据总线控制权，取得第二存储器(18)的地址数据总线控制权，把后面继续采集到的N个数据存入第二存储器(18)，同时DSP(20)取得第一存储器(17)的控制权，对其中的时域数据进行FFT变换，得到的频域数据仍然存入第一存储器(17)；
第二存储器(18)完成N个点的存储，并且第一存储器(17)完成本身N个点的FFT变换后，FPGA(16)释放第二存储器(18)的控制权，取得第三存储器(19)的控制权，把下面继续采集到的N个点存入第三存储器(19)，同时DSP(20)取得第二存储器(18)的控制权，对其中的时域数据进行FFT变换，得到的频域信号仍然存入第二存储器(18)，在这个过程中FPGA(16)同时控制第一存储器(17)，把第一存储器(17)中的频域数据进行输出；
第三存储器(19)完成存储，并且第二存储器(18)完成本身N个点的FFT变换，第一存储器(17)完成频域数据的输出后，第一存储器(17)回到空闲状态，FPGA(16)释放第三存储器(19)的控制权，取得下一空闲的存储器的控制权，把下面继续采集到的N个点存入下一空闲的存储器，DSP(20)取得第三存储器(19)的控制权，对其中的时域数据进行FFT变换，同时FPGA(16)控制第二存储器(18)把其中的频域数据进行输出；这样各存储器形成流水线工作，同时各自独立，两两之间互不干扰，每个存储器都按存储时域数据→FFT处理→输出频域数据的工作过程循环工作，在FPFA(16)的控制下数据采集、数据处理、数据输出连续进行，实现模数转换器采集的数据及时进行FFT变换，并且实时输出处理完成的频谱数据。
5.根据权利要求4所述的布里渊散射谱实时频谱分析装置的数据处理方法，其特征是存储器的频域数据通过FPGA(16)输出到上位机(21)，布里渊光时域反射计进行多次布里渊散射谱信号的探测，布里渊散射谱实时频谱分析装置对每次探测的信号分别进行数据处理，利用上位机(21)对每次从存储器获得的频谱数据进行频谱拼接和显示工作，得到处理后的布里渊光时域频谱信息。
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