基于FPGA的分布式光纤测振仪设计

摘要

振动信号检测通常采用点式分离的传感器作为信号采集装置，这类方法对机械设备故障检测具有良好效果，但不适用于长距离分布式的振动测量。相位敏感光时域反射（Φ-OTDR）技术作为一种分布式振动信号检测的新型方案，克服了上述的不足，在振动领域应用广泛。在实际工程中，振动信号的快速性和瞬时性对数据采集速率和数据传输速度提出了较高的要求。FPGA由于并行运行快、灵活度高和高速处理等优点，常用于信号的高速采集，将 FPGA技术应用于分布式光纤振动传感系统中，实现信号的高速处理与振动事件的实时定位和解调很有必要。
　　为了实现对振动事件的实时定位和解调，本文设计并实现了基于FPGA的分布式光纤测振仪。整个测振系统分为三部分：分布式光学测振平台、高速数据采集系统和上位机监控软件。其中分布式光学测振平台作为系统的第一部分，实现了由外界振动信号向光信号的转化，然后通过光电转换为电信号。高速数据采集系统作为系统的中间层，将光电转换器输出的模拟信号转换为数字信号并进行数据处理，再将数据传输给上位机。上位机监控软件将接收到的数据配合设计的算法程序，将结果输出，提供了整个系统的控制和数据显示功能。主要的研究内容如下：
　　首先，从振动信号对光相位的调制以及通过检测光相位引起的光强变化来实现对振动信号的解调，阐述了振动检测的基本原理，根据指标要求进行了器件的选型并设计了基于振动检测原理的分布式光纤振动检测系统的方案，搭建了Φ-OTDR分布式振动检测的光学平台。采用示波器捕获光学平台的后向瑞利散射信号并结合 Matlab，对后向散射曲线进行了分析，初步验证了系统能够成功对振动事件检测和解调。
　　接着，基于AD9226芯片和Altera的FPGA芯片设计了高速数据采集系统:首先确定了整体的数据采集方案，设计了外围衰减电路和传输电路；然后，提出了两种数据采集方案，一种基于串口传输的单点数据采集方案：一种基于 USB2.0传输的连续数据采集方案，详细阐述了 USB2.0、CY7C68013A以及Slave FIFO的基本原理和数据的读写时序等，建立对应采集模型，并将采集系统结合光学平台对光纤沿线分布式实时采集进行了验证；研究MFC的程序开发框架和系统的可视化需求，设计了上位机监控界面的总体方案，对主要功能模块以及软件实现代码进行了具体说明，包括参数设置、数据处理、信号显示等单元，实现了实时数据显示与存储功能。
　　最后，建立了完整的分布式振动测量系统，并通过实验进行验证。实验结果表明：系统能够在11.5km的传感范围上实现20m的定位误差和30m的空间分辨率，频率响应线性度良好，响应时间快，各个指标均满足项目的要求，系统同时还能响应正弦波、方波和冲击信号，特征鲜明，效果显著。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 光纤传感在测振领域的发展动态

1.3 FPGA在仪器设计中的应用现状

1.4 本文的主要工作及结构安排

第二章 分布式振动检测方案设计

2.1 振动检测基本原理

2.2 分布式测振方案设计

2.3 系统关键器件选型

2.4 Ф-OTDR系统功能测试与分析

2.5 本章小结

第三章 基于FPGA的高速数据采集与处理系统

3.1 FPGA技术及总体设计

3.2 高速数据采集系统的FPGA硬件实现

3.3 基于FPGA离散数据高速采集系统的逻辑实现

3.4 基于FPGA连续数据高速采集系统的逻辑实现

3.5 本章小结

第四章 上位机监控软件设计

4.1 MFC概述

4.2 上位机监控方案及模块介绍

4.3 软件程序设计

4.4 本章小结

第五章 FPGA高速实时测振系统实验与分析

5.1 定位范围及误差测试

5.2 空间分辨率实验测试

5.3 振动信号特征分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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