《电子技术应用》
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基于FPGA的光纤振动定位系统的设计与实现
2018年电子技术应用第10期
罗义军,方 理
武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉430072
摘要: 针对防区周界被入侵时无法实时定位报警的问题,设计并实现了一种可实时定位的分布式光纤振动定位系统。以马赫-曾德尔光纤干涉技术为基础搭建光路,采用以FPGA结合高速ADC的硬件平台,对光路传来的两路信号进行转换、采集,并以互相关为主要算法处理采集信号得到振动位置。在一段160 m的光路上进行试验,系统能在振动发生后500 ms内给出振动位置。设置采样率为10 MHz,经过多次定位测试得出系统实际的定位误差为±10 m。且定位不需要上位机,提高了装置便携性,降低了成本。
中图分类号: TN247
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181072
中文引用格式: 罗义军,方理. 基于FPGA的光纤振动定位系统的设计与实现[J].电子技术应用,2018,44(10):60-63.
英文引用格式: Luo Yijun,Fang Li. Design and implementation of fiber-optic vibration positioning system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(10):60-63.
Design and implementation of fiber-optic vibration positioning system based on FPGA
Luo Yijun,Fang Li
Electronic Information School,Wuhan University,Wuhan 430072,China
Abstract: Aiming at the problem that the perimeter of defense zone can’t be located in real time when it is invaded, this paper designed and realized a real-time distributed optical fiber vibration positioning system. The optical path was built on the basis of Mach-Zehnder fiber interference technique,FPGA combined with high speed ADC was used as hardware platform to transform and collect the two signals from the optical path,then the cross correlation was taken as the main algorithm to process the acquired signal to get the vibration position. Tested on a 160-meter fiber, the system can give the vibration position within 500 ms after the vibration occurred. Seting the sampling rate to 10 MHz and after multiple positioning test, the actual positioning error of the system is ±10 m. And the positioning does not need the upper computer, which improves the device portability and reduces the cost.
Key words : FPGA;optical fiber vibration;cross-correlation;positioning

0 引言

    光纤传感器可探测光纤铺设沿线任意点的振动信息,其中干涉型传感器光纤中光功率损耗小,适用于复杂环境监测、周界安防等[1]。基于双马赫-曾德尔干涉结构的分布式光纤振动定位系统具有检测距离长、不受电磁干扰等优点[2]。很多研究者对此技术进行开发并已取得一定成果,但仍存在检测慢、误差较大等问题[3]。多数研究者在采集数据后算法部分由上位机完成,这样将大大增加一个计算过程的时长。而FPGA运行速度高,有很高的灵活性,在处理数据吞吐量大、速度高等问题上具有明显优势[4]。基于这些优点,本文以FPGA为平台,设计了一种基于马赫-曾德尔干涉技术的光纤振动定位安防系统。

1 系统原理分析

1.1 定位原理

    系统中光路模型如图1所示。

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    图中L1、L2分别为振动臂和参考臂,L3为导引光纤,C1、C4、C5为光耦合器,C2、C3为光环形器。光路模型以双马赫-曾德尔光纤干涉技术为基础,假设振动臂上距离C4 R处发生一入侵行为,振动位置为[5]

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式中c为光速,n为光纤的折射率,L1、L3为固定值,因此只需测两路信号到达两探测器的时间差tΔ即可求得入侵位置R。

    系统精度可由相邻两采样点之间的时长即采样周期时长求得,即:

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1.2 振动信号分析

    实际应用中外部因素会影响信号质量,需首先对信号进行分析以得到振动信号的特征以保证算法可行性。本文使用FPGA结合高速ADC对振动信号和底噪进行采集,使用MATLAB对所采集信号进行频谱分析。经多次采集分析得振动信号的频率范围主要分布在200 Hz到10 kHz,且振动信号的幅度远大于噪声幅度。据此可设计对应的滤波器滤除噪声而只保留振动信号。图2和图3分别表示某次入侵振动信号波形和频谱。

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1.3 定位算法设计

    经滤波处理的两路波形形状仍相似度很高且信号时间延迟不变,故可采用互相关算法处理该信号求得两路信号时间差。互相关公式如式(7)所示:

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2 系统结构及程序框图

2.1 系统框图

    基于以上分析,可设计出如图4所示系统。

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    光路中振动发生后的干涉光信号转换为电信号后经调理电路,由FPGA高速采集板采集数据并进行算法处理,可由上位机显示检测结果。

2.2 主要算法的FPGA实现

    FPGA程序框图如图5所示。

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    为定位振动位置,首先要判断哪段信号为振动信号。光纤在静止状态下发生振动会导致所采集数据的离散程度增大,因此可使用方差算法得到振动的起始点。设计中持续对采集到的数据进行方差计算,并设置方差阈值,若连续多次计算结果均大于该阈值,则判断振动发生,之后所采集到的一段数据即为振动数据,每次振动时长为500 ms以上,若按10 MS/s采样率计算,每次可采集最少5 000 000个数据,这些数据可满足互相关模块进行多次运算。因此在FPGA中设计方差程序对振动进行判断。图6为设计的FPGA程序中方差的结构图,图7为Quartus II中设计的方差模块顶层图。

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    判断振动发生后将此后经过滤波的信号送到互相关运算模块。本文设计了一种并行计算的互相关结构,不需存储且可实时进行计算。由于主要振动信号低频约为200 Hz,需至少对信号进行一个周期即50 ms的采集,若采用10 MS/s采样率,该结构即可在50 ms内对500 000个数据进行处理完成一次互相关计算,则一次振动可进行约10次互相关计算。图8为设计的FPGA程序中互相关的结构图,图9为Quartus II中互相关模块顶层图。

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    一次计算结果不足以证明该位置发生了振动,刮风下雨等情况可能导致整个振动臂发生振动,为排除这种情况影响,对连续10次互相关结果进行记录,共耗时约500 ms。若10次中有超过5次结果一样则判定该位置发生了入侵行为。这种简单的处理有效地避免了很多非入侵情况造成的误触发。图10为Quartus II中互相关结果处理模块顶层图。

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    互相关计算结果为两路数据延迟的点数,因此需根据采样率、光纤折射率、光速等值将延迟点数转换为实际的振动位置。

3 实验结果

    根据以上分析和设计,制作了一套实验装置。装置系统中光路部分使用市面上普通8芯光缆,铺设于小区围栏之上,振动臂总长约160 m。光电转换部分使用PIN激光管。这种激光管相较于大多系统使用的PINFET光电探测器具有更高的抗噪性,且成本更低。耦合器和光环形器收纳于尾纤盒中以免受外界干扰和破坏。

    系统电路部分置于实验室内。模数转换器使用ADI公司高速ADC AD9643,双路采样时每路采样率最高125 MS/s,测试中设置ADC采样率为100 MS/s,对采样数据进行下抽,使数据速率即实际采样率为f=10 MS/s,则系统定位精度为:

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    FPGA使用Altera公司CycloneIV系列产品EP4CE115F23I,这款FPGA芯片价格低廉,引脚多,逻辑资源丰富,可满足系统设计要求。开发软件使用Altera公司的Quartus II 。通过JTAG将程序下载进FPGA,用signalTapII对各模块关键信号进行抓取验证。图11为方差模块信号波形,图12为采集到的振动波形及互相关信号波形图,可看出两路波形相似,有很高的相关性。

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    经观察抓取的信号进行调整,使FPGA工作时序与设计相符。之后进行整体功能测试。整体测试中以小区大门为0起点,对铺设的光纤每隔10 m一个点进行多次测试,测试时采用手握或敲击光纤等方式来模拟入侵动作。图13为使用MATLAB绘制70 m处某次互相关计算的结果。

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    为方便观察,将定位结果上传到上位机,每次测试可直观地观察定位结果。图14为某次100 m处振动测试的结果的上位机显示。

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    由于使用的光缆外层较硬,测试时测试点的振动会带动附近一段光纤振动,会导致出现定位偏差,因此需对每个点进行大量测试观察实际的定位偏差。表1为其中3个测试点测试得到的定位结果,每个点进行了100次测试。

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    由上测试结果可看出该系统具有较稳定的报警,误报漏报率小,系统定位误差稳定在入侵位置左右10 m之间,满足长距离安防需求。

4 结论

    本文以FPGA为平台,设计了一种可实时定位的分布式光纤振动定位系统,算法处理在硬件中完成,防区上发生振动时系统能在500 ms左右做出响应并给出定位,而入侵动作为秒级,因此几乎在振动的瞬间即可做出反应。根据实际需求,上位机可有可无,因此节省了成本,提高了装置便携性。实测结果表明,设置采样率为10 MHz,系统精度为±10 m,可根据需要调节采样率。但实际环境常常较为复杂,可能导致不确定性触发,故后期可增加其他算法排除此类情况。

参考文献

[1] 林文台,梁生,娄淑琴,等.一种低误报率的新型光纤分布式振动传感系统[J].红外与激光工程,2015,44(6):1845-1848.

[2] 郑潜,刘海.光纤地波周界安防设备设计与实现[J].光通信研究,2016(4):45-48.

[3] 陈沁楠.双马赫—曾德型分布式光纤振动传感若干关键技术研究[D].天津:天津大学,2015.

[4] 许义宝.基于FPGA的远距离多节点光纤传输系统设计与实现[D].合肥:安徽大学,2017.

[5] 王晓锋,王辅东,陈焕新.双马赫-曾德尔光纤传感系统的定位原理与算法[J].中国高新技术企业,2017(8):19-20.

[6] 薛迎勃,李宏.互相关运算算法在微传感器检测中的应用[J].电子设计工程,2015,23(1):93- 95.



作者信息:

罗义军,方  理

(武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉430072)