基于数字光频梳的实时布里渊光时域分析系统设计与实现

摘要

近几十年来，基于布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis, BOTDA)的分布式传感系统以其长距离传感、高分辨率和能同时获得所测量信号在整根光纤上的空间分布情况等优势，被广泛应用在基础设施的结构健康检测上。在传统的BOTDA系统中，诸如信号产生、数据采集和数据处理等功能是彼此分离的，这一方面使系统的集成度降低，另一方面导致系统由于仪器的数据接口不匹配等问题无法实现实时测量。尽管目前已有少量集成化BOTDA系统出现，但由于其具有扫频特性，当传感距离长、分辨率高时，系统的测量时间仍然较长(秒级到分钟级)，无法满足航天、国防等应用场景对实时性的高要求。　　基于此，本文设计并实现了一种基于数字光学频率梳(Digital optical frequency comb, DOFC)的实时BOTDA系统。首先，通过设计一体化的硬件架构，并辅以相应的接口模块，解决了传统BOTDA系统由于仪器的数据接口不匹配导致无法实现实时测量的问题，并提高了系统的集成度；其次，基于所设计的硬件系统，对DOFC探测信号和泵浦信号进行了优化，使系统在进行光纤传感时不仅可避免扫频操作从而减少测量时间，还可降低系统成本；再有，通过对数据处理模块进行优化，使系统能完成对20Gbps传感数据的实时处理，从而实现实时BOTDA传感测量，主要的优化内容包括：1)提出了一种基于增量更新的快速帧同步算法，该算法相较于标准帧同步算法，计算量可减少98%左右，解决了帧同步过程运算量大、无法实现实时处理的问题；2)对数据处理模块进行了合理的功能划分，并利用现场可编程门阵列(Field programmable gate array, FPGA)的并行化思想和流水线机制，设计了并行化的子功能模块和流水线式的数据处理流程，使系统对数据的实时处理得以实现。　　实验结果表明，所设计的实时BOTDA系统能对9.2km的传感光纤进行长时间不间断的实时分布式温度和振动测量，一次完整的测量(包括数据采集和处理)仅需要120μs，是目前同类型技术中所能达到的最高指标，能满足绝大多数应用场景对于实时性的要求。

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本文主要术语说明

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第1章 绪论

1.1 选题依据及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究的内容及安排

1.4 论文创新点

第2章 分布式光纤传感原理及性能指标分析

2.1 光纤中的散射现象

2.2 基于布里渊散射的传感原理

2.3 BOTDA传感原理

2.4 BOTDA实时性能影响因素分析

2.4.1 实时性能指标——测量时间

2.4.2 采集加速——快速BOTDA技术

2.4.3 后处理加速

2.5 本章小结

第3章 实时BOTDA系统方案设计

3.1 系统方案设计准则

3.2 硬件系统设计

3.2.1 硬件方案

3.2.2 关键器件需求分析

3.2.3 硬件板卡设计

3.3 信号产生和数据处理流程设计

3.3.1 DOFC探测信号的设计

3.3.2 泵浦脉冲信号的设计

3.3.3 接收端数据处理方法的设计

3.4 实时BOTDA系统整体方案设计

3.4.1 系统方案设计

3.4.2 关键器件需求分析

3.5 系统性能指标及参数

3.6 本章小结

第4章 算法优化及FPGA逻辑设计

4.1 FPGA逻辑框架

4.2 信号产生模块

4.3 高速数据采集模块

4.4 实时信号处理模块

4.4.1 帧同步模块

4.4.2 内存控制模块

4.4.3 BGS重构模块

4.4.4 BFS定位模块

4.5 数据传输模块

4.5.1 数据格式转换

4.5.2 数据发送

4.6 本章小结

第5章 系统测试及性能分析

5.1 系统子模块测试

5.1.1 帧同步模块测试

5.1.2 内存控制模块测试

5.1.3 BGS重构模块测试

5.1.4 BFS定位模块测试

5.1.5 数据传输模块测试

5.2 系统综合测试

5.2.1 实验平台搭建

5.2.2 长距离温度测量

5.2.3 实时振动测量

5.2.4 长时间振动测量

5.3 系统实时性能分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及参与科研情况

致 谢