φ-OTDR型光纤振动传感系统综合信号处理技术研究

发布时间：2020-10-10 06:01

　　 φ-OTDR型光纤振动传感技术具有灵敏度高、空间动态范围大和定位精度高等特点,可在大型设施健康监测、工业生产过程检测、周界安防、管道防护等领域广泛应用。本文以课题组自主研发的φ-OTDR型光纤振动传感系统为依托,开展面向工程应用的综合信号处理关键技术的研究。第二章分析并指出φ-OTDR型光纤振动传感系统在工程应用中存在的问题,提出综合信号处理方案。以Xilinx公司Spartan-6系列FPGA为核心,结合ADC、DAC、USB2.0等功能模块,提出基于FPGA的信号处理子系统架构,规定了高速数据采集、处理、传输以及系统参数控制等功能。针对系统工程应用中的具体问题,提出数字化自动调节数字化自动调节、背向散射迹线动态补偿、传感数据压缩与成帧传输和传感光纤故障实时监测与定位等技术方案。第三章详细分析FPGA电路及ADC、DAC、USB2.0、数字控制接口和电源管理等功能模块,讨论各类芯片选型。充分考虑了电磁兼容性和信号完整性,设计并研制出综合信号处理子系统硬件电路,给出了数字化自动调节数字化自动调节、背向散射迹线动态补偿、传感数据压缩与成帧传输和传感光纤故障实时监测与定位等算法的FPGA程序设计。第四章搭建了系统实验平台,对综合信号处理子系统进行测试与分析。结果表明,综合信号处理子系统各功能模块工作正常,满足传感系统的需求。综合信号处理算法大大提高了传感系统信噪比,消除传感盲区；提升数据传输效率,缩短系统响应时间；实现参数数字化自动调节,增强系统的环境适应性：实现了传感光纤故障的实时监测与定位,提升了系统性能,满足工程应用的需求。第五章构建了基于综合信号处理技术的cp-OTDR型光纤振动传感演示系统。演示系统以沙盘模型为依托,结合了机场、油库、石油管道、军事基地等多种应用场景,采用围栏、围墙、埋地以及管道等多种布缆方式。结果表明,演示系统各区域工作正常,对外界扰动具有很高的信噪比和定位精度。系统集成了语音警报和视频联动等功能,能够实现对传感光缆任意处外界振动事件的检测与定位,满足各种应用场景的需求。第六章给出全文总结,提出下一步工作设想。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TP212;TN911.7
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章绪论
    1.1 φ-OTDR型光纤振动传感技术研究进展
        1.1.1 φ-OTDR机理与应用
        1.1.2 φ-OTDR技术研究进展
    1.2 φ-OTDR型光纤振动传感系统信号处理技术研究进展
        1.2.1 系统性能分析
        1.2.2 信号处理技术研究进展
        1.2.3 FPGA技术
        1.2.4 问题与分析
    1.3 论文主要工作及章节安排
        1.3.1 论文研究意义
        1.3.2 论文主要工作内容
        1.3.3 论文组织结构与章节安排
第二章 φ-OTDR型光纤振动传感综合信号处理技术方案
    2.1 φ-OTDR型光纤振动传感系统总体研究方案
        2.1.1 φ-OTDR型光纤振动传感系统原理与基本架构
        2.1.2 综合信号处理子系统研究方案
    2.2 φ-OTDR型光纤振动传感系统数字化自动调节技术方案
        2.2.1 系统参数数字化调节技术
        2.2.2 光接收模块自动增益调节技术
    2.3 背向散射迹线动态补偿技术方案
    2.4 传感数据压缩与成帧传输技术方案
        2.4.1 扰动信号提取原理
        2.4.2 数据编码与成帧
        2.4.3 数据压缩率
    2.5 传感光纤故障实时监测与定位技术方案
    2.6 本章小结
第三章 φ-OTDR型光纤振动传感综合信号处理子系统研制
    3.1 FPGA电路设计
        3.1.1 FPGA芯片选型
        3.1.2 FPGA电源网络设计
        3.1.3 时钟及复位电路设计
        3.1.4 FPGA配置电路设计
        3.1.5 FPGA功能管脚电路设计
    3.2 功能模块设计
        3.2.1 ADC模块设计
        3.2.2 DAC模块设计
        3.2.3 USB2.0接口模块设计
        3.2.4 数字控制接口模块设计
        3.2.5 电源管理
    3.3 版图设计与研制
    3.4 综合信号处理算法
        3.4.1 FPGA程序设计简介
        3.4.2 φ-OTDR型光纤振动传感系统数字化自动调节算法
        3.4.3 背向散射迹线动态补偿算法
        3.4.4 传感数据压缩与成帧传输算法
        3.4.5 传感光纤故障实时监测与定位算法
    3.5 本章小结
第四章 φ-OTDR型光纤振动传感综合信号处理子系统测试与分析
    4.1 功能模块验证与性能分析
        4.1.1 电源模块
        4.1.2 FPGA配置电路
        4.1.3 ADC模块
        4.1.4 DAC模块
        4.1.5 USB2.0接口模块
        4.1.6 数字控制接口模块
    4.2 综合信号处理算法
        4.2.1 φ-OTDR型光纤振动传感系统数字化自动调节算法
        4.2.2 背向散射迹线动态补偿算法
        4.2.3 传感数据压缩与成帧传输算法
        4.2.4 传感光纤故障实时监测与定位算法
    4.3 本章小结
第五章 φ-OTDR型光纤振动传感演示系统
    5.1 系统方案设计
        5.1.1 场景与需求分析
        5.1.2 系统技术指标
        5.1.3 系统框架
    5.2 沙盘制作与布缆
    5.3 系统实现与测试
    5.4 本章小结
第六章总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
作者简介

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