基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制系统.pdf

文档介绍：西南交通大学硕士研究生学位论文第T页摘要分布式光纤传感器是一种实时监测空间温度或应变分布的传感系统。利用光纤中的散射效应,并结合传统的光时域反射(Optical Time Domain Reflectometry,OTDR) 技术,对光纤所处环境的参量进行测量。然而,分布式光纤温度传感器中微弱自发散射光的探测问题会限制系统性能的提高,除了采用相干检测的方式,在直接检测中利用泵浦光编码技术也可以有效的解决这方面的问题。同时,光纤传感器的系统控制对保证传感器稳定工作、为准确测量提供良好支撑具有重要的作用。本文从理论分析与实验验证两方面对分布式光纤传感器进行研究。首先介绍分布式光纤传感器的基本理论——光时域反射技术与光纤中的非弹性散射,并基于布里渊散射的耦合幅度方程,对分布式光纤温度传感器进行数值分析。其次,针对基于矩阵的泵浦光编码技术,讨论S矩阵编码方式的特点,并给出一种编码矩阵的构造方法, 利用布里渊散射的数值模型分别对两种矩阵编码脉冲泵浦的方式进行分析。最后,为实现分布式光纤温度传感实验,合作开发了采用ADC(Analog toDigital Converter, 模拟到数字转换器)+FPGA(Field Programmable GateArray,现场可编程门阵列)+DSP (Digital SignalProcessor,数字信号处理器)体系结构的数据采集卡,在其中完成基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制系统的设计,并利用Quartus II软件中自带的嵌入式逻辑分析仪SignalTap II,在光纤温度传感实验中实时测试了系统的功能。所取得的研究结果如下:通过数值分析得到自发布里渊散射光功率在光纤中的分布情况和光纤始端可接收到的散射光功率曲线,并通过光纤中不同位置的散射光功率随光纤所处环境温度线性变化的数值结果,拟合出了与已报道实验数据相符的布里渊功率温度系数,且该系数的大小与光纤中的位置有关,距离光纤始端越远,所对应的系数越小;在泵浦光编码中,矩阵的编码增益与该矩阵的逆矩阵中所有元素的平方和相关,该平方和越小,矩阵的编码增益越大;编码矩阵的构造形式与其中元素的取值对编码的性能有直接的影响;所给出的编码矩阵可获得更大的编码增益,并减少编码泵浦光的发送次数、简化编码过程,散射光功率与编码增益随着编码长度的增加而增大,而温度的不确定度则随其增加而减小,可通过调整码长获得所需要的检测性能。所设计的分布式光纤传感器控制系统,可在采用ADC+FPGA+DSP体系结构的数据采集卡中发挥系统控制、时序控制和数据缓冲等作用,获得预期的设计效果。关键词:光纤传感器;布里渊散射;编码;FPGA;控制系统西南交通大学硕士研究生学位论文第1I页 Abstract Distributed optical fiber sensor iS areal—time sensor system Which iSused tomonitor thespatial distribution oftemperature environment parameters are measured according toboth the scattering inoptical fiberand theconventional optical timedomain reflectometry(OTDR),the improvement ofthesystemperformance willbelimitedby theproblem ofweak spontaneous scattered light addition to theinterferometric detection method,the use ofthepump encoding technology inthedirect detection isalso an effectiveapproach forsolving ,the system control of the distributed optical fibertemperature sensor plays an important rolein ensuring the sensor stability and providing agood support for urate measurement. Distributed optical fiber sensor isresearched from the two aspects oftheoretical analysisandexperimen