基于下变频和IQ解调的外差型相位敏感光时域反射技术的模式识别

发布时间：2019-09-06 14:50

【摘要】：基于模拟下变频器、数字IQ解调和反向传播(BP)神经网络,采用现场可编程门阵列结合数字信号处理器(FPGA+DSP)的数据采集和处理架构,提出了一种全嵌入式高信噪比(SNR)、高分辨率和低成本的外差型相位敏感光时域反射(Φ-OTDR)技术模式识别方法。针对外差型Φ-OTDR技术,使用DSP、FPGA及其外围硬件电路替代原有的GHz级高速采集卡和信号发生器,减小了系统的体积和成本。在此基础上,设计了基于时空域二维图提取形态学特征的方法,并采用BP神经网络进行分类识别;所提方法相对于传统的针对一维信号进行模式识别的方法误报率更低、识别率更高。实验结果表明,所设计的基于FPGA+DSP全嵌入式并行信号处理架构满足实时监测的要求,SNR高达12.43dB,事件识别准确率达到97.78%。
【图文】：

示意图,系统结构,示意图,环形器

程门阵列（ＦＰＧＡ）及其外围电路可代替信号发生器，并能实时调制触发脉冲的宽度与重复频率。在外差型Φ－ＯＴＤＲ系统中，定位曲线只能反映空间域上的振动而不能反映时间域的情况。本文采用全嵌入式硬件架构，基于图像处理的方式提取时空域特征［４］，并使用反向传播（ＢＰ）神经网络进行分类识别。所提系统以普通单模光纤作为光传输和传感载体，易于安装，可以实现长距离、多位置实时监测，并且可以应用在工程结构的安全检测、光纤周界防护、油气管道安全预警等领域。２系统结构与原理系统结构框图如图１所示，该系统采用窄线宽激光器作为光源，中心波长为１５５０．１２ｎｍ。光源输出分为两路：一路作为本征光，另一路作为探测光。探测光经过ＡＯＭ（消光比为５５ｄＢ，移频为２００ＭＨｚ）调制成脉冲光，脉冲光经掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）的放大后通过环形器进入传感光纤中。光纤中的散射信号进入环形器的２端，由环形器３端输出到耦合器的一端；耦合器的另一端输入本征光，输出信号经过光电探测器转换成电信号。信号经ＦＰＧＡ采集并进行初步处理后传输到数字信号处理器（ＤＳＰ）中，ＤＳＰ对信号进行后续处理，ＤＳＰ处理结果基于传输控制协议传输到上位机。图１中ＤＤＳ为直接数字频率合成器。图１系统结构示意图Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ将环形器３端输出的瑞利散射信号Ｅｂｓ（ｔ）与本征光ＥＬｏ（ｔ）进行相干拍频（图１），由于光电探测器频带有限，忽略高频后得到Ｓｃ（ｔ），即Ｓｃ（ｔ）＝Ｅ０Ａ（ｔ）ｃｏｓθｃｏｓ［Δω１（ｔ）

示意图,外围电路,示意图,下变频

光学学报式中ＳＡＣ为信号电压幅值，Ｒ为电阻。ＦＰＧＡ及其外围电路主要实现ＡＯＭ调制脉冲产生和模拟下变频功能，其示意图如图２所示。利用ＦＰＧＡ驱动数模转换器（ＤＡ），高速放大器产生ＡＯＭ调制脉冲，下变频部分将载频信号由２００ＭＨｚ降到５ＭＨｚ［６］。图中ＬＰＦ为低通滤波器，ＤＡＱ为数据采集卡。图２ＦＰＧＡ及其外围电路示意图Ｆｉｇ．２ＤｉａｇｒａｍｏｆＦＰＧＡａｎｄｉｔｓｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｃｉｒｃｕｉｔ下变频系统采用对称差分结构，此结构有助于抑制电路板噪声。光电探测器输出信号分别与ＤＤＳ输出的相位差为１８０°的两路正弦信号进行混频，系统输出由ＡＤ两通道以４０ＭＨｚ·ｓ－１的速度进行同步采集，将采集到的信号进行相减，以达到抑制噪声的目的。如图２所示，输入信号为Ｓｃ（ｔ）、Ｓ１（ｔ）和Ｓ２（ｔ），其中Ｓ１（ｔ）和Ｓ２（ｔ）为ＤＤＳ生成的两路相位差为１８０°的正弦信号［Δω２（ｔ）＝１９５ＭＨｚ］。由两路模拟乘法器分别完成Ｓｃ（ｔ）与Ｓ１（ｔ）、Ｓ２（ｔ）的混频，得到的信号ＳＥ１（ｔ）、ＳＥ２（ｔ）分别可表示为ＳＥ１（ｔ）＝Ｓｃ（ｔ）Ｓ１（ｔ），（３）ＳＥ２（ｔ）＝Ｓｃ（ｔ）Ｓ２（ｔ）。（４）混频后的ＳＥ１（ｔ）和ＳＥ２（ｔ）包含下变频分量和上变频分量，经过低通滤波电路后得到的信号Ｅｓ１（ｔ）和Ｅｓ２（ｔ）可分别表示为Ｅｓ
【作者单位】：天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金青年基金(61304244) 高等学校博士学科点专项科研基金(20130032130001)
【分类号】：TP391.4

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